Schaltungsanordnung in einer Gleisfreimeldeeinrichtung einer
Eisenbahnsicherungsanlage
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Auswertung von Gleiswechselspannungen in einer selbsttätigen Gleisfreimeldeeinrichtung einer Eisenbahnsicherungsanlage, gegenüber einer Vergleichswechselspannung nach Amplitude, Frequenz und Phase mittels elektronischer Elemente mit mindestens drei Elektroden, z. B. Röhren oder gleichwirkenden Bauelementen.
Diese sogenannten elektronischen Gleisrelais haben bisher den Nachteil grosser Phasenempfindlichkeit, da die Amplituden und Phasen von sinusförmigen Wechselspannungen verglichen werden. Schon bei geringen Phasenwinkeländerungen der Gleisspannung, die durch den witterungsabhängig veränderlichen, komplexen Gleiswiderstand hervorgerufen werden, verschlechtern sich die Eigenschaften derartiger Anordnungen so weit, dass durch Störanzeigen oft betriebshemmende Zustände eintreten. Ausserdem entstehen erhebliche Phasenwinkeländerungen durch die zwischen Gleis und Gleisrelais bei elektrifiziertem Bahnbetrieb notwendigerweise einzuschaltenden Filter, wenn sich die Frequenz der Gleis- und der Vergleichsspannung nur geringfügig ändert.
In Fig. 1 ist eine solche bekannte Anordnung dargestellt. An den Übertrager T1 wird die sinusförmige Gleisspannung Ug und an den Übertrager T2 ebenfalls sinusförmige Vergleichsspannung U gleicher Frequenz gelegt. Die vom Übertrager T1 abgegebene Gleisspannung Ugr und die von der Wicklung t23 des Übertragers T2 abgegebene Vorspannung Uo sollen um 1800 zueinander phasenverschoben sein. Ihre geometrische Summe Ugr + Uo = Ust bildet die Steuerspannung zwischen den Elektroden a und b der Röhre R. Bei besetztem Gleis ist die Gleisspannung Ugr kleiner als die Vorspannung Uo. Die Steuerspannung Ust ist dann phasengleich mit der von der Wicklung t21 abgegebenen Spannung U21. Daher wird das Relais B erregt, das bei seinem Ansprechen die Gleisbesetzung meldet.
Das Relais F bleibt stromlos, da die Steuerspannung und die von der Wicklung t22 abgegebene Spannung U22 gegenphasig sind. Bei freiem Gleis ist Ugr > Uo.
Die Steuerspannung Ust ist dann mit der Vergleichsspannung U22 phasengleich. Daher wird dann über den Gleichrichter Gf das Relais F erregt, dagegen bleibt das Relais B stromlos, da jetzt die Spannungen Ust und U21 gegenphasig sind.
Das Zeigerdiagramm Fig. 2 lässt erkennen, dass diese Bedingungen nicht mehr erfüllt sind, wenn zwischen den Spannungen Ug und U und damit zwischen Ugr und Uo, U21 bzw. U22 ein aus den obengenannten Gründen unvermeidlicher Phasenwinkel a bzw. (180 -a) entsteht. Die Steuerspannung Ust ist dann nicht gleich- bzw. gegenphasig mit den Vergleichsspannungen U21 bzw. U22, sondern sie hat, z. B. bei freiem Gleis, den Phasenwinkel fl zur Vergleichs spannung U22 und den Phasenwinkel (180 -ss) zur Vergleichsspannung U21. Dieser Winkel ss ist stets grösser als der Phasenwinkel a.
Die Röhre wird nun in den positiven Halbwellen beider Vergleichsspannungen U21 und U22 derart ausgesteuert, dass das Relais B während des Stromflusswinkels fl und Relais F während des Stromflusswinkels (1 800-ss) erregt wird. Daher können beide Relais B und F gleichzeitig anziehen. Dieser Schaltzustand der Relais löst eine Störanzeige aus, durch die der Betrieb behindert wird.
In Fig. 3 sind die durch die Relais B und F fliessenden Ströme Jb und Jf in Abhängigkeit von der Gleisspannung dargestellt. Bei gleichen Spannungen U21 und U22 sowie gleichen Daten der Relais B und F (Ansprechstrom Jan und Abfallstrom Jab) sowie der Gleichrichter Gb und Gf gilt für den Strom Jb die Kurve b 1 und für den Strom Jf die Kurve, wenn die Gleisspannung Ug und die Spannung U phasengleich sind. Damit die Anordnung einwandfrei arbeitet, darf beim Übergang vom besetzten zum freien Zustand des Gleises oder umgekehrt die Gleisspannung nicht in dem kritischen Bereich 1 liegen, da in diesem Bereich der Schaltzustand des Relais kein eindeutiges Kriterium für den Gleiszustand ist. Beispielsweise sind in der Mitte dieses Bereiches beide Relais stets gleichzeitig abgefallen.
Die Kurven b2 und f2 gelten für eine Pha senverschiebung von a = i 150 zwischen den Span- nungen Ug und U. Hierbei ergibt sich ein Bereich 2 für die Gleisspannung, in dem derartige elektronische Gleisrelais nicht einwandfrei arbeiten, weil die Relais B und F gleichzeitig erregt sein können. Diese Kurven gelten nicht nur für die in Fig. 1 gezeigte Anordnung, sondern auch für andere bekannte Anordnungen, bei denen jedem der Relais B und Feine eigene Röhre zugeordnet ist oder die Röhren durch Transistoren ersetzt sind.
Eine Verbesserung der bekannten elektronischen Gleisrelais und die Vermeidung der obengenannten Nachteile ist erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass mindestens der von der Gleisspannung abhängige Spannungsanteil der für die Auswertung massgebenden Steuerspannung der elektronischen Elemente während jeder Halbperiode einen rechteckförmigen Verlauf mit einer der Gleisspannung proportionalen Amplitude hat.
Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen Anordnung ist in Fig. 4 dargestellt und nachstehend erläutert.
Fig. 5 zeigt den zeitlichen Verlauf der für die Auswertung der Gleisspannung massgebenden Spannungen und Ströme bei freiem Gleis und einer Phasenverschiebung a von etwa 15".
Der Aufbau des Schaltungsteils mit dem Transformator T4, den Transistoren Ab und A > , den Relais B und F sowie den Gleichrichtern Gb und Gf ist an sich bekannt und bildet nicht den Gegenstand der Erfindung. Der für die Umwandlung der sinusförmigen Gleisspannung Ug in rechteckförmige Spannungen Ugb und Ugf zuständige Teil der Anordnung besteht aus dem Übertrager T3 mit den Sekundärwicklungen t31 bis t33, dem Gleichrichter G, den Transistoren A 1 und B1, dem Kondensator C und dem Übertrager T4 mit den Wicklungen t41 bis t44. Der für die Umwandlung der Vergleichsspannung U zuständige Teil V der Anordnung, der in gleicher Weise wie der Teil A aufgebaut ist, speist den Übertrager T5 mit den Sekundärwicklungen t51 bis t53.
Die Wirkungsweise der Schaltung ist wie folgt:
Durch die Spannungen an den Wicklungen t3 1 und t32 des an das Gleis angeschlossenen Übertragers T3 wird im Takte der Wechselspannung in der einen Halbwelle der Transistor A 1 ausgesteuert, während der Transistor A 2 gesperrt bleibt. In der anderen Halbwelle wird der Transistor A 2 ausgesteuert und der Transistor A 1 bleibt gesperrt. Die Spannung an der Wicklung t33 wird durch den Gleichrichter G gleichgerichtet und dem Kondensator C zugeführt. Die Gleichspannung des Kondensators, die sich proportional mit der Gleiswechselspannung ändert, wird bei ausgesteuertem Transistor A 1 an die Wicklung t41 des Übertragers T4 und bei ausgesteuertem Transistor A 2 an die Wicklung t42 geschaltet.
An den Wicklungen t43 und t44 entstehen rechteckförmige, mit der Gleisspannung phasengerechte Wechselspannungen Ugb und Ugf die gleichzeitig mit der Gleisspannung, aber in entgegengesetzter Richtung zueinander durch Null gehen. Die Momentanwerte der Spannungen Ugb und Ugf sind während jeder Halbwelle konstant und proportional zum Betrag der Gleisspannung Ug.
In entsprechender Weise erzeugt der Teil V an den Wicklungen des Übertragers T5 der sinusförmigen Vergleichsspannung U proportionale und phasengerechte rechteckförmige Wechselspannungen, deren Momentanwerte während jeder Halbperiode konstant und proportional zum Betrag der Spannung U sind.
In den Steuerkreisen der Transistoren Ab und Af entstehen hierdurch die Vorspannungen Uob und Uof.
Die Spannung Uob ist gleichphasig und die Spannung Uof ist gegenphasig mit der umgeformten Vergleichsspannung Uv. Die Spannungen Ugb und Uob bzw. Ugf und Uof sind bei Gleichphasigkeit der Spannungen Ug und U jeweils phasenverkehrt zueinander. Bei besetztem Gleisabschnitt ist Ugb < Uob und Ugf < Uof. Die Differenzen dieser Spannungen bilden die Steuerspannungen Ustb und Ustf. Die Spannung Ustb ist dabei mit der Spannung Uv in Phase, so dass der Transistor Ab in derjenigen Halbperiode ausgesteuert wird, in welcher der Gleichrichter Gb einen Stromfluss über den Transistor Ab und das Relais B erlaubt. Das Relais B zieht an. Die Spannung Ustf ist dagegen gegenüber der Spannung Uv phasenverkehrt, so dass der Transistor Af den Stromkreis über das Relais F sperrt.
Bei freiem Gleisabschnitt ist Ugf > Uob und Ugf > Ubf. Die Steuerspannungen Ustb und Ustf vertauschen ihre Phasenlagen, so dass das Relais F erregt und das Relais B stromlos wird.
Verändert sich der Phasenwinkel der Gleisspannung durch Ä nderung des witterungsabhängigen komplexen Gleiswiderstandes vom Winkel a = 0 auf den Winkel a = 15 , so ergeben sich bei freiem Gleis für eine Anordnung nach Fig. 4 die in Fig. 5 dargestellten zeitlichen Verläufe der Steuer- bzw. Speisespannungen und der Relaisströme. Der Phasenwinkel zwischen der Spannung Uv und der Steuerspannung Ustb oder Ustf ist hierbei nicht grösser als der Phasenwinkel a zwischen den Spannungen Ug und U bzw. Ugb oder Ugf und Uv, wie das bei Anordnungen nach Fig. 1 der Fall ist. Damit ergibt sich für das Besetztmelderelais B nur ein relativ kleiner Fehlstrom Jb, der zum Anziehen oder Festhalten des Ankers nicht ausreicht.
Erst bei noch grösserem Phasenwinkel a erreicht der Fehlstrom Jb einen Wert, bei dem auch das Relais B anspricht und somit eine Störanzeige ausgelöst wird.
Die in Fig. 3 mit gleichen Relais B und F dargestellte Kurve b für den Strom Jb gilt bei einer Phasenverschiebung a = di 150. Die entsprechende Kurve für den Strom Jf fällt praktisch mit der Kurve fl zusammen. Durch den Vergleich dieser Kurven mit den Kurven b2 und2, die für elektronische Gieisrelais mit sinusförmigen Steuer- und Speisespannungen und einer Phasenverschiebung a = di 150 gelten, ist ohne weiteres ersichtlich, dass durch die erfindungsgemässe Verwendung von rechteckförmigen Spannungen eine wesentliche Verbesserung erzielt wird, da auch bei diesen Phasenverschiebungen der Störungsbereich innerhalb des Bereiches 1 (für a = 0 ) liegt.
Der zulässige Phasenwinkel, bei dem keine Störanzeige erfolgen soll, kann durch Verwendung von Relais Bund Fmit unterschiedlichen Anzug- und/oder Abfallströmen vergrössert oder verkleinert werden.
Ausserdem ist es bei Verwendung eines Relais B mit geringerem Anzug- und Abfallstrom als beim Relais F möglich, eine obere Grenze des Phasenwinkels festzulegen, bei deren Überschreitung das Relais B auch bei freiem Gleis anzieht. Der Anzugstrom des Relais B wird zweckmässigerweise so gewählt, dass er nur wenig oberhalb des unteren, etwa horizontal verlaufenden Teils der Kurve b liegt. Wird die Phasenverschiebung a > 15 , so verschiebt sich dieser Kurventeil bei gleichen Gleisspannungen Ug nach grösseren Stromwerten Jb, so dass das Relais B bei Ug > Ugo anspricht. Derartige Phasenverschiebungen können aber nur durch Fremdspannungen entstehen, die sich der Speisespannung des Gleises überlagern.
Daher bleibt die Phasenempfindlichkeit der elektronischen Gleisrelais gegen derartige Fremdspannungen auch dann bestehen, wenn diese Gleisrelais gegen begrenzte Phasenverschiebungen zwischen Gleisspannung und Vergleichsspannung unempfindlich gemacht sind.
Statt der Übertragerwicklungen t51 und t52 können auch Gleichspannungsquellen benutzt werden, die so gepolt sind, dass der Transistor Ab durchgesteuert und der Transistor Af gesperrt ist, wenn die Spannungen Ugb und Ugf kleiner als diese Gleichspannungen sind. Ferner ist es nicht unbedingt erforderlich, dass die Spannung Uv rechteckförmig ist. Bei Sinusform dieser Spannung ergibt sich praktisch die gleiche verbesserte Wirkungsweise elektronischer Gleisrelais . Stehen also Gleischpannungsquellen für die Vorspannung zur Verfügung, so kann auf den Teil V verzichtet werden.
Weiterhin kann das Verhältnis der Windungszahlen der Wicklungen t43 und t44 so gewählt werden, dass das Anziehen des Relais B und das Abfallen des Relais F beim Besetzen des Gleises etwa bei der gleichen Gleisspannung erfolgt. Beim Freiwerden des Gleises erfolgt dann das Abfallen des Relais B und das Anziehen des Relais F ebenfalls etwa gleichzeitig bei einer nur wenig höheren Gleisspannung. Die Kurven b 1 und fl schneiden sich dann im Bereich zwischen den Strömen Jab und Jan. Der gleiche Kurvenverlauf kann auch durch unterschiedliche Vorspannungen Ustb und
Ustferreicht werden. Der Bereich der Gleisspannung, in dem eine Störanzeige gegeben wird, ist dann noch kleiner.
Eine weitere Verbesserung ist dadurch möglich, dass zwischen die elektronische Schaltungsanordnung und das Gleis ein Spannungsbegrenzer geschaltet wird, der aus einem Übertrager besteht und die Anordnung, z. B. bei elektrifizierten Bahnen, vor Überspannungen schützt. Der Übertrager besitzt galvanisch getrennte Primär- und Sekundärwicklungen und einen Kern, der bei Überspannung gesättigt wird. Die dabei entstehenden Oberwellen können durch ein nachgeschaltetes Filter unterdrückt werden. Durch die Benutzung eines Übertragers mit zwei getrennten Wicklungen als Begrenzer werden die sicherungstechnischen Anforderungen an derartige Anordnungen erfüllt, da sich ein Windungsschluss oder eine Windungsunterbrechung nur im sicheren Sinne, d. h. als scheinbare Gleisbesetzung, auswirken kann, was z.
B. bei der üblichen Verwendung von antiparallel geschalteten Dioden als Spannungsbegrenzer bei Unterbrechung dieser Dioden nicht gegeben ist.
Ferner kann der Brückengleichrichter G in Fig. 4 gleichzeitig als Spannungsbegrenzer verwendet werden, wenn vor die Primärwicklung des Übertragers T3 oder vor den Gleichrichter G ein Widerstand geschaltet ist und die vier Zweige des Gleichrichters bei der Spannungsbegrenzung im Bereich ihrer Sperrspannung betrieben werden. Für diesen Zweck sind beispielsweise sogenannte Zenerdioden geeignet.
Die Anwendung der Erfindung ist nicht auf das gezeigte Beispiel beschränkt. Sie kann in entsprechender Weise angewendet werden, wenn die elektronischen Gleisrelais mit Röhren ausgerüstet sind. Ferner ist es möglich, von vornherein das Gleis mit einer rechteckförmigen Spannung zu speisen.