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Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Spannungsmessung bei einem elektrischen Antrieb, insbesondere Weichenantrieb, der in einem Antriebsmodus und einem Überwachungsmodus betreibbar ausgebildet ist, wobei mindestens ein Schalter zur Abtrennung des Spannungsmesskreises im Überwachungsmodus vorgesehen ist.
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Die nachfolgende Beschreibung bezieht sich im Wesentlichen auf Weichenantriebe der Eisenbahnsicherungstechnik, ohne dass die Erfindung auf diese Anwendung beschränkt sein soll. Spannungsmessschaltungen der gattungsgemäßen Art sind beispielsweise auch für elektrische Antriebe in Kraftwerken und Chemieanlagen erforderlich.
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Zur Erhöhung der Verfügbarkeit und der Gewährleistung sicherungstechnischer Anforderungen bei Weichenantrieben ist die rechtzeitige Erkennung von Schwergängikeit, Wartungsmängeln oder mit Wahrscheinlichkeit eintretender Schäden von entscheidender Bedeutung. Durch die Erfassung, Bewertung und Analyse elektrischer Messgrößen, vorzugsweise Strom und Spannung, kann eine Aussage über den Zustand des Weichenantriebes getroffen werden.
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Außerhalb des Antriebsmodus, d. h. des Weichenumlaufes, wird der Weichenstromkreis üblicherweise stellwerksseitig überwacht. In diesem Überwachungsmodus darf keine Beeinflussung des Antriebsstromkreises durch weitere periphere Messstromkreise erfolgen. Prinzipiell wird an die Spannungserfassung in überwachten Antriebsstromkreisen die wesentliche Anforderung gestellt, dass eine rückwirkungsfreie bzw. in vorgegebenen Grenzen eine quasi rückwirkungsfreie Spannungsmessung erfolgen muss. Im Überwachungsmodus bedeutet das, dass der Einfluss der Spannungsmessung derart gering bleiben muss, dass die Stromkreisüberwachung zur Detektion von Betriebszuständen und Kontakt- oder Kabelfehlern zwischen den Adern des Antriebsstromkreises durch die Spannungsmessschaltung nicht verfälscht werden kann. Der Übergangswiderstand durch die zwischen den Adern des Antriebsstromkreises parallel geschalteten Messmittel für die Spannungsmessung darf nicht so weit verringert werden, dass ein kritischer Zustand des Weichenantriebes durch die Überwachung nicht erkannt werden könnte.
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Da im Überwachungsmodus Schaltstellungen von Kontakten zur Verifizierung der tatsächlichen Weichenendlage überprüft werden, ist die Abtrennung der Spannungsmessung im Überwachungsmodus nicht nur für Verfügbarkeitsanforderungen, sondern auch für Sicherheitsanforderungen von höchster Relevanz. Die Spannungsmessung erfolgt nur während des Antriebsmodus, wobei die Anforderung besteht, dass die Spannungsmessung nicht zu einer wesentlichen Vergrößerung der Eingangsleistung führen darf. Darüber hinaus muss sichergestellt sein, dass Fehler in der Spannungsmessschaltung keine Kurzschlüsse oder Unterbrechungen im Antriebsstromkreis verursachen können. Grundsätzlich ist die Spannungsmessschaltung derart zu gestalten, dass der Spannungsmesswert über einen Wandler potential getrennt übertragen wird.
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Gegenüber permanent wirkenden Spannungsmessschaltungen haben schaltbare Spannungsmessschaltungen den Vorteil, dass sie niederohmiger ausgelegt werden können und sich damit die Beeinflussung des Spannungsmessstromkreises durch Antriebsstrome verringern. Eine Schaltungsanordnung mit abschaltbarem Spannungsmesskreis ist aus der
DE 100 23 093 C2 bekannt. Die Abschaltung während des Überwachungsmodus erfolgt dabei mittels elektromechanischer Schalter. Nachteilig ist vor allem die mangelnde Zuverlässigkeit der elektromechanischen Kontakte. Im Versagensfall mindestens eines Kontaktes kommt es im Überwachungsfall nicht zum Abschmelzen einer Sicherung im Strompfad des Kontaktes, sondern zu einer unzulässigen Beeinflussung der Adern des Antriebsstromkreises. Bei überwachten, sicherheitsrelevanten Antriebsstromkreisen, beispielsweise bei Weichenantrieben, können derartige Zustände nicht toleriert werden, da ein falscher Antriebszustand, beispielsweise bezüglich der Weichenlage, vorgetäuscht werden könnte.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur Spannungsmessung bei einem elektrischen Antrieb der gattungsgemäßen Art anzugeben, welche sich durch verbesserte Verfügbarkeit und Rückwirkungsfreiheit auf den Antriebsstromkreis auszeichnet.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass der Schalter als antriebsstromgesteuertes bidirektionales elektronisches Relais ausgebildet ist. Das elektronische Relais ist primärseitig in den Spannungsmesskreis eingeschleift und bewirkt während der Ruhephase des Antriebes, also im Überwachungsmodus, eine Abschaltung des Spannungsmesskreises. Eine Beeinflussung des Überwachungsstromkreises durch den Spannungsmesskreis ist somit ausgeschlossen, d. h. im Überwachungsmodus besteht Rückwirkungsfreiheit. Das Ein- bzw. Ausschalten des Spannungsmesskreises erfolgt mittels Detektierung der Stromsignale aus dem Antriebsstromkreis. Im Antriebsmodus, d. h. in der Aktivphase der Spannungsmessung, besteht die Anforderung, dass der Einfluss der Spannungsmessung auf die Stromversorgung keine spürbaren Auswirkungen auf das Gesamtsystem haben darf. Da die Schalterausprägung als bidirektionales elektronisches Relais die Verwendung hochohmiger Vorwiderstände im Spannungsmesskreis ermöglicht, ergibt sich eine beliebig skalierbare Entkopplung des Spannungsmesskreises vom Antriebskreis. Vorteilhaft gegenüber elektromechanischen Relais ist weiterhin die höhere Zuverlässigkeit, verbunden mit einfachem und kostengünstigem Aufbau des elektronischen Schalters.
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Gemäß Anspruch 2 ist vorgesehen, dass das elektronische Relais mindestens einen MOS-Transistor umfasst. MOS-Metall-Oxid-Semiconducter-Transistoren lassen sich sehr feinfühlig und dauerhaft stabil durch ein aus dem Antriebsstrom abgeleitetes Signal ansteuern. Besonders vorteilhaft ist, dass durch den Einsatz von MOS-Transistoren keine zusätzliche Energie zur Stromversorgung des Spannungsmesskreises erforderlich ist. MOS-Transistoren lassen sich direkt transformatorisch oder optisch ansteuern.
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Dazu ist gemäß Anspruch 3 vorgesehen, dass ein mittels Stromwandler von einem Antriebsstromkreis abgegriffenes Signal über eine Verarbeitungseinheit einem Optokoppler oder einer Generator/Transformator-Baugruppe zur Ansteuerung des elektronischen Relais zugeführt ist. Der Stromfluss durch den Stromwandler steuert die Verarbeitungseinheit und letztlich die Ein- und Ausschaltung des Spannungsmesskreises. Die Verarbeitungseinheit erzeugt dabei ein Signal zur Beaufschlagung des Optokopplers oder des Transformators, welcher den MOS-Transistor mit sehr hoher Zuverlässigkeit durchsteuert oder sperrt. Die erforderliche Potentialtrennung ergibt sich automatisch durch die Isolationsstrecke des Optokopplers bzw. des Transformators.
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Um die Zuverlässigkeit noch weiter zu erhöhen, kann in den Strompfad zur Ansteuerung des elektronischen Relais gemäß Anspruch 4 ein zusätzlicher Schalter eingeschleift sein. Durch diesen zusätzlichen Schalter erfolgt eine Abschaltung der Spannungsmessung quasi über einen zweiten Kanal, wobei eventuelle Fehler in der Verarbeitungseinheit, die das Ansteuersignal für die MOS-Transistoren erzeugt, nicht zu Fehlfunktionen führen können, sondern in jedem Fall eine Stromlosschaltung des Spannungsmesskreises im Überwachungsmodus sichergestellt ist.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand figürlicher Darstellungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine erste Ausführungsform einer einkanaligen Abschaltung einer Spannungsmessung bei einem elektrischen Antrieb,
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2 eine zweite Ausführungsform einer einkanaligen Abschaltung einer Spannungsmessung bei einem elektrischen Antrieb,
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3 eine erste Ausführungsform einer zweikanaligen Abschaltung einer Spannungsmessung bei einem elektrischen Antrieb und
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4 eine zweite Ausführungsform einer zweikanaligen Abschaltung einer Spannungsmessung bei einem elektrischen Antrieb.
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1 zeigt den grundsätzlichen Aufbau einer Schaltungsanordnung zur Abschaltung der Spannungsmessung bei einem Weichenantrieb außerhalb des Weichenumlaufes, wodurch in dieser Antriebsruhephase ein externer Überwachungsmodus unbeeinflusst durch die Spannungsmessung erfolgen kann. Der Weichenantrieb wird durch die Adern N, L1, L2 und L3 eines Antriebsstromkreises gespeist. Die Spannung soll nur im Antriebsmodus in den drei Phasen L1, L2 und L3 gegenüber N gemessen werden. Dazu sind drei Spannungsmesskreise vorgesehen, die jeweils einen Abgriff in den Adern L1, L2 und L3, eine Sicherung F1, F2 und F3, einen Vorwiderstand R1, R2 und R3 zur Entkopplung des Spannungsmesskreises vom Antriebsstromkreis, einen MOS-Transistor M1, M2, M3 sowie einen mit der N-Ader verbundenen Spannungsübertrager T1, T2 und T3 aufweisen. Weiterhin ist in jede der drei Adern L1, L2 und L3 des Antriebsstromkreises ein Stromwandler W1, W2 und W3 geschaltet, dessen Ausgangssignal mittels Verstärker V1, V2 und V3 konditioniert und einer Verarbeitungseinheit VE zugeführt ist. Die Verarbeitungseinheit VE erzeugt ein Ausgangssignal BO, das drei seriell geschalteten Optokopplern OS1, OS2 und OS3 zugeführt ist, welche die drei MOS-Transistoren M1, M2 und M3 ansteuern.
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Wird in dem Antriebsstromkreis über die Stromwandler/Verstärker-Baugruppen W1/V1, W2/V2 und W3/V3 von der Verarbeitungseinheit VE ein Stromfluss detektiert, wird das Ausgangssignal BO der Verarbeitungseinheit VE aktiv geschaltet und durch die seriell angeschlossenen Optokoppler OS1, OS2 und OS3 und damit durch die MOS-Transistoren M1, M2 und M3 fließt Strom. Dabei steuert das durch die Optokoppler OS1, OS2 und OS3 emittierte Licht die MOS-Transistoren M1, M2 und M3 durch, so dass der Spannungsmesskreis über die Spannungsübertrager T1, T2 und T3 geschlossen wird. Die Spannungsübertrager T1, T2 und T3 registrieren einen Spannungswert, der an die Verarbeitungseinheit VE zur Auswertung und Weiterleitung übertragen wird. Ist der Weichenumlauf beendet, d. h. erfolgt der Übergang vom Antriebsmodus in den Überwachungsmodus, fließt kein Strom mehr und die Verarbeitungseinheit VE schaltet ihren Ausgang BO ab, wodurch die MOS-Transistoren M1, M2 und M3 den Spannungsmesskreis öffnen. Damit ist im Überwachungsmodus garantiert, dass der Spannungsmesskreis keinerlei Rückwirkung auf den Antriebsstromkreis ausüben kann.
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2 zeigt eine Schaltungsanordnung gleicher Funktionalität wie 1 mit dem Unterschied, dass anstelle der Optokoppler OS1, OS2 und OS3 zur Ansteuerung der MOS-Transistoren M1, M2 und M3 Transformatoren TS1, TS2 und TS3 eingesetzt werden. In diesem Fall steuert der Ausgang BO der Verarbeitungseinheit VE einen Generator G an, der die für die Transformatoren TS1, TS2 und TS3 notwendige Wechselspannung erzeugt.
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Bei erhöhten Anforderungen an die Sicherheit und Zuverlässigkeit der Abschaltung der Spannungsmessung wird gemäß 3 in die Schaltungsanordnungen der 1 und 2 ein zusätzlicher Schalter S in den Ansteuerstromkreis der MOS-Transistoren M1, M2 und M3 eingefügt, wobei dem Schalter S eine Logikschaltung LS & A vorgeschaltet ist. Die Logikschaltung LS & A erzeugt ein von der Verarbeitungseinheit VE unabhängiges Signal, das je nach Anforderung ein „verodertes” oder „verundertes” Signal zur Ansteuerung des Schalters S erzeugt. Somit kann auch bei Ausfall des Ausganges BO der Verarbeitungseinheit VE, der Verarbeitungseinheit VE selbst oder eines Ansteuerelementes der MOS-Transistoren M1, M2 und M3 die Abschaltung des Spannungsmesskreises sichergestellt werden.
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4 zeigt wie 3 eine derartige zweikanalige Abschaltung, wobei der Unterschied darin besteht, dass die MOS-Transistoren M1, M2 und M3 nicht wie bei der Schaltungsanordnung gemäß 3 mittels Optokoppler OS1, OS2 und OS3, sondern mittels Transformatoren TS1, TS2 und TS3 angesteuert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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