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Frequenz- bzw. drehzahlabhängige Relaisschaltung In der Schalttechnik
tritt nicht selten die Aufgabe auf, Schaltvorgänge bei einer möglichst genau festgelegten
Spannung oder Frequenz auszulösen. Solche Schaltvorgänge werden z. B. bei Fahrzeugen,
insbesondere Schienenfahrzeugen, benötigt, wenn ein entweder von der Fahrzeuggeschwindigkeit
oder von der Drehzahl des Fahrmotors abhängiger Eingriff in die Antriebsverhältnisse
des Fahrzeuges, z. B. die Abschaltung des Fahrmotors, die Einschaltung einer Bremse,
die Auslösung von Warnanzeigen od. d-1., durchgeführt werden soll.
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Wird mit Hilfe eines Wechselstromgenerators eine mit seiner Drehzahl
linear ansteigende Wechselspannung erzeugt und wird versucht, nach Gleichrichtung
derselben ein polarisiertes Relais bei einem bestiinniten Erregerstrom zum Ansprechen
zu bringen, so treten normalerweise Schwierigkeiten dadurch auf, daß der Anstieg
des Erregerstromes im Verhältnis zum Anstieg der Drehzahl des Wechselstromgenerators
zu langsam vor sich geht, um im Hinblick auf die für das Relais sonst noch wirksamen
äußeren Einflüsse bzw. Fehlerquellen ein stets gleichmäßiges Ansprechen bei einer
bestimmten gewünschten Spannung oder Drehzahl des Wechselstromgenerators zu erhalten.
Die erwähnten Einflüsse sind bedingt durch den Bau der sich bewegenden und schaltenden
Teile des Relais, ihre Lage im Raum usw., ferner durch magnetische und elektrische
Größen wie Remanenz und HvStereslsverlauf, Kontaktdruck, Widerstandserhöhung der
Relaiswicklung durch Erwärmung usw.
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Es sind bereits Kunstschaltungen entwickelt worden, bei denen unter
anderem auch von Resonanzerscheinungen Gebrauch gemacht wurde, um die Steilheit
der Arbeitskennlinie eines Relais möglichst groß zu machen.
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Es zeigt sich aber, daß die angewendete Abstimmung des Wechselstromgeneratorstromkreises
bei Handelsüblichen Abmessungen der Drosselspulen und Kondensatoren nur einen geringen
Erfolg bringt, da infolge der großen Widerstände der Kupferwicklungen im Vergleich
zur Selbstinduktion sich bei so niedrigen Frequenzen, wie sie bei Wechselstromgebern
für Drehzahlmessungen auftreten, eine so große relative Dämpfung ergibt, daß der
Erfolg meist den Aufwand nicht lohnt.
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Solange es sich um leistungslose Steuereinrichtungen wie Röhrenschaltungen
handelte, ließ sich entweder mit den üblichen Drosselspulen- bzw. Kondensatorschaltungen
im Generatorstrornkreis oder mit Hoch- und Tiefpaßfiltern die gewünschte Wirkung
vielleicht erzielen. Bei Leistungen, wie sie für ein mechanisches Relais erforderlich
sind, ist dies jedoch nicht möglich.
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Teilweise ist versucht worden, die geringe Resonanzschärfe von unmittelbar
primär abgestimmten Relaiskreisen dadurch zu erhöhen, daß als Relais solche mit
mechanischer Resonanz (schwingende Zungen) benutzt wurden. Diese Relais bedürfen
aber einer sehr sorgfältigen Herstellung, sind entsprechend teuer und sprechen wegen
der mechanischen Trägheit mit ziemlicher Verzögerung an. Durch die Vibration der
Zungen ist ferner die Kontaktwirkung vielfach unvollkommen. Auch sind sie gegen
mechanische Störungen empfindlich. Für die Auslösung von Schaltvorgängen bei Schienenfahrzeugen
sind sie daher kauen geeignet. Außerdem handelt es sich bei ihnen um ausgesprochene
Spezialrelais, die nur bei einer bestimmten Frequenz brauchbar sind, so daß für
jede gewünschte Frequenzschaltung ein besonderer Relaistyp auf Lager gehalten werden
muß.
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Die Erfindung zeigt demgegenüber einen Weg, um auch bei handelsüblichen
Relais eine wesentliche Steigerung des Spannungsanstieges in drehzahlabhängigen
Schaltungen zu erzielen. Sie bezieht sich auf eine frequenz- bzw. drehzahlabhängige
Relaisschaltung unter Verwendung von Resonanzmitteln, z. B. zur Auslösung von Bremsvorgängen
oder Warnanzeigen in Abhängigkeit von der Fahrgeschwindigkeit von Fahrzeugen, insbesondere
von Schienenfahrzeugen, mit Geschwindigkeitsgeber. Gemäß der Erfindung wird die
gestellte Aufgabe dadurch gelöst, daß das Betätigungsglied, z. B. ein Relais, im
Sekundärstromkreis eines Transformators liegt, dessen Übersetzungsverhältnis vorzugsweise
stark herabsetzend wirkt und daß in den Primärstromkreis ein Kondensator eingeschal-et
ist,
durch den in Verbindung mit dem Transforaator der Maschinenstromkreis auf steilstem
Stromnstieg des Relaisstromkreises abgestimmt wird.
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An sich ist es bereits bekannt, Sperrkreise transormatorisch an eine
Primärleitung anzuschließen und m Sekundärstromkreis dabei Kondensatoren zu vervenden.
Hierbei wurde jedoch nicht etwa auf steilen ;tromanstieg abgestimmt, sondern auf
maximale Sperrwirkung, d. h. mit möglichst flacher Charakte--istik, um die Sperrwirkung
in breiterem Bereich iptimal aufrechtzuerhalten. In ähnlicher Weise sind euch Transformatorschaltungen
mit sekundärer Kapasitätsbelastung bekannt, welche zur Phasenschiebung n einem Elektrizitätsnetz
dienen sollen. Abgesehen von der ganz andersartigen Aufgabe der Blindstromcompensierung
waren auch diese Transformatoren znd Kapazitäten so bemessen, daß möglichst imMaxinum
der Resonanz gearbeitet wurde. Eine steile Re-3onanzflanke war in diesen Fällen
sogar äußerst un-;ünstig, da sie entsprechende Netzspannungsschwancungen zur Folge
gehabt hätte, was natürlich unter 3.llen Umständen zu vermeiden war.
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Die Erfindung befaßt sich demgegenüber mit einer ,-anz anderen Aufgabenstellung,
nämlich mit einer besonders geschickten Schaltung, durch welche Nachteile behoben
werden, die gerade bei elektrischen Relaisresonanzkreisen dann auftreten, wenn ein
elektrisch abzustimmender Relaisstromkreis transformatorisch angeschlossen ist.
Hier bringt der Gedanke, das Relais in einen Sekundärstromkreis zu legen, dagegen
den Primärstromkreis unmittelbar oder über eine transformatorisch angeschlossene
Kapazität auf steilsten Stromanstieg abzustimmen, besondere Vorteile.
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Bei einer solchen sekundären bzw. transformatorisch übertragenen Belastung
ist es möglich, auch bei sehr niedrigen Frequenzen eine Resonanzüberhöhung zu erzielen,
die gerade im gewünschten Frequenzbereich einen starken Anstieg des Stromes zur
Folge hat. Durch den steileren Anstieg wird die Ansprechsiclierheit des Relais wesentlich
heraufgesetzt, wie durch Versuche bestätigt werden konnte.
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Bekannt sind bereits Einrichtungen zur Selbstabstimmung eines mit
einem Abstimmwerk ausgerüsteten Sperrkreises für Fernsteueranlagen, bei denen im
Leitungskreis ein Sperrkreis angeordnet ist, dessen beide Zweige in Differentialschaltung
ein Relais steuern, das die Abstimmelemente im einen oder anderen Sinn ändert.
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Bei dieser Einrichtung ist die Sperrwirkung des Sperrkreises dann
am größten, wenn die Einrichtung, wie dies im bekannten Fall erwünscht ist, auf
die Nutzfrequenz abgestimmt ist. Die Ströme in den beiden Zweigen des Sperrkreises
sind dann genau gleich, und ihre Gesamtwirkung ist Null. Bei Resonanzabweichungen
steigt der eine Strom an, während der andere absinkt. Diese Einrichtung setzt sehr
hohe Spannungen oder außerordentlich empfindliche Relais voraus, da der Widerstand
der Anordnung gerade dann am größten ist, wenn die Einrichtung ansprechen soll.
Außerdem haben sie eine Differentialschaltung zur Voraussetzung. Eine Abstimmung
des Maschinen-oder Leitungskreises liegt nicht vor. Ferner arbeitet die Einrichtung
auf einem Punkt der Resonanzkurve, bei dem die Steilheit praktisch Null ist.
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In einem anderen bekannten Fall werden in die einzelnen Phasen eines
Drehstromnetzes transformatorisch Sperrkreise eingeschaltet, welche den Zweck haben,
bestimmte Frequenzen von Transformatoren oder anderen Einrichtungen fernzuhalten.
Auch hier ist die Sperrwirkung im Betriebszustand am größten und gleichzeitig ist
auch hier die Steilheit der Kennlinie gleich Null, während erfindungsgemäß gerade
eine möglichst große Steilheit erstrebt und erzielt wird.
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In einem weiteren bekannten Fall liegen die beiden Wicklungen eines
Differentialrelais an zwei Phasen eines Netzes und erzeugen ein Drehfeld für den
geineinsamen Anker. Die Relaiswicklungen liegen im Leitungskreis, dieResonanzschärfe
ist dementsprechend gering, auch wird sinngemäß auf maximalen Strom, nicht auf steilsten
Stromanstieg abgestimmt, zumal keine Frequenzänderungen, sondern nur Phasenvertauschungen
auftreten. Bei der Erfindung wird demgegenüber das Relais in den Sekundärkreis gelegt
und der Maschinenkreis eines Geschwindigkeitsgebers so abgestimmt, daß ein möglichst
steiler Stromanstieg im Relaisstromkreis auftritt.
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Es hat sich übrigens gezeigt, daß, wenn in den Sekundärstromkreis
ein Gleichrichter eingeschaltet und als Relais ein Gleichstromrelais benutzt wird,
auf die Anwendung eines Glättungskondensators in der Regel verzichtet werden kann.
Im Gegenteil können durch die Weglassung des Kondensators sogar gewisse Nachteile
vermieden werden, die sich sonst daraus ergeben, daß die zur Glättung dienenden
Kondensatoren je nach ihrem Alterun.gszustand sowie in Abhängigkeit von sonstigen
Einflüssen, wie z. B. Ableitwiderständen u. dgl., einen Einfluß auf die dem Relais
zugeführte Spannung haben. Der wesentlichste Vorteil besteht aber darin, daß durch
die Verwendung pulsierenden Gleichstromes die Einflüsse mechanischer Erschütterungen
auf das Relais weitgehend herabgesetzt werden können.
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Da denn Relais bei Fehlen eines Glättungskondensators pulsierender
Gleichstrom zugeführt wird, der ein Flattern des Relais zur Folge haben kann, ist
es zweckmäßig, noch ein sekundäres Relais anzuschließen, das vom Primärrelais geschaltet
wird, und seinerseits erst den eigentlichen Arbeitskreis betätigt. Das sekundäre
Relais kann ferner dazu benutzt werden, im Primär- oder Sekundärstromkreis des Transformators
einen Widerstand zu- oder abzuschalten, um je nach den gewünschten Betriebsbedingungen
entweder eine Sensibilisierung der Schaltung bzw. eine Bereitschaft zur Wiederabschaltung
bei möglichst dem gleichen Spannungswert oder statt dessen eine Festhaltewirkung
zu erzielen. Die geschalteten Widerstände können auch induktiver oder kapazitiver
Art sein, und sind dann zweckmäßig so bemessen, daß bei Ansprechen des Relais die
Resonanz um einen gewünschten Betrag z. B. so verschoben wird, daß in der neuen
Schaltstellung das Relais wieder an der steilsten Flanke der Resonanzkurve schaltet.
Natürlich können auch geeignet bemessene Wirk:- und Blindwiderstände gemeinsam ein-
oder ausgeschaltet werden.
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Bei sehr niedrigen Frequenzen ist es schwierig, genügend große Kondensatoren
für die Abstimmung zu beschaffen. In diesem Falle kann es ausreichend sein, in dem
Abstimmkreis einen Transformator mit entsprechend hohem Übersetzungsverhältnis vorzusehen.
in dessen Sekundärstromkreis eine Kapazität geschaltet ist. Diese wird transformatorisch
auf die Primärseite übertragen und liefert dadurch eine Resonanz bei entsprechend
niedriger Frequenz.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargesellt.
Von diesen zeigt Fig. 1 ein gesamtes Schaltbild der erfindungsgemäßen Relaisschaltung,
Fig.2 eine Abwandlung der Einrichtung nach Fig. 1,
Fig. 3 eine weitere
Abwandlung.
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In den Figuren ist 1 ein Generator, der z. B. als Wechselstromgeber
unmittelbar auf einer Radachse befestigt oder mittelbar von dieser angetrieben sein
kann. Von ihm wird der Primärstromkreis eines Transformators 2 gespeist. In diesem
Kreis ist ein Kondensator 3 eingeschaltet, durch dessen Kapazität der Primärstromkreis
auf die gewünschte Frequenz abgestimmt wird.
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Der Transformator 2 hat vorzugsweise ein extrem hohes Übersetzungsverhältnis,
z. B. von 10:1 bis 100:1, wobei die hochohmige Wicklung im Primärstromkreis liegt.
In seinem Sekundärstromkreis liegen Regulierwiderstände 4 und 5 sowie ein Gleichrichter
6, letzerer vorzugsweise in Graetzschaltung zur Speisung eines Gleichstromrelais
7.
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Der von dem Relais 7 betätigte Kontakt 8 schaltet ein zweites Relais
9 ein, das von irgendeiner beliebigen Stromquelle z. B. von 110 oder 220 Volt gespeist
werden kann.
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Dieses zweite Relais 9 betätigt dann den eigentlichen Arbeitskontakt
10, der hier als Umschaltkontakt gedacht ist und eine nicht dargestellte Anzeige,
Bremsbetätigung od. dgl. auslöst. Mit einem weiteren Kontakt 11 wird der eine der
beiden Regulierwiderstände des Sekundärstromkreises 5 kurzgeschlossen oder geöffnet,
um dadurch entweder eine Haltewirkung für das Relais 7 oder eine Sensibilisierung
bzw. Vorbereitung des Wiederabfallens dieses Relais herbeizuführen. Ein Kondensator
12 kann zur Funkenlöschung zum Kontakt 11 parallel geschaltet sein. Ebenso dient
die Kombination eines Kondensators 13 und eines Dämpfungswiderstandes 14 zur Funken-Löschung
des Kontaktes B.
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Schließlich kann noch ein Glättungskondensator 15 parallel zur Spule
des Relais 7 liegen, doch wird im allgemeinen auf diese Möglichkeit verzichtet;
einerseits weil dadurch Einflüsse des Kondensators auf die Schaltspannung vermieden
werden und andererseits, weil es sich gezeigt hat, daß bei pulsierendem Gleichstrom
mechanische Erschütterungen eine wesentlich geringere Veränderung des Schaltpunktes
zur Folge haben als bei reinem Gleichstrom.
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Der Vorteil der neuen Schaltung liegt außer in der Anpassungsmöglichkeit
des Relais an einen beliebigen Generator auch darin, daß durch die Wahl der Transformation
die Möglichkeit gegeben ist, die Spannung der Sekundärseite des Transformators so
zu wählen, daß die Schaltung bei gegebener Relaisspannung auf einen gewünschten
beliebigen Punkt der Flanke in der Resonanzkurve zu liegen kommt. Dadurch können
besondere und regelmäßig dämpfende Vorwiderstände, welche die Resonanz ungünstig
beeinflussen, zur Einstellung des Schaltpunktes erspart oder verkleinert werden.
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Man kann auch durch Veränderung der Belastung und Auslegung des Transformators
die Resonanz entweder nur im Anstieg wirksam machen oder außerdem eine abfallende
Flanke herstellen, mit deren Hilfe dann Doppelschaltungen bei gleichmäßig ansteigender
Drehzahl des Generators erzielbar sind.
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Eine weitere Möglichkeit besteht darin, durch das betätigte Relais
nicht oder nicht allein die Wirkwiderstände des sekundären oder primären Generatorstromkreises
zu beeinflussen, sondern durch entsprechende Kontakte die Blindwiderstände zu verändern
und dadurch die Resonanzlage des Kreises in gewünschter Weise zu verschieben.
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Beispiele hierfür zeigen Fig. 2 und 3. In Fig. 2 ist außer dem Hauptabstimmkondensator
3 noch ein Zusatzkondensator 16 vorgesehen, der durch den Relaiskontakt 17 zu- oder
abgeschaltet wird. Zwangläufig wird daher die Resonanzkurve beim Ansprechen des
Relais verschoben.
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Es ist nicht erforderlich, daß die Abstimmkondensatoren unmittelbar
in den Primärstromkreis eingeschaltet sind, sie können ihrerseits ebenfalls transformatorisch
übertragen werden. Dies ist vor allem sinnvoll, wenn sehr niedrige Frequenzen auftreten.
In diesem Fall kann, wie dies Fig. 3 darstellt, ein Hilfstransformator 18 vorgesehen
werden, der zweckmäßig ein extremes Übersetzungsverhältnis ins Hohe z. B. 1:10 bis
1:100 besitzt, und in dessen Sekundärstromkreis geeignete Kondensatoren 19 und 20
eingeschaltet sind, von denen z. B. der Kondensator 20 durch einen Hilfskontakt
21 beim Ansprechen des ersten oder zweiten Relais 2 bzw. 9 ein- oder ausgeschaltet
wird.
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Die Windungszahlen des Transformators sind bei gegebener Größe desselben
zweckmäßig so zu wählen, daß bei Resonanz der Generator gerade seine maximale Leistung
abgibt und der in dem Primärstromkreis übertragene Belastungswiderstand des Sekundärstromkreises
dem Wirkwiderstand des Transformators 2, bezogen auf die Primärseite, .entspricht,
doch können je nach den vorliegenden Verhältnissen auch andere Werte gewählt werden.
Maßgeblich ist stets die Steilheit der Resonanzkennlinie. Temperatureinflüsse können,
falls sie überhaupt ins Gewicht fallen, durch Heißleiterkombinationen beseitigt
bzw. ausgeglichen werden.
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Mit den Mitteln der Erfindung gelingt es, die Empfindlichkeit der
Relaisschaltung für Drehzahländerungen um ein Vielfaches gegenüber der Primäreinschaltung
zu erhöhen.