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Anordnung zum Auswerten von Wechselspannungen, insbesondere von Spannungen
in Gleisstromkreisen für selbsttätige Gleisfreimeldeanlagen des Eisenbahnsicherungswesens,
gegenüber einer Vergleichsspannung Die Erfindung betrifft Anordnungen zum Auswerten
von Wechselspannungen, insbesondere von Spannungen in Gleisstromkreisen für selbsttätige
Gleisfreimeldeanlagen des Eisenbahnsicherungswesens, nach Amplitude, Frequenz und
Phase gegenüber einer Vergleichsspannung unter Benutzung von elektronisch wirkenden
Elementen 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
müssen. Schon bei geringen Phasenwinkeländerungen der Spannung im Gleisstromkreis,
der sogenannten Gleisspannung, die durch den witterungsabhängig veränderlichen,
komplexen Gleiswiderstand hervorgerufen werden, verschlechtern sich die Eigenschaften
derartiger Anordnungen so weit, daß durch Störanzeigen betriebshemmende Zustände
eintreten können. 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
auch nur geringfügig ändert.
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In Fig. 1 der Zeichnung ist eine solche bekannte Anordnung dargestellt.
An den Übertrager T 1 wird die si.nusförmige Gleisspannung Ug und an den Übertrager
T2 die ebenfalls sinusförmige Vergleichsspannung U derselben Frequenz gelegt. Die
vom Übertrager T 1 abgegebene Gleisspannung Ugr und die von der Wicklung
t23 des Übertragers T 2 abgegebene Vorspannung Uo sollen um 180° zueinander phasenverschoben
sein. Ihre geometrische Summe bildet die Steuerspannung Ust=Ugr+Uo 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 Z121. Daher wird das Relais B erregt,
das bei seinem Ansprechen die Gleisbesetzung meldet. Das Relais F bleibt stromlos,
da die Steuerspannung Ust und die von der Wicklung t22 abgegebene Spannung
U22 einander gegenphasig sind. Bei freiem Gleis ist Ugr größer als Uo; die
Steuerspannung Ust ist dann mit der Vergleichsspannung U22 phasengleich. Daher wird
über den Gleichrichter Gf das Relais F erregt; dagegen bleibt das Relais B stromlos,
da jetzt die Spannungen Ust und U21 einander gegenphasig sind.
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Das Zeigerdiagramm in Fig. 2 läßt erkennen, daß diese Bedingungen
nicht mehr erfüllt sind, wenn zwischen den Spannungen Ug und U aus Fig. 1
und damit zwischen Ugr einerseits und Uo, U21 bzw. U22 andererseits 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 ß zur Vergleichsspannung
U22 und den Phasenwinkel 180° -ß zur Vergleichsspannung U21. Dieser Winkel ß ist
stets größer als der Phasenwinkel a:. Die Röhre R in Fig. 1 wird nun in den positiven
Halbwellen beider Vergleichsspannungen U21 und U22 derart ausgesteuert, daß
das Relais B während des Stromflußwinkels ß und Relais F während des Stromflußwinkels
180,° -ß erregt wird. Daher können beide Relais B und F gleichzeitig anziehen. Dieser
Schaltzustand der Relais löst eine Störanzeige aus, durch die der Betrieb unnötig
behindert wird.
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In Fig. 3 sind die durch die Relais B und F in Fig. 1 fließenden Ströme
Jb und Jf in Abhängigkeit von der Gleisspannung dargestellt. Bei gleichen Spannungen
U21 und U22, übereinstimmenden Stromwerten für den Ansprechstrom Jan
und den Abfallstrom Jab der Relais B und F sowie gleichen Gleichrichtern
Gb und G f gilt für den Strom lb die Kurve b 1 und für den Strom Jf
die Kurve f 1, wenn die Gleisspannung Ug und die Vergleichsspannung U einander
phasengleich sind. Damit die Anordnung einwandfrei arbeitet, darf beim Übergang
vom besetzten zum freien Zustand des Gleises oder umgekehrt die Gleisspannung Ug
nicht in dem kritischen Bereich 1 liegen, da in diesem Bereich der Schaltzustand
der Relais kein eindeutiges Kriterium für den Gleiszustand ist. Beispielsweise sind
in der Mitte dieses Bereiches beide Relais stets gleichzeitig abgefallen. Die Kurven
b 2 und f 2 in Fig. 3 gelten für eine Phasenverschiebung von a= ±
15° zwisehen
den Spannungen Ug und U. Hierbei ergibt sieh
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 F eine eigene
Röhre oder ein eigener Transistor zugeordnet ist. _ _ Erfindungsgemäß können die
bekannten elektronischen Gleisrelais dadurch verbessert und ihre beschriebenen Nachteile
dadurch vermieden werden, daß mindestens der von der Gleisspannung abhängige Spannungsanteil
der für das Auswerten maßgebenden Steuerspannung der elektronisch wirkenden Elemente
während jeder Halbperiode einen rechteckförmigen Verlauf mit einer der Gleisspannung
proportionalen Amplitude hat.
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Ein Ausführungsbeispiel einerAnordnung nach der Erfindung ist in Fig.4
dargestellt und nachstehend erläutert.
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Fig. 5 zeigt den zeitlichen Verlauf der für das Auswerten der Gleisspannung
maßgebenden Spannungen und Ströme bei freiem Gleis und einer Phasenverschiebung
a von etwa 15°.
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Der Aufbau des in Fig. 4 dargestellten Schaltungsteils mit dem Transformator
T 4, den Transistoren A b
und Af, den Relais B und F sowie den Gleichrichtern
Gb und Gf ist an sich bekannt und bildet nicht den Gegenstand der Erfindung. Der
für das Umwandeln der sinusförmigen Gleisspannung Ug in rechteckförmige Spannungen
Ugb und Ugf erforderliche Schaltungsteil A der Anordnung besteht aus dem übertrager
T3 mit den Sekundärwicklungen t31 bis t33, dem Gleichrichter G, den Transistoren
A 1 und A2
sowie dem Kondensator C; von ihm wird der Übertrager T4
mit den Wicklungen t41 bis t44 gesperrt. Der für das Umwandeln der Vergleichsspannung
U erforderliche Schaltungsteil V der Anordnung, der in gleicher Weise wie der Schaltungsteil
A aufgebaut ist, speist den Übertrager T5 mit den Sekundärwicklungen t51
bis t53.
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Die in Fig. 4 dargestellte Schaltung arbeitet wie folgt: Durch die
Spannungen an den Wicklungen t31 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 l an die Wicklung t41 des Übertragers
T4 und bei ausgesteuertem Transistor A2 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.
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In entsprechender Weise erzeugt der Schaltungsteil V an den Wicklungen
des Übertragers T 5 proportional und phasengerecht zur sinusförmigen Vergleichsspannung
U verlaufende, 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 Uo f ist gegenphasig
zur rechteckförmigen Vergleichsspannung Uv, die im Schaltungsteil V aus der sinusförmigen
Vergleichsspannung U gebildet wird. 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 kleiner als Uob und Ugf kleiner
als 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 Ib 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 Stromfluß über das Relais F sperrt.
Bei freiem Gleisabschnitt ist Ugb größer als Uob und Ugf größer als Uof. Die Steuerspannungen
L#stb und Ustf vertauschen ihre Phasenlagen, so daß das Relais F durch den Strom
lb erregt und das Relais B
stromlos wird.
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Verändert sich der Phasenwinkel der Gleisspannung durchÄnderung 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 Ströme
in den Relais B und F. Der Phasenwinkel zwischen der Spannung Uv und der Steuerspannung
LTstb 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 Ib, der zum Anziehen oder Festhalten des Ankers nicht ausreicht. Erst
bei noch größerem Phasenwinkel a erreicht der Fehlstrom lb einen Wert, bei dem auch
das Relais B anspricht und somit eine Störanzeige ausgelöst wird.
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Die in Fig. 3 für eine Anordnung nach der Erfindung miteinander gleichen
Relais B und F dargestellte Kurve b für den Strom Jb gilt bei einer Phasenverschiebung
a= ± 15°. Die entsprechende Kurve für den Strom Jf fällt praktisch mit der Kurve
f 1 zusammen. Durch den Vergleich dieser Kurven mit den Kurven
b 2 und f 2, die für elektronische Gleisrelais mit sinusförmigen Steuer-
und Speisespannungen und einer Phasenverschiebung a = ± 15° gelten, ist ohne weiteres
ersichtlich, daß durch die Verwendung von rechteckförmigen Spannungen gemäß der
Erfindung eine wesentliche Verbesserung solcher Auswerteschaltungen erzielt wird,
da auch bei derartigen Phasenverschiebungen der Störungsbereich innerhalb des für
a = 0° geltenden Bereiches 1 liegt.
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Der zulässige Phasenwinkel, innerhalb dessen keine Störanzeige erfolgen
soll, kann durch Verwendung von Relais B und F mit 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 in Fig. 3 liegt. Wird
die Phasenverschiebung a
größer als 15°, so verschiebt sich dieser Kurventeil bei gleichbleibender Gleisspannung
Ug nach größeren Stromwerten Jb, so daß das Relais B anspricht, wenn Ug größer
als Ugo wird. Derartige Phasenverschiebungen können aber nur durch Fremdspannungen
entstehen, die sich der Speisespannung des Gleises überlagern. Daher bleibt die
Phasenempfindlichkeit der elektronischen Gleisrelais gegen derartigeFremdspannungen
auch dann bestehen, wenn diese Gleisrelais erfindungsgemäß gegen begrenzte Phasenverschiebungen
zwischen Gleisspannung und Vergleichsspannung unempfindlich gemacht sind.
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Statt der Übertragerwicklungen t51 und t52 können auch Gleichspannungsquellen
benutzt werden, die so gepolt sind, daß der TransistorAb ausgesteuert und der Transistor
Af gesperrt ist, wenn die Spannungen Ugb und Ugf kleiner als diese Gleichspannungen
sind. Ferner ist es nicht unbedingt erforderlich, daß außer den Spannungen Ugb und
Ugf auch die Spannung Uv rechteckförmig ist. Auch bei Sinusform der Spannung Uv
ergibt sich praktisch die beschriebene verbesserte Wirkungsweise elektronischer
Gleisrelais. Stehen also Gleichspannungsquellen für die Vorspannung zur Verfügung,
so kann der Schaltungsteil h in Fig. 4 wegfallen.
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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
I' 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 f 1 in Fig. 3 schneiden sich dann im Bereich zwischen den Strömen
lab und Jan. Derselbe Kurvenverlauf kann auch durch unterschiedliche Vorspannungen
Ustb und Ustf erreicht werden. Der Bereich der Gleisspannung, in dem eine Störanzeige
gegeben wird, ist dann noch kleiner.
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Eine weitere Verbesserung von Anordnungen nach der Erfindung 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
Spannungsbegrenzer werden auch die sicherungstechnischen Anforderungen an derartige
Anordnungen erfüllt, da sich ein Windungsschluß oder eine Windungsunterbrechung
nur im sicheren Sinne, also 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.
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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. DieAnwendung
derErfindung ist nicht auf das dargestellte und beschriebene Ausführungsbeispiel
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, wodurch der in Fig. 4 dargestellte
Schaltungsteil A entfallen kann.