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Überwachungseinrichtung für Wechselstromkreise mit veränderlicher
Betriebsspannung Die Erfindung bezieht sich auf eine über einen Stromwandler gespeiste
Überwachungseinrichtung für Wechselstromkreise mit veränderlicher Betriebsspannung,
insbesondere für in Eisenbahnsignalanlagen verwendete Lichtsignalstromkreise, in
denen im Störungsfall ein Reststrom bestehenbleibt.
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Eine veränderliche Betriebsspannung wird beispielsweise für die Lampen
von Eisenbahnlicht-Signalen verwendet, die bei Nacht an eine niedrigere Spannung
angeschaltet werden als bei Tage, um ein Blenden des Fahrpersonals bei Dunkelheit
zu vermeiden. In derartigen Schaltungen fließt ein Rest-Strom, wenn eine über einen
Transformator gespeiste Lampe durchbrennt. In diesem Falle bleibt der Leerlaufstrom
dieses Transformators bestehen. Infolge dieses Reststromes und der veränderlichen
Betriebsspannung entstehen Bemessungsschwierigkeiten bei den am Signal angeordneten
Speisetransformatoren der Signallampen sowie bei den Stromwandlern für die Überwachungseinrichtungen
und bei den Überwachungseinrichtungen selber. Beispielsweise soll ein als Überwachungseinrichtung
an den Stromwandler angeschlossenes Relais bei dem bei Tagspannung und durchgebrannter
Signallampe auftretenden Reststrom abfallen, aber bei dem bei Nachtspannung und
brennender Signallampe fließenden Betriebsstrom ansprechen. Da diese Ströme vielfach
nur wenig verschieden sind; müßten zum überwachen Relais mit hohem Abfallfaktor,
also mit einem Verhältnis von Abfallstrom zum Ansprechstrom von nur wenig unter
1, verwendet werden. Derartige Relais erfordern eine Sonderfertigung und sind daher
teuer.
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Es ist bekannt; die Arbeitsverhältnisse für die Relais dadurch zu
verbessern, daß in Reihe und/oder parallel mit den Relais spannungsabhängige Widerstände
geschaltet werden. Mit zunehmenderSpannung muß der Widerstandswert der in Reihe
liegenden Widerstände abnehmen und derjenige der parallel liegenden Widerstände
zunehmen. Meistens werden in Reihe liegende Widerstände, und zwar Gleichrichter,
verwendet, da sich hierdurch die Möglichkeit ergibt, zum Überwachen der Wechselstromkreise
Gleichstromrelais zu benutzen. Aber auch die hierdurch erzielbare Verbessrung des
Abfallfaktors der gesamten Überwachungseinrichtung, also des kleinsten zulässigen
Verhältnisses von primärem Reststrom des Stromwandlers bei höchster Betriebsspannung
zum primären Betriebsstrom bei niedrigster Betriebsspannung, ist vielfach nicht
ausreichend, um normale Relais verwenden zu können. Dies ist besonders bei großen
Entfernungen zwischen der Einschaltsteile, z. B. dem Stellwerk, und dem Verbraucher,
z. B. der Signallampe, der- Fall, da dann infolge der Kabelkapazität der Reststrom
bei Tagspannung fast die Größe des Betriebsstromes bei der üblichen Nachtspannung
erreichen kann.
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Damit ein zum ordnungsgemäßen Arbeiten der Überwachungseinrichtung
ausreichender Unterschied zwischen den beiden zugehörigen Sekundärströmen bzw. -Spannungen
des Stromwandlers besteht, kann die Nachtspannung bisher nicht auf den gewünschten
niedrigen Wert gesenkt werden.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß dieser Nachteil im
wesentlichen durch eine andere Ausführung und Bemessung des Stromwandlers vermieden
werden kann. Eine Überwachungseinrichtung gemäß der Erfindung ist gekennzeichnet
durch die Verwendung eines Stroxrlwandlerkernes aus einem an sich bekannten weichmagnetischen
Material, dessen Permeabilität bis zu einem Grenzwert der Feldstärke möglichst klein
ist und bei Überschreiten dieses Grenzwertes innerhalb eines relativ engen Feldstärkebereiches
steil auf ihren maximalen Wert ansteigt, und durch eine derartige Bemessung des
Stromwandlers und der Überwachungseinrichtung, daß bei der niedrigsten Betriebsspannung
der primäre Betriebsstrom den Kern bis in den Bereich des Steilanstieges der Permeabilität
magnetisiert und die an die Sekundärseite des Stromwandlers angeschlossene überwachungseinrichtung
gerade anspricht. Bei einer derartigen Überwachungseinrichtung können wie bisher
an
die Sekundärseite des Stromwandlers über Gleichrichter angeschlossene Gleichstromrelais
zum überwachen der Wechselstromkreise verwendet werden. Dabei ist es zweckmäßig,
Relais mit geringem Leistungsbedarf zu verwenden, um den Steilanstieg der Permeabilitätskurve
durch den Sekundärstrom des Stromwandlers nicht abzuflachen. Noch günstiger ist
es, an die Sekundärwicklung des Stromwandlers den Steuereingang eines Verstärkers,
insbesondere Transistorverstärkers, anzuschließen, der als Schalter für ein Relais
üblicher Leistung arbeitet. In beiden Fällen kann durch eine Spannungs- bzw. Strombegrenzerschaltung
zwischen Stromwandler und Relais bzw. Verstärker erreicht werden, daß bei dem bei
der niedrigen und dem bei der hohen Speisespannung des Wechselstromkreises fließenden
Betriebsstrom etwa der gleiche Relaisstrom fließt. Eine thermische überbelastung
des Relais wird somit verhindert.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist an Hand der Zeichnung erläutert.
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Fig.1 zeigt eine Schaltung für eine mit Wechselstrom gespeiste Signallampe
L, die über den Transformator T entweder an Nachtspannung oder an Tagspannung liegt.
An die Speiseleitungen ist über den Stromwandler W und den Spannungsbegrenzer mit
dem Widerstand R und den Sperrzellen S1 und S2, z. B. zwei Selengleichrichtern,
der Steuereingang des Transistorverstärkers V angeschlossen. Dieser wird in Emitterschaltung
als Schalter betrieben. Bei jeweils nur einer Halbwelle der zwischen Emitter und
Basis angelegten stark verzerrten Wechselspannung ausreichender Größe kann im Emitter-Kollektor-Kreis
durch den Widerstand Ru und das Gleichstromrelais U ein Strom fließen und bei einem
ausreichenden Stromflußwinkel, der durch die Breite der verzerrten Halbwellen gegeben
ist, das Relais zum Ansprechen bringen. In den anderen Halbwellen sperrt der Transistor.
Der Kondensator Cu verhindert das Abfallen der Relais während dieser Halbwellen.
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In Fig. 2 zeigt die gestrichelte Kurve Us= f (Jp) die sekundäre Leerlaufspannung
Us in Abhängigkeit vom Primärstrom Jp des Stromwandlers W. Der Kern dieses Stromwandlers
besteht erfindungsgemäß aus einem weichmagnetischen Material mit geringer Anfangspermeabilität
bis .zu der durch den Primärstrom J 1 erzeugten Feldstärke, einem steilen Permeabilitätsanstieg
bis zum Maximalwert in dem engen Feldstärkebereich zwischen den Primärströmen J1
und J2 und allmählich abfallender Permeabilität bei weiterer Erhöhung der Feldstärke.
Ein besonders gut geeigneter Werkstoff ist unter der Markenbezeichnung »Permenorm
5000 Z« bekannt.
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In der Sekundärwicklung des Stromwandlers entstehen in beiden Halbwellen
des sinusförmigen Primärstromes steile und spitze Spannungsimpulse, die den Transistorverstärker
V steuern. Die ausgezogene Linie Ju = f (Jp) zeigt den Verlauf des arithmetischen
Mittelwertes des Relaisstromes Ju in Abhängigkeit vom Primärstrom des Stromwandlers.
Der Transistor und seine Emitter-Kollektor-Spannung sind so gewählt, daß ein Emitter-Kollektor-Strom
bei der zum Primärstrom J1 des Stromwandlers gehörigen Sekundärspannung U1 zu fließen
beginnt und etwa bei der zum Primärstrom Jn gehörigen Sekundärspannung Un seinen
maximalen Wert erreicht. Bei weiterer Erhöhung des Primärstromes auf die Werte J2
(Sekundärspannung U2) oder Jt kann sich dann nur noch der von der Breite
der Spannungsimpulse abhängige Stromflußwinkel des Emitter-Kollektor-Stromes ändern.
Die Sperrzellen S 1 und S 2 verhindern, daß die Steuerspannung am Eingang des Verstärkers
bei wechselndem Primärstrom wesentlich über den Wert Un ansteigt. Ist das Relais
U so gewählt, daß sein Ansprechstrom im oberen Teil des Steilanstieges der
Kurve Ju = f (Jp) liegt, so kann die dargestellte überwachungseinrichtung
für einen Wechselstromkreis verwendet werden, in dem bei der höchsten vorhandenen
Wechselspannung, also bei Tagspannung der Signallampe L, der Reststrom J1 und bei
der niedrigsten Spannung, also bei Nachtspannung, der Betriebsstrom Jn fließt. Durch
die Verwendung des Transistorverstärkers als Schalter für das Relais U hat der Relaisstrom
fu bei dem bei der niedrigsten Nachtspannung und dem bei der höchsten Tagspannung
fließenden primären Betriebsstrom Jn bzw. Jt etwa die gleiche Größe. Für das Relais
U ergibt sich einerseits ein sicheres Ankerabfallen, wenn der Reststrom nur wenig
kleiner als der niedrigste Betriebsstrom Jn ist. Andererseits bleibt die Erregung
des Relais U beim Wechseln der Betriebsspannung annähernd konstant, auch wenn der
Betriebsstrom sich wie bei dem dargestellten Beispiel etwa im Verhältnis 1: 2 ändert.
Steigt der Betriebsstrom wesentlich über den Wert Jt an, so wird die Erregung des
Relais U wieder kleiner. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die Spitzen der Sekundärspannung
des Stromwandlers immer steiler und schmaler werden, wodurch der Stromflußwinkel
im Emitter-Kollektor-Kreis des Verstärkers kleiner wird.
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Ferner hat es sich gezeigt, daß das überwachungsrelais U nicht anspricht,
wenn im Primärstromkreis des Stromwandlers W beim Anschalten der Betriebswechselspannung
ein Gleichstrom von der Größenordnung des Betriebswechselstromes fließt. Unabhängig
von der Stromrichtung des Gleichstromes sinkt infolge der Gleichstromvormagnetisierung
die Permeabilität des Stromwandlerkernes und damit die an der Primärwicklung des
Stromwandlers abfallende Wechselspannung. Die in der Sekundärwicklung erzeugte Wechselspannung
ist dann zu klein, um den Verstärker auszusteuern bzw. das Relais zum Ansprechen
zu bringen.
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Die Anwendung der Erfindung ist nicht auf das dargestellte Beispiel
beschränkt. Beispielsweise kann es zweckmäßig sein, die Sicherheit der Schaltung
gegen Störspannungseinwirkungen dadurch zu erhöhen, daß der Stromwandler W mit zwei
Wicklungen ausgerüstet ist, von denen je eine in die beiden Speiseleitungen des
überwachten Stromkreises geschaltet ist.