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Mehrspannungsimpulsheizung, insbesondere für Schienenfahrzeuge Die
Erfindung betrifft eine Mehrspannungsimpulsheizung, insbesondere für Schienenfahrzeuge,
mit einer geraden Anzahl von Heizkörpern, die in Gruppen zu ein oder mehreren gleiche
Paare bilden, die paarweise in Reihe oder parallel schaltbar sind.
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Es ist bekannt, daß im internationalen Zugverkehr dafür Sorge getragen
werden muß, die Zugbeheizung an die unterschiedlichen Spannungsbereiche und an die
unterschiedlichen Stromarten, die in den einzelnen Netzen üblich sind, anzupassen.
Dies geschieht in den bekannten Ausführungsformen normalerweise auf zwei Arten.
Entweder werden die Heizkörper beim Übergang von einem Spannungsbereich in den anderen
durch elektrische Schaltmittel in Abhängigkeit von der anstehenden Netzspannung
umgruppiert, oder aber die Heizkörper werden hinsichtlich ihrer elektrischen Festigkeit
auf die größtmögliche Spannung ausgelegt; in ihrer Wärmeleistung werden sie jedoch
auf die kleinste Spannung dimensioniert. Beim Anpassen an die wechselnden Spannungsbereiche
wird das Impulsverfahren herangezogen, und zwar derart, daß zu einer durch einen
Multivibrator festgelegten Zeitspanne, z. B. der Aus-Zeit, eine von der anliegenden
Heizspannung abhängige variable Zeit, z. B. eine Ein-Zeit, hinzugefügt wird und
daß das Verhältnis der Einschaltzeit zur Gesamtzeit in weiten Grenzen von der Spannung
variiert werden kann. Der Nachteil der herkömmlichen Spannungsimpulsheizung ist
darin zu sehen, daß ein verhältnismäßig hoher elektronischer Aufwand getrieben werden
muß.
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Es ist auch bereits bekannt, die Einschalthäufigkeit sowie das Verhältnis
von Einschaltdauer und Ausschaltdauer über ein Heizmodell zu bestimmen, dessen thermische
Zeitkonstante kleiner oder höchstens gleich der thermischen Zeitkonstante der Heizleiter
im Heizkörper ist und in dem - abhängig von der Heizspannung oder vom Heizstrom
- ein temperaturabhängiges Schaltglied beheizt wird.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, eine Mehrspannungsimpulsheizung
der eingangs genannten Art zu schaffen, die die genannten Nachteile nicht aufweist
und in der der elektronische Aufwand gering ist.
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Als Lösung dieser Aufgabe ist vorgesehen, daß ein Zeitglied vorhanden
ist, das unterhalb einer bestimmten Einschaltdauerprozentzahl die Umschaltung der
Paare aus Parallelschaltung in Reihe bzw. oberhalb einer bestimmten Einschaltdauerprozentzahl
aus der Reihenschaltung in die Parallelschaltung bewirkt.
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Der besondere Vorteil einer Heizung nach der vorliegenden Erfindung
ist darin zu sehen, daß die Heizkörper nicht auf die größtmögliche Betriebsspannung,
sondern nur auf deren halben Wert dimensioniert zu werden braucht. Ein weiterer
Vorteil ist darin zu sehen, daß die maximale Abschaltleistung der Schaltmittel gegenüber
denen der Anordnung ohne Umgruppierung nur ein Viertel beträgt, da bei Schaltanordnungen
mit Umgruppierung die Heizkörper höchstens in der zweifachen Nennspannung (= vierfache
Leistung) impulsweise eingeschaltet sind, während ohne Umgruppierung die vierfache
Spannung (= sechzehnfache Leistung) beherrscht werden muß. Schließlich besteht ein
Vorteil auch darin, daß die Impulsdauer bei vierfacher Leistung länger sein kann
als bei sechzehnfacher Leistung, ohne dem Heizkörper Schaden zuzufügen.
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Gegenüber der bekannten zweimaligen Umgruppierung der Heizkörper besteht
ein Vorteil in dem geringeren Aufwand an umgruppierenden Schaltelementen, in den
sich sehr stark reduzierenden Zahlen der Verbindungsleitungen von den Gerätekästen
zu den Heizungsöfen und in der Vereinfachung des elektrischen Steuerteils, was zu
höherer Betriebssicherheit führt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein RC-Glied mit parallelgeschaltetem
Aufladewiderstand als Zeitglied verwendet, das während der Einschaltdauer aus einer
konstanten Ladespannung aufgeladen wird und dessen Ladezustand als Maß für die Einschaltdauerprozentzahl
dient.
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Mit besonderem Vorteil wird bei vorstehend genannter Ausführungsform
unter Verwendung von
Schaltschützen für die Heizspannung das RC-Glied
mit der Spule des Schützes parallel geschaltet. Die Umschaltung erfolgt gemäß einer
Weiterbildung der Erfindung in Abhängigkeit von der an der Kapazität des RC-Gliedes
anstehenden Spannung und über ein Relais sowie über einen nachgeschalteten Momentschalter
mit Hilfe eines Motors.
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In derZeichnung sindAusführungsbeispiele gemäß der Erfindung schematisch
dargestellt.
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An Leitungen 1 und 1' (F i g. 1) liegt Heizspannung,
die über eine Sicherung 2 und einen Hauptschalter 3 einer Leitung
4 zugeführt wird, an die die einzelnen Heizstromkreise über eine Sicherung
5 angeschlossen sind. Die Heizkörper sind hinsichtlich der Nennspannung in zwei
gleiche Hälften unterteilt, die mit 6 und 6' bezeichnet sind. Sie werden durch die
Umschaltanordnung 9 bei einem vorgegebenen Spannungswert, der etwa dem halben
Wert der maximal auftretenden Heizungsspannung entspricht, umgeschaltet. Unterhalb
der Umschaltgrenze liegen beide Heizkörpergruppen in Parallelschaltung und oberhalb
in Reihenschaltung. Durch ein Schaltschütz 8 wird der Heizstrom zu- und abgeschaltet.
überwachungsglieder 10 überwachen die mittlere, den Heizstäben zugeführte
Leistung. Tritt eine überlastung ein, so wird die Spule des Schaltschützes
8
durch den Kontakt des überwachungsgliedes 10
spannungslos, und der
Heizstrom wird unterbrochen. Ein Regelglied 7 enthält ein thermisches Heizleitermodell
11, ein beheiztes Temperaturmeßglied, dessen thermische Zeitkonstante kleiner oder
höchstens gleich der thermischen Zeitkonstante des Heizleiters im Heizkörper ist.
Wird im Regelglied 7 durch einen Heizwiderstand 12, dessen Heizleistung von
dem Spannungswert der anliegenden Heizspannung bestimmt wird, eine Temperatur erzeugt,
so daß das Temperaturmeßglied 11 seiner Schalteinheit 16 seine Einschaltzeit
verkürzt und seine Ausschaltzeit verlängert, so wird im gleichen Rhythmus auch der
Heizstrom mit dem Schütz 8 gesteuert und die mittlere, den Heizkörpern
6 und 6' zugeführte Leistung konstant gehalten.
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Damit die thermische Beeinflussung des Heizwiderstandes
12 die Reihen- oder Parallelschaltung der Heizkörper berücksichtigt, überbrückt
ein Kontakt 9' einen Vorwiderstand 18 bei parallelgeschalteten Heizkörpern.
Mit einem Widerstand 15 kann zusätzlich eine thermische Beeinflussung der Einschaltdauer
der Heizkörper 6 und 6' in Abhängigkeit von anderen Regelgrößen, wie Außentemperatur,
Abteiltemperatur od. dgl., erreicht werden. Um einen Leerbetrieb zu vermeiden, ist
eine bei anstehender Heizspannung aufleuchtende Glühlampe 14 vorgesehen,
die über einen Fotowiderstand 13 ein Signal an die elektrische Schalteinheit
17 gibt. Diese wiederum gibt über die Schalteinheit 16 und die Leistungsschalteinheit
19 die Steuerspannung für die Spule des Schaltschützes 8 frei. Fällt die Heizspannung
aus, so sperrt die Schalteinheit 17 die Schalteinheit 16, und das Schaltschütz 8
fällt ab.
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Das Umschalten der Heizkörper in Reihen- bzw. Parallelschaltung wird
von einem Zeitglied 20 und einer weiteren Schalteinheit 21 sowie einem Relais 22
gesteuert. Liegt die Spannung am Kondensator 20' über einem vorgegebenen
Maximalwert, so steuert die Schalteinheit 21 durch, und das Relais 22 zieht an.
Unterschreitet die Kondensatorspannung einen vorgegebenen Maximalwert, so sperrt
die Schalteinheit 21, und das Relais 22 fällt ab. Die elektrische Zeitkonstante
des Zeitgliedes 20 ist größer als die Zeitkonstante des beheizten Temperaturmeßgliedes
11, so daß die sich am Kondensator 20' einstellende mittlere Spannung ein
Maß der relativen Einschaltdauer der Heizkörper ist, weil in dem Zeitglied 20 mit
dem gleichen Rhythmus wie der Heizstrom die Ladespannung ansteht. Das Zeitlied 20
ist der Schützenspule 8 parallel geschaltet.
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Ist das Relais 22 in Ruhestellung, so verbindet der Kontakt 22' den
Pluspol einer Spannungsquelle 26 mit einem Momentschalter 23 und speist
einen die Umschalteinrichtung 9 über eine Nockenscheibe 25 betätigenden Motor unter
der Voraussetzung, daß die Hilfskontakte 8' der Schaltschütze den Stromweg
zum Minuspol freigegeben haben und der Momentschalter 23 geschlossen ist. Der Motor
der Umschalteinrichtung 9 bleibt über den Momentschalter 23 so lange
mit der Steuerspannungsquelle 26 verbunden, bis die Nockenscheibe 25 und
damit auch die Kontakte der Umschalteinrichtung 9 die dieser Stellung der Kontakte
22' zugeordneten Stellung eingenommen haben. Ist diese Stellung erreicht,
so schaltet der Momentschalter 23 um und verbindet den Pluspol über die Kontakte
der Überwachungsglieder 10 mit der Spule des Schaltschützes B. Der Umschaltvorgang
ist beendet, und in dieser Stellung der Umschalteinrichtung sind die Heizkörper
6 und 6' in Serie geschaltet. Sinkt die Heizspannung unter die Umschaltgrenze, so
bleibt die Schalteinheit 16 und damit auch die Leistungsschalteinheit
19 dauernd abgeschaltet, da die durch den Heizwiderstand 12 verursachte und
von der Höhe der Heizspannung abhängige Temperaturerhöhung das Temperaturmeßglied
nicht mehr so stark erwärmen kann, daB die Schalteinheit 16 sperrt. Die Spule des
Schützes 8
bleibt erregt, die Spannung am Kondensator 20' des Zeitgliedes
lädt sich bis zu seinem vorgegebenen Maximalwert auf, so daß die Schalteinheit
21 durchsteuert. Das Relais 22 wird erregt, und der Kontakt
22' schaltet um, wobei die Zuleitung zur Schützenspule 8, die über den Momentschalter
23 eingeschaltet ist, unterbrochen wird und der Pluspol der Steuerspannung 26 über
einen Momentschalter 24
zum Motor der Umschalteinheit 9 durchgeschaltet
wird. Wenn alle Schütze ordnungsgemäß abgefallen sind, wird der Motor über die Kontakte
8' mit dem Minuspol verbunden und bringt die Umschalteinrichtung
9 in die andere Schaltstellung, in der die Heizkörper parallel geschaltet
sind. Ist diese Stellung durch den Betrieb in niedrigem Heizspannungsbereich erreicht,
schaltet der Momentschalter 24,
angetrieben von der Schaltnocke
25, um, unterbricht den Motorstromkreis und gibt die Steuerspannung für die
Schützenspule 8 frei. Die Heizkörper 6 und 6' sind wieder eingeschaltet.
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Die Ausführungsform nach F i g. 2 zeigt eine Anordnung, bei der eine
beliebige Anzahl von Einzelstromkreisen von der Umschalteinrichtung in Reihen-bzw.
Parallelschaltung umgruppiert werden kann und in der für alle Einzelstromkreise
ein Zentral-Regel-und Steuerglied vorgesehen ist. Die Bezugszeichen 1
bis
10 bezeichnen dabei gleichbedeutende Teile wie in der Anordnung nach F i g. 1.
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Das zentrale Regelglied 7 dosiert im Impulsverfahren mittels Schütze
27 und 28 die mittlere Heizleistung für die an Leitung 4 angeschalteten Stromkreise
unabhängig
von der Zahl und der Nennleistung der Stromkreise und steuert auch die Umgruppierung
der Heizkörper 6 und 6' mittels der Umschalteinrichtung 9.
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Um die Lebensdauer zu erhöhen und eine sichere Störabschaltung zu
gewährleisten, sind zwei Leistungsschütze 27 und 28 verwendet worden, deren Kontakte
hintereinandergeschaltet sind und die abwechselnd bei jedem zweiten Impuls den Heizstrom
zu-und abschalten. Für jeden Stromkreis ist eingangs-und ausgangsseitig je ein thermisches
überwachungsglied 10 vorgesehen, dessen Kontakte auf die Spule des Schützes 8 wirken
und den gestörten Stromkreis abschalten. Ist eine vorgegebene Anzahl von Stromkreisen
gestört, so kann ein Signal darüber hinaus das zentrale Regelglied 7 abschalten.
Außerdem kann das Schütz 8 in Abhängigkeit von der Abteiltemperatur geschaltet werden.
An die Klemmen 29 des zentralen Regelgliedes 7 wird die Speisespannung angelegt,
und über eine Klemme 30 können andere Regelgrößen zum Beeinflussen des Regelergebnisses
angelegt werden.
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Die letztgenannte Ausführungsform ermöglicht den Anschluß einer beliebigen
Zahl von Einzelstromkreisen, die vom Zentral-Regel- und Steuerglied 7 die richtig
dosierte relative Einschaltdauer erhalten. Der Regel- und Steueraufwand wird auch
dann nur einmal benötigt, wenn viele Einzelstromkreise geschaltet werden, was weitere
räumliche Vorteile bringt. Weiterhin ist die Ausfallwahrscheinlichkeit geringer,
da die störanfälligen Glieder und die einer starken Abnutzung unterworfenen Teile
nur einmal enthalten sind.