DE3029851C2 - Schaltungsanordnung zur signaltechnisch sicheren Ansteuerung eines Stromverbrauchers - Google Patents

Schaltungsanordnung zur signaltechnisch sicheren Ansteuerung eines Stromverbrauchers

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DE3029851C2 DE19803029851 DE3029851A DE3029851C2 DE 3029851 C2 DE3029851 C2 DE 3029851C2 DE 19803029851 DE19803029851 DE 19803029851 DE 3029851 A DE3029851 A DE 3029851A DE 3029851 C2 DE3029851 C2 DE 3029851C2
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Description

Die Erfindung bciriffl eine Schallungsanordnung zur signaltcchnisch sicheren Ansieucrung eines Stromverbrauchers in Eisenbahnanlagcn gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Solche Schaltungen unterscheiden sich von gcwöhnlichcn Schaltungen dadurch, daß sie zwei wichtige Forderungen erfüllen: Eine Störung, /. B. ein Bauclcmenleausfall. darf niemals zu einem sichcrhcitsgcfährdcndcn Schaltzustand führen. Jede Störung muß unmitlelbar nach ihrem Eintritt erkannt werden. Bisher bekannte
2r> sichere Ansteucrschallungcn wie solche für elektrisch betriebene Weichen oder Signale verwenden sogenannte Signalrelais, d. h. Relais, deren Kontakte rückgeprüft werden und die nur unter Energiezufuhr geschaltet werden können. Diese Signalrclais sind innerhalb eines
«ι Stellwerks vor Wittcrungseinflüssen geschützt untergebracht und schallen von dort aus den Belriebsslrom des jeweiligen Stromverbrauchers. Aufgrund des Spannungsabfallcs in der Kabcl/iilcilung isl dabei die Stcllcntfernung begrenzt und die Kosten für die niedcrohmi-
r> gen Kabclzulcitungen sind hoch. Eine Unterbringung der Signalrelais in der Nahe der Stellglieder, /_ B. an einer Weiche, wurden zwar eine Ansteuerung über Signaladern geringen Querschnitts und damit eine Herabsetzung der Koslcn für die Zuleitung ermöglichen, wäre aber wegen der dort sehr harten Umwcllbcdingungen (aggressive Dämpfe, Bclauung, große Temperaturschwiinkimgcn) problematisch.
Eine bekannte Anordnung zum Steuern tmd Überwachen von Weiehcnantriebcn.die der Erfindung am näch-
■Γ) sten kommt, verwendet zusätzlich zu den im Stellwerk befindlichen Signalrclais in unmittelbarer Nähe der Weiche untergebrachte Stcllschülze zum Ein- und Ausschalten des Wcichenanlriebs und ist in der DE-OS 21 48 151 beschrieben. Die Antricbsencrgic wird einem
V) gesonderten Spciseslromnei/. entnommen. Obgleich Stcllschülze möglicherweise unempfindlicher sind als die im Stellwerk eingesetzten Signalrclais isl jedoch auch damit das Problem eines möglichen Ausfalles aufgrund von Umwcllcinwirkungen nicht grundsätzlich bc-
v> seitigl.
Ein Einsatz von Halbleiterbauelementen anstelle clcktromcclianischer Schaltbauelemcnte wurde bisher vermieden, da bei Halbleiterbauelementen kein sicherer Zustand bekannt isl. Ein Transistor oder Thyristor kann im l'ehlerfall entweder elektrisch undurchlässig werden oder aber einen Kurzschluß bilden. Auch ein plötzliches Lcilcndwcrdcn ohne Ansteuerung ist nicht auszuschließen.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Schaliiingsiinord-
hr. llung der oben genannten Art anzugehen, ti ic eine si gnaltechnisch sichere Ansteuerung von Slroniverbrauchcrn ohne Relais, mit einer rein elektronischen Schaltungsanordnung ermöglicht. Eine Schiillungsanord-
nung. die diese Aufgabe löst, ist im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 beschrieben.
Die in der crfindungsgcinäßcn Schaltungsanordnung verwendeten steuerbaren Wechselrichter sind dabei für sich bekannt. Sie werden u. a. zur Regelung von Asynchronmotoren verwendet (siehe hierzu W. Lconhard. »Regelung in der elektrischen Antriebstechnik«, Seile 154— 157. Teubner-Verlag Stuttgart).
Auch zur sicheren und unlerbrechungifreien Stromversorgung ist es bekannt, steuerbare Wechselrichter zu verwenden, wie aus einem Aufsatz von Chr. Kublick und W.Schultzc in ΙΠΥ, Bd. 100 (1979)!Il 1. S. 540, hervorgehl.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung läßt sich ohne besondere Zusalzmalinahmen in der Nähe der Stellglieder unterbringen, da die verwendeten Bauelemente insbesondere, wenn sie in Kunststoff eingegossen werden, weilgehend unempfindlich gegen schädliche Umwelteinflüsse sind. Neben den Vorteilen, die eine inctirekte Steuerung der Stellglieder mit sich bringt, werden noch weitere Vorteile durch die Verwendung des steuerbaren Wechselrichters erzielt, die mit Relais entweder überhaupt nicht oder nur mil zusätzlichem Aufwand erreicht werden können. So kann jetzt z. B. anstelle einer Tag/Nacht-Ilelligkeilsumschaltung von Signallaternen eine Spannungsregelung vorgenommen werden, die zeitabhängig (Hler abhängig von der llnigebiingshelligkeil erfolgt. Weichenaniriebsniotoren kön-'nen mit niedriger Frequenz in Dreieckschaltung angelassen werden, die bisher übliche Stern-Dreieek-Utnschallung kann entfallen.
Besonders vielseitig kanu die Schaltungsanordnung nach der Erfindung eingesetzt werden, wenn die redundant ausgebildete Steuerschaltung, wie in Anspruch 2 angegeben, zwei Mikrorechner enthält, welche alle Steuersignale parallel erarbeiten und miteinander vergleichen, wie dies in anderem Zusammenhang aus der DI-I-OS 22 58 917 bekannt ist. Ils ist dann möglich, mehrere Stellglieder geniäli Anspruch 1 über einen gemeinsamen Datenkanal anzusteuern. Sämtliche Stellglieder einer Strecke lassen sich dann mit einer einzigen Datenlcilung und einer Versorgungsleitung betreiben. Durch Vergleich der erarbeiteten Steuersignale, der nach gegenseitigem Datenaustausch in beiden Mikrorechnern durchgeführt wird, wird dabei das Verarbeitungsergebnis auf Fehler überprüft und damit signallechnische Sicherheit erreicht.
Die Ausführung des elektronischen Wechselrichters ist Gegenstand des Anspruchs 4, während die Ansprüche 5 und 6 verschiedene Ansleuerungsartcn des elektronischen Wechselrichters betreffen. Hierbei eignet sich die in Anspruch 5 beschriebene Ansleuerungsarl vor allem für die Verwendung zusammen mit Wechselrichtern mit Löschkondensatoren während die in Anspruch 6 beschriebene Ansleuerungsart vorteilhaft bei Wechselrichtern mit Löscht hy ristoren angewandt werden kann.
Bei Wechselrichtern mit l.öschlhyrisi'ncn lassen sich Signale ohne Sichcrheitsveranlwortung z. B. Steuerimpulse für die Löschlhyristoren, über Oder-Glieder eingeben, was zur lirhöhiing der Bciricbszuvcrlässigkcit beiträgt.
Ausgestaltungen der crfiikluugsgcmälicii Schaltungsanordnung, die in ilen Ansprüchen H und 4 beschrieben sind, betreffen die Sperr- und Unlerbrcchungsmiiiel. die im lehlerfalle Betrieb oiler Betätigung des /ii steuernden .Stromverbrauchers unterbinden. Damit kniiii die Schaltungsanordnung der jeweils zu steuernden Last angepaßt werden. Anspruch 10 betrifft die Verarbeitung von Rückmcidcsignalcn der zu steuernden Stellglieder.
Anhand dreier Schaltbilder sollen nun Ausführungsbeispiele der Schaitungsanordnung nach der Erfindung eingehend beschrieben und ihre Wirkungsweise erklärt werden.
l-'ig. I zeigt das Prinzip der Schaltungsanordnung.
Fig.2 zeigt die Ansteuerung eines einphasigen IU Wechselrichters mit Lösehthyrisioren.
I·' i g. J zeigt eine Schaltungsanordnung zur Steuerung eines Weichenantriebes.
In I" i g. I sind dargestellt zwei Stromverbraucher, ein Asynchronmotor 7 in Dreieckschaltung und eine Lichtis quelle 8 einer Signallaterne. Diese Stromverbraucher sind zu einer Stellglicdeinheit 1 zusammengefaßt und werden über eine gemeinsame Datenleitung 10 angesteuert. Die elektrische Leistung wird dabei einem dreiphasigen Versorgungsnetz 13 entnommen.
Die .Stellgliedeinheit enthält einen Gleichrichter 2. der auf zwei Ausgangsleitungen 11,12 zwei zueinander entgegengesetzt gepolte Gleichspannungen gegenüber einem gemeinsamen Erdpotential (z. B. Schienenpotential) zur Verfügung stellt. Der so geschaffene Gleich- 2ri sirom-Zwischcnkreis speist über Sieherungselemente 14, 15 bzw. 16, 17 zwei steuerbare Wechselrichter 3, 4. welche die beiden Stromverbraucher mit Wechselstrom versorgen. Hierbei ist der Wechselrichter 3 dreiphasig ausgeführt und versorgt direkt den Asynchronmotor 7. «ι der beispielsweise ein Weichenantriebsmotor sein kann. Der Wechselrichter 4 ist einphasig und gibt seinen Wechselstrom über einen Transformator 9 an die Lichtquelle 8 ab. Es können je nach Auslegung des Gleichrichters auch mehr als zwei Stromverbraucher an einen Gleichstromkreis angeschlossen sein. Die Ansteuerung der Wechselrichter geschieht durch redundant ausgebildete Steuerschaltungen 5, 6, welche über die Datenleitung 10 in Form von Datenielegrammen eintreffende Stellbefehie in Steuerimpulse zur Durchschaltung bzw. Löschung der in den Wechselrichtern enthaltenen Halbleiterschalter (Thyristoren oder Transistoren) umsetzen. Die signaltcchnische Sicherheit, vor allem hinsichtlich Fehlern der in den Wechselrichtern enthaltenen Halbleiterbauelemente, wird, wie noch gezeigt werden soll. 4r> durch die Sicherungselemcnte, bei ohmscher Last durch zusätzlich eingefügte Sperrmittel (/. B. Transformator 9). welche einen Gleichstromfluß durch den Stromverbraucher unterbinden, gewährleistet.
Die Ansteuerung eines Wechselrichters für einen einr> o phasigen Stromverbraucher zeigt F i g. 2. Der Wechselrichter 4 enthält als Halbleiterschalter zwei Hauptthyristoren 18, welche den Wechselspannungsausgang 22 über Kommuticrungsdrosscln 20 und Sicherungen 16, 17 abwechselnd mit dem positiven Ausgang 11 und dem Yi negativen Ausgang 12 des in F i g. 2 nicht dargestellten Glcichstrom-Zwischenkreises verbinden. Die Durchschaltung der Hauptthyristoren erfolgt über Und-Gliedcr 24 durch Steuerimpulse, welche von zwei Mikrorechnern 25,26 gleichzeitig auf die Eingänge der einzelh< > ncn Und-Glieder ausgegeben werden. Werden, wie in F i g. 2 dargestellt. Thyristoren verwendet, so muß zumindest bei jedem Phasenwechsel der zuvor stromführende Thyristor gelöscht werden. Dies geschieht in der in F i g. 2 dargestellten Schaltung mittels eines Kommutierungskondensators 21 und zwei l.öschthyristoien 19. Hierbei werden die Löschthyristorcn über Oder-Glieder 2i ebenfalls von den Mikrorechnern angesteuert. Oder-Glieder können hier verwendet werden, da das
Ausbleiben der Löschung — im Gegensatz zu einem fälschlichen Durchschalten der Hauptthyristoren — nicht zu einem siicherheitsgefährdenden Zustand führen kann. Es kann allenfalls zu einem Kurzschluß kommen, der die Sicherungen 16 und 17 auslöst und mit Sicherheit erkannt wird. Die Verwendung der Oder-Glieder hat andererseits den Vorteil, daß ein Defekt, der einen mil dem betreffenden Oder-Glied verbundenen Ausgang eines Mikrorechners außer Funktion setzt, noch nicht zu einem Ausfall der gesamten Ansteuerung führt, da der zweite Mikrorechner noch Steuerimpulse für die Lösehthyristoren ausgibt.
Die Mikrorechner 25, 26 erhalten ihren Arbeitstakt von einem Taktgeber 27 über einen Takiimpulseingang 30. Steuerbefehle erhallen sie über eine gemeinsame Datenleitung 29. Die Sicherheit der Verarbeitung der Steuerbefehle wird durch einen Ergebnisvergleich erreicht, der nach gegenseitigem Datenaustausch über eine Datenverbindung 28 in beiden Rechnern unabhängig durchgeführt wird und zu einer Einstellung der Steuerimpulsausgabe führt, falls ein Vcrarbeitungsfehler festgestellt wird.
Die Mikrorechner können auch zusätzlich dazu benützt werden. Statusmeldungcn des Stellgliedes in Datentelegramme umzusetzen und über die Daienlcitiing 29 oder eine andere, nicht dargestellte Datenleitung an eine zentrale Überwachungsstelle z. B. ein Stellwerk zu übermitteln.
In der Schaltung nach F i g. 2. die beispielsweise eine Signallaterne mit Strom versorgen soll, ist neben durch Halbleitcrausfällc bedingten Fehlern, die zum Ausbleiben der Wechselspannung oder zum Auslösen der Sicherungen führen und keinen sicherheitsgefährdcnclcn Zustand herbeiführen können auch ein Fehler möglich, der zur Ausgabe von Gleichstrom über den Ausgang 22 führt. Da eine Signallaterne auch mit Gleichstrom betrieben werden kann ist in diesem Falle notwendig, z. Fi. durch Vorschalten eines Transformators (wie in F i g. 1), einen Gleichstromfluß durch den Stromverbrauchcr zu verhindern.
Die Ansteuerung von Signallaternen mit der erfindimgsgemäßen Schaltungsanordnung macht es möglich zur Anpassung der Helligkeit der Signallaterne an die Umgebungshelligkeit, die Spannung zu regeln. Dies kann dann entweder über besondere Dalcntelcgramme, die eine andere Stcuerimpulsfolgc vorgeben oder automatisch, mittels einer nicht dargestellten, mit den Mikrorechnern verbundenen Sensorschaltung erfolgen. Fine besondere Tag/Nachl-Umschaltung kann dann entfallen.
In Fig. 3 ist eine Schaltungsanordnung nach der Erfindung für einen Asynchronmotor 38 in Drcicckschs! tung dargestellt. Dieser kann z. B. in einem Weichenantrieb 37 eingesetzt sein. Die /um Betrieb notwendige Leistung wird hier einem Glcichstrom-Zwischenkreis entnommen, der durch einen Gleichrichter 35 versorgt und mittels einer Sicherung 36 gegen Überstrom abgesichert ist. Die Steuerbefehle werden wie bei dem in F i g. 2 dargestellten Ausführungsbeispicl über eine Datenleitung 33 in Form von Datenielegrammen auf zwei Mikrorechner 31, 32 gegeben, die alle Datcntcicgramine parallel verarbeiten und nach Datenaustausch und Ergebnisverglcich (über die Datenverbindung 34) die entsprechenden Steucrimpulsfolgen direkt auf die Sicucrclektroden von sechs Hauptthyristoren 39 ausgeben, Da die Schaltung nach Fig.3 keine Löschthyristoren enthält, kann sie nicht zur Spannungsregelung verwendet werden. Es läßt sich jedoch die Frequenz der Aus-
gaiigsspannung in weilen Grenzen variieren. Dies ermöglicht ein langsames Anfahren des Asynchronmotors in Dreieckschaltung, so daß eine Slern-Dreieck-Umschallimg zur Erhöhung des Anfahrdrehmoinenlcs einfallen kann.
Die Koiuniiilicnmg erfolgt hier über Kommiilic rungskondcnsalorcn 41. wobei die Funktion des Löschthyristors von demjenigen llaiipiihyrisior mit wahrgenommen wird, der gerade zur Slroimliirchschullimg an der Keihe ist. Dioden 40 dienen der Entkopplung der einzelnen Thyrislnrvenlile und dein Schutz der Thyristoren durch in tier Moiorwiekliing induzierie Spanniingsspil/cn.
Hs liißi sich anhand der Figur leicht erkennen, daß jeder I lalbleiterausfall bereits nach kurzer Zeit zu einem Kurzschluß und damit zum Ansprechen der Sieherungs führen muli Lälil sich ein Thyristor z.U. nicht mehr löschen, so tritt ein Kurzschluß auf sobald nach Durchslcuern des mit Gegenspannung verbundenen Thyristors Gegenspanniing an den entsprechenden Anschluß des Asynchronmotors gelegt wird. Läßt sich ein Thyristor nicht mehr durchschalten, so wird der zuvor leitend gewesene Thyristor nicht gelöscht und es kommt aus diesem (»runde zu einem Kurzschluß. Fin Kurzschluß einsieht auch in jedem Fall, wo einer der'Thyristoren ohne einen Steuerimpuls erhallen zu haben außerhalb des vorgesehenen Zeiliniervalls durchschallet.
Auch bei dieser Schallung lassen sich Slalusmeldiingen. z. B. die Weichenlage, über die Mikrorechner und die Dalenleitung 33 mit signallechnischer Sicherheit an das zugehörige Stellwerk übermitteln, sofern entsprechende Vorkehrungen (Anschluß tier l'riifkontakie an die Mikrorechner, entsprechend ausgelegte Software) getroffen werden.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

Patentansprüche:
1. Schaltungsanordnung zum signaltcchnisch sicheren Ansteuern von Stromverbrauchern in Eisenbahnanlagen, bei der räumlich in der Nähe des Verbrauchers gelegene Mittel zum Ein- und Ausschalten des Verbraucherstroms ferngesteuert werden und bei der Unterbrechungsmittel bei auftretendem Überstrom für eine Unterbrechung der Leistungszufuhr sorgen, dadurch gekennzeichnet, daß ein über eine redundant ausgebildete Steuerschaltung (5, 6) ansteuerbarer elektronischer Wechselrichter (3,4) als Schaltmittcl vorgesehen ist. über den der Stromverbraucher (7, 8) die zum Betrieb notwendige Leistung aus einem Gleichstromkreis (11, 12) bezieht und daß dem Stromverbraucher (8), sofern dieser auch durch Gleichstrom fehlerhaft in Betrieb gesetzt werden kann, ein Gleichstromsperrmittel (9) vorgeschaltet ist.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die redundant ausgebildete Steuerschaltung (5, 6) zwei Mikrorechner (25, 26 oder 31, 32) enthält, welche Steuersignale mit Sicherheitsverantwortung zur Ansteuerung des elektronischen Wechselrichters (3,4,42) parallel erarbeiten, miteinander vergleichen und nur bei Übereinstimmung an den elektronischen Wechselrichter weitergeben.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrorechner der redundant ausgebildeten Steuerschaltung einen gemeinsamen seriellen Eingang (10, 29) zum Empfang von Datentelegrammen und einen Datenkanal (28, 34) zum Austausch ihrer Ergebnisse zum Vergleich aufweisen.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch I, 2 oder 3. dadurch gekennzeichnet, daß der elektronische Wechselrichter (3, 4, 42) zur Steuerung seines Ausgangsstroms steuerbare Halbleiter wie Thyristoren (18,19,39) oder Transistoren aufweist.
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4. dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerung des elektronischen Wechselrichters (42) durch die Mikrorechner direkt über die Steucrclcktroclcn der steuerbaren Halbleiter (39) erfolgt.
6. Schallungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansteuerung des elektronischen Wechselrichters (4) durch die Mikrorechner über Und-Glieder (24) erfolgt, deren Eingänge jeweils mit Ausgängen beider Mikrorechner (25, 26) und deren Ausgänge mit den Stcucrelcktroden der steuerbaren Halbleiter (18) verbunden sind.
7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrorechner Steuersignale ohne Sicherhcitsverantwortiing über Oder-Glieder (23) an den elektronischen Wechselrichter (4) geben, deren Eingänge jeweils mit Ausgängen beider Mikrorechner und deren Ausgänge mit Steuerelcktroden steuerbarer Halbleiter (19) verbunden sind.
8. Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Gleichslromspcrrmittel ein Transformator (9) vorgesehen ist.
9. .Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ansteuerung eines Stromverbrauchers (7), der eine im
wesentlichen induktive Uist darstellt, eine Sicherung (14, 15) oder ein Überstromschulzschallcr im Gleichstromkreis liegt.
10. Schahungsanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrorechner zusätzliche Eingänge für Slalusmeldiiiigcii der zu steuernden Stromverbraucher besitzen und in der !.agc sind, diese Slatusmeldungcn in Datenlclegramme umzusetzen und über eine Datenlcitung an eine zentrale Steuerstcllc auszugeben.
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