DE325486C - Elektrische Bahnanlage, bei der Wechselstroeme verschiedener Frequenz ueber die Fahrschienen zwecks Beeinflussung elektrischer Signalvorrichtungen benutzt werden - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf elektrische Bahnanlagen, bei denen die Schienen .zur ■ Übertragung -von Wechselströmen verschiedener Frequenz benutzt werden, beispielsweise zur Stromzuleitung für Signalapparate und für den Betrieb von Lokomotiven und Zügen.

Die Erfindung besteht in der Anordnung einer neuartigen, auf Impedanzwirkung beruhenden Schienenstoßüberbrückung zur-Verbindung der verschiedenen Abschnitte stromführender Eisenbahnschienen. Diese Schie-' nenstoßüberbrückung besitzt -induktive Widerstände und Kondensatoren, die in solcher Weise angeordnet sind, daß die Schienenstoßverbindung als Isolator für Wechselströme einer bestimmten Frequenz wirkt, während sie den Durchgang von Wechselströmen einer anderen Frequenz gestattet. . Zu diesem Zwecke sind die elektrischen Konstanten der genannten induktiven Widerstände und Kondensatoren so gewählt, daß sowohl Strom- als auch Spannungsresonanz getrennt nutzbar gemacht wird, nämlich Spannungsresonanz für Wechselströme dier einenFrequenz und Stromresonanz für Wechselströme der anderen Frequenz. Durch diese Einrichtung werden die Wege für die zum Durchfluß von Wechselströmen verschiedener Frequenzen dienenden Stromkreise voneinander elektrisch unabhängig gemacht, wobei letztere gleichzeitig übereinandergelagert werden und die Fahrschienen als gemeinsamer Leiter für diese Ströme verschiedener Frequenz dienen können.

Es ist bekannt, daß, wenn eine "Selbstinduktionsspule und ein Kondensator in Hintereinanderschaltung in einem von einem Wechselstrom bestimmter . Frequenz durchflpssenen Wechselstromkreise liegen, man ihre elekirischen Konstanten so wählen kann, daß die Kapazitätsreaktanz im wesentlichen gleich und entgegengesetzt der induktiven Reaktanz ist. . Als Folge davon kann der Wechselstrom im wesentlichen ohne Widerstand den Stromkreis wegen der dabei auftretenden Spannungsresonanz durchfließen. In' ähnlicher Weise kann ein Kondensator und eine Selbstinduktionsspule in Parallelschaltung in einen Wechselstromkreis gelegt werden, wobei ihre elektrischen Konstanten so gewählt sind, daß in dem durch sie gebildeten Lokalstromkreis ein Strom fließt, während der übrige Stromkreis stromlos ist. Dies rührt daher, daß der durch die- Selbstinduktionsspule fließende Strom um i8o° dem den Kondensator durchfließenden Strom in der Phase nacheilt, wodurch die Resultante des Stromflusses gleich ■Null wird. Dies nennt, man bekanntlich Stromresonanz. Durch eine geeignet gewählte Selbstinduktionsspule und einen Kondensator kann .man Spannungsresonanz für Ströme einer bestimmten Frequenz und gleichzeitig Stromresonanz für Ströme einer anderen bestimmten Frequenz erhalten. ·

Die Erfindung kann in verschiedenen Ausführungsformen nutzbar gemacht . werden, von welchen einige beispielsweise in den Zeichnungen dargestellt sind.

In der beiliegenden Zeichnung bezeichnet.

Fig. ι ein mit einer elektrischen Signaleinrichtung· nach vorliegender Erfindung versehenes Eisenbahnsystem. Fig. 2 und 3 sind spezielle Ausführungen der Erfindung. Fig. 4 ist in vergrößertem Maßstabe eine schematische Darstellung, welche die elektrischen Bedingungen angibt, unter denen die Apparate nach Fig.2 und 3 ^arbeiten. Fig. 5 ist eine verbesserte Schaltung einer Transformatoreneinrichtung, die Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist. Fig. 6 ist eine Abänderung der Einrichtung nach Fig. 5. ,Fig. 7 ist das Schaltungsschema eines elektrischen Bahnsystems, das Selbstinduktionsspulen enthält, die gemäß der vorliegenden-Erfindung eingerichtet sind. Fig'. 8 und 9 sind schematische Darstellungen von Teilen, welche als Grundlagen der Erfindung ausgeführt werden. In Fig. ι ist 1 ein Stromkreis, bestehend aus den Schienen 2 und 3, der von der Stromquelle 4, einem iEinphasenwechselstromgenerator, gespeist wird'. S stellt die Oberleitung· dar.· 6 ist die Wecbs.elstromspeiseleitung für das Signalsystem·. Diese Speiseleitung ist durch die Streckentransformatoren 7,8 mit den Schienen verbunden, wobei "die primäre Wicklung 7 an die Speiseleitung 6 und die sekundäre Wicklung an die Schienen 2 und 3 gelegt ist, so daß ein Streckenstromkreis gebildet wird. Durch Einsetzen isolierter Schienenstöße 9 werden einzelne voneinander unabhängige Blockabschnitte hergestellt. Um nun das iSgnalsystem einwandfrei arbeiten lassen ευ können, muß man diesen Stromkreisen eine . 35 andere Periodenzahl geben als dem Arbeitsstrome. Es ist infolgedessen notwendig, besondere, getrennte elektrisch unabhängige Blockabschnitte anzuordnen, welche dem Kraftstrome ungehinderten Durchgang durch die folgenden Blockstrecken erlauben.

Die Einrichtung ist so getroffen, daß, wenn - ein Strom durch den Signalstromkreis des betreffenden Blockes fließt, hierdurch das Signal betätigt wird. Durchläuft ein.Zug die Strecke 2, 3, so ist das Signal für den aus der entgegengesetzten Richtung kommenden Zug auf Halt oder Gefahr gestellt. Um nun die obengenannten Bedingungen erfüllen zu können, ist jeder isolierte Schienenstoß 9 durch eine Leiteranlage 12 überbrückt, welche . Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist. Dieselbe besteht aus einem Leitungswiderstandselement 13, einem Kondensator, das hintereinander mit einem induktiven W-iderstände 14, einer Spule, an die Schienen zweier benachbarter Blockabschnitte angelegt ist. Hierzu wird parallel ein anderes Leitungswiderstandselement 15, ein Kondensator, geschaltet. ' '_
Um das Arbeiten der Einrichtung zu zeigen, sei vorausgesetzt, daß die Frequenz des Signalstromes größer ist als die Periodenzahl des Arbeitsstromes. Man gibt unter solchen Umständen dem Kraftstrom eine Fre- ■ .uenz von 25 und dem Signalstrom eine solche von 60 Perioden. Die elektrischen Konstanten der Reaktanzelemente 13 und 14 sind so eingestellt, daß der Kreis mitschwingt, wenn ein * Strom von 25 Perioden den Streckenstromkreis ι durchfließt. In diesem Augenblick wird die Reaktanz durch den Kondensator 15 -entweder gleich oder entgegengesetzt der durch die Induktionsspule 14 erzeugten Reaktanz gleich'"Null gemacht oder sie kann· vernachlässigt werden. Fließen Wechselströme -höherer Frequenz durch den Streckenstromkreis, dann überschreitet die Reaktanz" der Induktionsspule 14 wesentlich die des Kondensators 13, so !daß, infjolgedessen der die •Resonanzbedingungen für 25 Perioden liefernde. Stromkreis einem hohen induktiven Stromkreise gegenüber dem Stromdurchgange von 60 Perioden gleicht. Um das Fließen eines Stromes von 60 Perioden durch die Nebenschlüsse zu bewirken, die die isolierten Schienenstöße 9 überbrücken, ist der Kondensator 15 parallel zu den hintereinander geschalteten Elementen 13 und 14 gelegt. Die elektrischen Konstanten des Kondensators 15 sind so eingestellt, daß die Stromresonanzbedingungen in dem einerseits durch 13 und 14 und anderseits durch 15 gebildeten Lokalstromkreise hergestellt sind, wenn ein Wechselstrom von 60 Perioden verwandt wird. Der durch 2 und 3 gehende resultierende Strom kann vernachlässigt werden, weil die in dem vorerwähnten Lokalstrome hergestellten Sfromresonanzbedingungen die Signalströme zwischen zwei benachbarten Blockstrecken am Fließen verhindern. Sind die Elemente 13 1°° und 14 so eingestellt, daß sie bei einem Strom von 25 Perioden ansprechen, dann ist die elektromotorische Kraft, welche den Kondensator 15 beeinflußt, gleich Null. Infolgedessen muß das Arbeiten dieses Kondensators die Spannungsresonanzbedingungen in keiner Weise verändern. Werden jedoch die Elemente 13 und 14 durch Strom einer höheren Periodenzahl beeinflußt, so arbeiten sie entsprechend "einem'induktiven Reaktanzelemente, und indem man den aus 13 und 14 gebildeten Stromkreis mit dem Kondensator 15 zusammenschaltet, so erhält man Stromresonanzbedingungen nur im Wechselströme von 60 Perioden. Es ist daher augenschein- -lieh,. daß der Kraftstrom praktisch ungehindert" durch die . folgenden* Blockstrecken fließen kann, während die Signalströme gesperrt sind, wodurch dieselben elektrisch unabhängig voneinander gemacht wurden.

In Fig. 4 ist der isolierte Schienenstoß mit der Überbrückung durch die Spule 14 und die

beiden Kondensatoren 13 und 15 in etwas größerem Maßstabe dargestellt. Fig. 2 zeigt eine Ausfuhrungsform der Überbrückungseinrichtung. Ein magnetisierbarer Hauptkern to in Ringform ist mit einer primären Spule 17 und einer sekundären Spule 18 versehen. Ein Kondensator 19 ist im Nebenschluß zur primären Wicklung 17 gelegt, w'ah·- rend ein anderer Kondensator 20 mit der sekundären Wicklung 18 einen geschlossenen Stromkreis bildet. Magnetnebenschiüsse, Anker, 21 und 22 sind dem Kerne 16 benachbart. Es wird nun angenommen, daß der Kondensator 20 eine konstante Kapazität besitzt. Die innere Reaktanz des Transformators kann durch Vergrößerung oder Verkleinerung des Luftspaltes zwischen 16 und 2i und 16 und 22 so verändert werden, daß die Spannungsresonanzbedingungen in der primären Spule 17 einem Wechselstrome von 25 Perioden entsprechen. Die Kapazität des Kondensators 19 ist so gewählt, daß, wenn ein Wechselstrom von 60 Perioden durch die primäre Spule 17 fließt, die Stromresonanzbedingungen daselbst erlangt w erden, wodurch der. Fluß eines 60-Perioden-Stromes in den mit der Primärwicklung. 17. geschalteten Hauptleitungen verbunden ist.

Bei der Vergleichung der Figuren ist zu ersehen, daß der Kondensator 19 (Fig. 2) mit dem Kondensator' 15 (F%. 4) übereinstimmt, so daß der Kondensator 20 in Fig. 2 in Verbindung mit der sekundären Wicklung

18 übereinstimmt-mit dem Kondensator 13 in Fig. 4. Ähnlich stimmt die innere Reaktanz des Transformators (Fig. 2) mit derjenigen der Spule 14 in Fig. 4 überein. Fig. 3 ist eine andere Ausführung. Der Kondensator 19 ist mit einer auf den Kern aufgewickelten Wicklung 22 verbunden, - auf -welchen auch die Spule 17 aufgewickelt ist. Der Kondensator

19 kann in· Verbindung mit der' Sekundärspule 22 eine geringere Kapazität haben als der Kondensator 19 nach Fig. 2. Die Arbeitsweisen der 'Transformatoren nach Fig. 2 und3 sind die gleichem. Will man jedoch Spannungsresonanzbedingungen für einen Wechselstrom von hoher Wechselzahl und Stromresonanzbedingungen für geringe Frequenz schaffen, dann wird der Kondensator 19 der Fig. 3 durch eine Induktionsspüle 23 in Fig. 5 ersetzt. Indem man · die innere Reaktanz des Transformators, wie oben erwähnt, einstellt, können die SpannungsresOr nanzbedingungen in der primären Wicklung hergestellt werden, wenn ein Wechselstrom hoher Frequenz, z. B. von 60 Perioden, dieselbe durchfließt. Fließt aber ein .Wechselstrom niederer Frequenz, z. B. von 25 Pe- j

60. rioden, durch die primäre Wicklung 17, so j wird infolgedessen die induktive Reaktanz des ι Kondensators 20. überwiegen, -und es ist daher notwendig, um diesen Effekt auszuschalten, eine Induktionsspule vorzusehen. Hierfür wird die Induktionsspule 23 genommen, um die Stromresonanz in der primären Wicklung 17 herzustellen, wenn ein Strom von 25 Perioden durchfließt.

Die magnetischen Nebenschlüsse werden angewandt, um dien Verlu&t magnetischer Kraftlinien in bezug auf die primäre und sekundäre Wicklung des Transformators möglichst einzuschränken. Man kann den gleichen Erfolg auch auf anderem Wege erreichen. Um eine innere Reaktanz in dem Transformator ¹ZU erzielen, bringt man, wie Fi;g. 6 zeigt, in dem Hauptkern eirien Luftspalt an. In diesem Falle ist der Kondensator 20 mit der Sekundärwicklung 18 zu einem geschlossenen Stromkreise verbunden, welche auf den Schenkel 24 des Hauptkernes 1.6 aufgewickelt ist. Dieser Schenkel ist nicht geteilt, wohl aber der Schenkel 25, der den Luftspalt 26 aufweist.· Über die ganze Länge des gespaltenen" Schenkels 25 ist die primäre Spule. 17 und die sekundäre Wicklung 22 aufgebracht. Durch den Luftspalt entsteht eine wesentliche magnetische Streuung, welche die Verhältnisse in den Spulen 17,22 und 18 beeinflußt. Es versteht sich von selbst, daß. .die Breite des Spaltes 26 in allgemein bekannter " Weise verstellt werden kann, um die Einstellbarkeit der inneren Reaktanz des Transformators zu ermöglichen.

Die Erfindung kann bei einer Bahnanlage angewandt werden, bei welcher stromführende Schienen, eng benachbart, verlegt worden sind, wobei der in einer Schiene fließende Strom durch Induktion elektromotorische Kräfte in den Nachbarkreisen erzeugt.

In Fig. 7 ist eine Bahnanlage mit zwei Gleisen 27 und 28 dargestellt. Die Stromquelle, ein Einphasenwechselstromgenerator

29, gibt Strom an die beiden Oberleitungen

30, 30 ab. ■ Die Gleise enthalten eine Reihe isolierter Blockabschnitte, welche mit elektrischen Signalapparaten verbunden sind. Der . Blockabschnitt 31 mit der Streckenleitung 28 enthält eine Signaleinrichung 32, die mit dem Relais 35 verbünden ist, welche durch den Betriebsstrom von dem .Blockabschnitt 31 beeinflußt wird. Der Signalstrom mit 60 Perioden wird aus der Stromquelle 34 gespeist. Ein Streckentransformator 7 verbindet die Schienen des abgetrennten Blockabschnittes 31 mit der Signalstromleitung 6, welche parallel der Bahnanlage läuft. Die Wicklung 35 des Relais 33 ist an je eine Schiene jeden Gleises gelegt, und eine zweite Wicklung 36 ist im Transformator 37 aufgebracht,, dessen andere Wicklung, mit der Signalstromkreisleitung verbunden ist. Hierdurch wird die

Einrichtung befähigt,. das Signal auf »Frei« zu stellen. Durchläuft ein Zug 38 das Gleis 28, so ~ wird die Wicklung 35 des Relais stromlos-und das Signal fällt in'die Haltestellüng.

■ Infolge des Fließens des Betriebsstromes im Gleis 27 können ungleiche elektromotorische Kräfte im Gleis 28 erzeugt werden,' wodurch Strom durch die Wicklung 35 des Relais 33 fließen kann. Es ist daher wichtig, daß das Gleis 28 auf derselben Spännung erhalten wird, damit kein Strom durch Wicklung 35 des Relais 33 fließen kann. Die einzelnen Streckenabschnitte sind dadurch von-¹S einander getrennt, daß an diesen Stellen isolierte Schienenstöße eingesetzt sind. Dieselben sind durch die nachfolgend beschriebene Vorrichtung überbrückt. "An jedem Ende des Gleises ist zwischen den Schienen je eine Impedanzspule 39 und 40 (Fig. 7) eingelegt, deren Mitten durch _j eine Überbrük-• kungsleitung 41 verbunden sind. Diese Spulen 39 und 40 bilden die Primärspulen zweier Transformatoren, deren sekundäre Spulen mit 44 bezeichnet sind. Die Sekundärwicklung 42 (Fig. 8), welche magnetisch lose mit der primären Wicklung 40 verbunden ist, ist in dem gestrichelten Rechteck angedeutet, Diese Wicklung ist mit. dem Kondensator 43 verbünden. Die Spannüngsresonanzbedingungen können hinsichtlich der Periodenzahl des Betriebsstromes in der Primärwicklung 40 entstehen, wenn die Kapazität des Kondensators richtig gewählt worden ist. In 'derselben Weise werden, was den'25-Perioden-Strom anbetrifft, die Gleise 27 und 28 auf gleicher Spannung gehalten, wodurch ein Fließen des Signalstromes durch das Signalrelais dann verhindert wird. Um das Fließen desselben in anderer Richtung als durch die Wicklung 35 des Relais zu verhindern, wird eine Sekundärwicklung 44 angewandt, welche mit der Wicklung 40 eng magnetisch verbunden ist. Ein zweiter Kondensator 45 ist mit der Wick-'+5 lung 44 zu einem geschlossenen Stromkreise verbunden, dessen Kapazität so eingestellt ist, daß die Stromresonanzbedingungen hinsichtlich der Periodenzahl des Signalstromes in der primären Wicklung 40 entstehen können. Hierdurch ist ein Fließen der Signalströme zwischen den beiden Schienen auf einem anderem Wege als dem richtigen durch die_ Wicklung des Signalrelais 33 ausgeschlossen. Aus dem vorstehenden geht hervor, daß durch diese verbesserte Anordnung es möglich gemacht ist, daß der Betriebsstrom mit 60 Perioden ungehindert durch die primäre Wicklung 40 hindurchgeht. ' ! In den Fig. 8 und 9 sind, ähnlich der Fig. 5, j Abänderungen der Impedanzspulen vorgeführt. Der Magnetkern 46 bildet einen geschlossenen magnetischen Kraftlinienkreis. Auf dem einen Schenkel ist die primäre Wicklung¹ 40 aufgewickelt, auf die darüber die sekundäre Wicklung 44 gelegt ist. Der Kern dieses Transformators ist magnetisch kurzgeschlossen, während 'diese sekundäre Wicklung 44 durch den Kondensator 45 kurzgeischlossen ist. Auf den anderen Schenkel des Umformerkernes ist die Wicklung 42 aufgelegt, welche durch den Kondensator 43 geschlossen wird. Um die innere Reaktanz des Umformers sicher einzustellen, sind magnetische Nebenschlüsse 47 und 48 für die Kerne vorgesehen, auf welche die Wicklungen 40 und 44 einerseits und 42 anderseits aufgewickelt sind, Die zwischen diesen Kernen und den magnetischen Nebenschlüssen angeordneten Luftspalte 419 sind einstellbar und können so eingestellt werden, daß die innere Reaktanz des Umformers geändert :werden kann. Eine andere Methode zur Veränderung der inneren Reaktanz des Umformers wird durcK Fig. 9 dargestellt, in welcher in demjenigen Kernschenkel 6 des Umformers ⁸S .ein Luftspalt 50 vorgesehen ist, welcher die primäre Wicklung 40 Und die sekundäre Wicklung· 44 trägt. Die magnetischen Nebenschlüsse 47 und 48 können, zur Verbesserung der Wirkung außerdem auch hier angeordnet werden.

Claims (2)

1. Patent-Ansprüche:

   i. Elektrische Bahnanlage, bei der Wechselströme verschiedener Frequenz über die Fahrschienen zwecks Beeinflussung elektrischer Signal- und anderer Übertragunjgsvorrichtungen und zum An-

   , trieb von elektrischen Lokomotiven oder Zügen benutzt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Schienenabschnitte durch, eine Sehienenstoßüberbrückung verbunden sind, die aus einem Kondensator und einer mit diesem hintereinander, geschalteten Selbstinduktionsspule besteht, deren Verhältnis so gewählt ist, daß infolge von Spannungsresonanz ein Stromweg für Wechselströme einer bestimmten Frequenz gebildet wird, der zur Leitung für den Betriebsstrom der Lokomotiven oder Züge dient, und daß dieser Stromweg mit

   . einem zweiten Stromkreise der Sehienenstoßüberbrückung verbunden ist,, und daß dieser zweite Stromkreis einen Kondensator von solcher Kapazität enthält, daß er mit dem erstgenannten Stromkreis infolge von Stromresonanz einen Weg für Wechselströme einer anderen Frequenz zur Übertragung von Signalen u. dgl. bildet. ' _
2. 2. Ausführungsform der Impedanzanordnung nach Anspruch i, dadurch ge-

   kennzeichnet, daß ein Transformatorenkernglied (16", 46) eine primäre Wicklung (17, 40)-trägt und eine sekundäre(18,42), welche magnetisch lose mit der primären Wicklung (17,44) verbunden ist, und welche - einen Kondensator (20, 43) in Hintereinanderschaltung mit der genannten, sekundären Wicklung' hat, und einen Kondensator (19,45) in Parallelschaltung mit der primären Wicklung (17,40) oder zur' zweiten sekundären Wicklung (22, 44) hat, welche durch einen geschlossenen Magrietkreis mit der primären Wicklung verbunden sind.

   Hierzu ι Blatt Zeichnungen.