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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Elektroschienenfahrzeug, das mit einer Baueinheit für die elektrische Speisung versehen ist.
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Gewöhnlich wird ein solches Elektrofahrzeug, das eine Lokomotive oder aber ein Waggon sein kann, über eine Kettenfahrleitung versorgt, die eine Betriebswechselspannung liefert.
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Die Erfindung ist insbesondere auf ein solches Fahrzeug, das mit einer Last wie etwa einem Transformator sowie mit einer Baueinheit für die elektrische Speisung dieser Last von der Kettenfahrleitung aus versehen ist. Diese Versorgungseinheit umfasst in herkömmlicher Weise ein elektrisches Schaltgerät wie etwa einen Überlastschalter, der den Schutz der Wechselhochspannungsschaltungen des Schienenfahrzeugs gewährleistet.
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Bei einer solchen Anordnung bestehen jedoch bestimmte Nachteile. Es treten nämlich Ströme auf, deren zeitlicher Gradient sehr hoch ist. Beispielsweise werden im Fall einer Betriebswechselspannung von 50 Hz und 25 kV Ströme von 300 A in etwa 5 ns erzeugt. Sie erzeugen Störungen, die die korrekte Funktion der Ausrüstungen, die sich in der Nähe des elektronischen Schaltgeräts befinden, beispielsweise eine bordinterne Steuerelektronik, stören oder zumindest behindern können.
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Um alle diese Nachteile zu beseitigen, schlägt die Erfindung vor, ein Elektroschienenfahrzeug zu schaffen, das mit einer Baueinheit für die elektrische Speisung ausgerüstet ist, die nur zu geringen elektromagnetischen Störungen führt, so dass die Integrität der verschiedenen elektrischen und elektronischen Geräte, mit denen dieses Fahrzeug versehen ist, gewährleistet ist.
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Hierzu hat sie ein Elektroschienenfahrzeug gemäß Anspruch 1 zum Gegenstand.
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Diese Vorrichtung des ferritischen Typs für die Dämpfung von durch das Schalten bedingten Störungen ist beispielsweise aus
JP-A-1 086 425 und aus
JP-A-4 322 024 bekannt. In diesen Dokumenten ist eine solche Dämpfungsvorrichtung durch einen aus Ferrit hergestellten Zylinder gebildet, der um eine hinter dem elektrischen Schaltgerät befindliche Elektroleitung angeordnet ist. Dieser ferritische Zylinder verhält sich wie eine Induktivität, deren Wert mit der Frequenz des Stroms zunimmt.
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Auf Grund des Vorhandenseins metallischer Organe, die in der Nähe des die Kettenfahrleitung mit dem Überlastschalter verbindenden Leiters angeordnet sind, bildet sich in der Nähe des Dachs des Schienenfahrzeugs vor dem Schaltgerät eine parasitäre Kapazität. Zwischen dieser stromaufseitigen parasitären Kapazität und dem eigentlichen Schaltgerät wird eine Übertragungsleitung, die einen Leiter für elektromagnetische Wellen bildet, erzeugt.
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Wenn beim Schalten das Gerät geschlossen wird und dabei zwischen den beiden Elektroden dieses Geräts eine Spannung angelegt wird, wird in diesem Gerät ein Lichtbogen erzeugt. Unter bestimmten Umständen, insbesondere dann, wenn das Schalten dieses elektrischen Geräts auf dem Schalten einer Vakuumröhre beruht, ist dieser Lichtbogen äußerst instabil, d. h. er unterliegt vielen Unterbrechungen, gefolgt von entsprechenden Wiederaufbauphasen. Die Instabilitäten des Bogens entsprechen aufeinander folgenden Unterbrechungen und Wiederaufbauvorgängen, die die elektromagnetischen Störungen erzeugen, die den Ursprung der starken Stromgradienten bilden, welche die korrekte Funktion der in der Nähe des elektrischen Schaltgeräts befindlichen Ausrüstungen beschädigen oder behindern können.
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Auf Grund der Werte für die Frequenz, die Stärke und die Spannung, denen das Elektroschienenfahrzeug unterliegt, wird die Vorrichtung des ferritischen Typs für die Dämpfung von durch das Schalten bedingten Störungen in seinem ohmschen Teil und nicht in seinem induktiven Teil wie in den oben erwähnten japanischen Patentanmeldungen verwendet. Das Vorsehen einer solchen Störungsdämpfungsvorrichtung ermöglicht die Verringerung der großen Stromgradienten dI/dt, die beim Schließen des Überlastschalters erzeugt werden, vor allem dann, wenn diese Vorrichtung vor dem Schaltgerät angeordnet ist. Dies trägt nicht nur zur Modifikation der Stromoszillationen bei, sondern verhindert auch ihre Bildung, indem der Wert dI/dt, der diese Oszillationen erzeugen kann, verringert wird.
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Gemäß der Erfindung wird nicht versucht, einen großen Stromgradienten dI/dt, der im Voraus durch das Schaltgerät erzeugt wird, zu filtern, statt dessen wird dieses Gerät dazu gezwungen, weniger schnell zu schalten, indem auf den physikalischen Aufbau des Lichtbogens im Vakuum in der Röhre Einfluss genommen wird.
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Die Erfindung wird im Folgenden mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, die lediglich beispielhaft und nicht einschränkend angegeben werden und worin:
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1 ein Ersatzschaltbild ist, das ein Elektroschienenfahrzeug gemäß der Erfindung veranschaulicht, das mit einer Baueinheit für die elektrische Speisung versehen ist;
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2 eine Seitenansicht ist, die bestimmte Elemente der Baueinheit für die elektrische Speisung nach 1 genauer veranschaulicht;
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3 eine perspektivische Ansicht einer zu der Baueinheit für die elektrische Speisung der 1 und 2 gehörenden Vorrichtung für die Dämpfung von durch das Schalten bedingten Störungen ist;
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4 eine Teillängsschnittansicht der in 3 veranschaulichten Störungsdämpfungsvorrichtung ist;
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5 ein Schaltplan einer experimentellen Simulation im Labor des elektrischen Schaltgeräts nach 1 und seiner elektrischen Umgebung; und
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die 6, 7 und 8 Oszillogramme der einlassseitigen Spannung, der auslassseitigen Spannung und des Stroms für das in 5 simulierte elektrische Schaltgerät zeigen, das keine Störungsdämpfungsvorrichtung besitzt bzw. mit einer auf der Ausgangsseite des elektrischen Schaltgeräts angeordneten solchen Vorrichtung bzw. mit einer auf der Eingangsseite des elektrischen Schaltgeräts angeordneten solchen Vorrichtung versehen ist.
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1 zeigt ein Elektroschienenfahrzeug, d. h. eine Lokomotive, die als Ganzes mit dem Bezugszeichen 2 bezeichnet ist und auf mit dem Boden 6 verbundenen Schienen fahren kann.
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Diese Lokomotive 2 ist mit einem bordinternen Transformator 8 versehen, der von einer Kettenfahrleitung 10 über einen Scherenstromabnehmer 12 gespeist wird. Diese Kettenfahrleitung 10 bildet eine Energiequelle, während der Transformator mit dem nicht gezeigten Motor der Lokomotive verbunden ist.
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Zwischen dieser Kettenfahrleitung 10 und diesem Transformator 8 sind ein elektrisches Schaltgerät, das ein Überlastschalter 14 ist, sowie eine Vorrichtung 16 für die Dämpfung von durch das Schalten bedingten Störungen, die im Folgenden genauer beschrieben wird, eingefügt. Der Überlastschalter mit Vakuumröhre ist ein Gerät zum Koppeln und Schützen von Wechselhochspannungsschaltungen der Lokomotive. Die Dämpfungsvorrichtung 16 ist zwischen der Kettenfahrleitung 10 und dem Überlastschalter 14, und zwar vor diesem letzteren, angeordnet.
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Die gesamte elektrische Anlage auf dem Dach der Lokomotive 2, d. h. insbesondere die elektrischen Verbindungsleitungen zwischen den Dachausrüstungen dieser Lokomotive, bildet den Ort parasitärer Kapazitäten und parasitärer Induktivitäten, die allesamt Schaltungen des RLC-Typs sind, die beim Schalten des Überlastschalters erregt werden können.
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Die parasitären Kapazitäten sind in 1 durch äquivalente stromaufseitige Kapazitäten 18 bzw. stromabseitige Kapazitäten 20 in Bezug auf den Überlastschalter 14 dargestellt.
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Die parasitären Induktivitäten sind in 1, ebenfalls in Bezug auf den Überlastschalter 14, durch stromaufseitige Anschlussspulen 22 bzw. durch stromabseitige Anschlussspulen 24 dargestellt.
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Die Einfügung der Vorrichtung 16 ermöglicht zusammen mit dem Dach der Lokomotive die Verwirklichung einer Übertragungsleitung zwischen der stromaufseitigen Kapazität 18 und dem Überlastschalter 14 bei den Arbeitsfrequenzen der Lokomotive. Diese Übertragungsleitung verzögert die Übertragung von Ladungen zwischen der Kapazität 18 und dem Überlastschalter 14, wodurch die Anzahl der Ladungen, die für die Vakuumentladung verfügbar sind, verringert wird und der zeitabhängige Stromgradient verkleinert wird.
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Das Gehäuse der Lokomotive ist durch eine LC-Ersatzschaltung veranschaulicht, die in 1 mit dem Bezugszeichen 26 bezeichnet ist und die Resonanz der Metallstruktur der Lokomotive darstellt.
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2 zeigt genauer den Überlastschalter 14, der beispielsweise mit jenem übereinstimmt, der von der Firma ALSTOM TRANSPORT unter der Bezeichnung ACB 25-10 vertrieben wird.
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Der Überlastschalter ist in bekannter Weise auf dem Dach der Lokomotive 2 angeordnet.
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Er liegt auf einer Grundplatte 28 auf, wobei seine Steuerung durch eine Relaisplatine 30 sichergestellt ist. Mit dem Überlastschalter 14 ist ein Überspannungsableiter 32 verbunden, der sich von der Tragplatte 28 erstreckt. Diese Elemente sind von herkömmlicher Art.
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Die Störungsdämpfungsvorrichtung 16 ist an einem Isolator 34 montiert, der sich seinerseits auf der Platte 28 abstützt. Diese Vorrichtung 16 ist um ein Leiterelement 36, im vorliegenden Fall ein Kupferrohr, das zwei Anschlüsse, d. h. einen stromaufseitigen Anschluss 38 und einen stromabseitigen Anschluss 40, aufweist, gebildet. Der stromaufseitige Anschluss 38 ist über nicht gezeigte Mittel mit der Kettenfahrleitung 10 verbunden, während der stromabseitige Anschluss 40 über eine elektrische Verbindung 42 des Stromgeflechttyps mit dem Überlastschalter 14 verbunden ist.
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Wie genauer in 4 gezeigt ist, umfasst die Störungsdämpfungsvorrichtung 16 mehrere ringförmige Ferritelemente 44, 46, die im Folgenden genauer beschrieben werden. Die Gesamtheit dieser Elemente 44, 46 ist in einem isolierenden zylindrischen Gehäuse 48 untergebracht, das an seinen beiden Enden als Ganzes verschlossen ist und aus Glasfaser, Harz oder aber Epoxid hergestellt ist. Dieses Gehäuse 48 ist an einer U-förmigen Befestigungsplatte über zwei Bügel 52 befestigt. Die Befestigungsplatte 50 ist ihrerseits am obersten Punkt des Isolators 34 befestigt.
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Wie genauer in 4 gezeigt ist, sind die Ferritelemente paarweise so angeordnet, dass sie längs des Kupferrohrs 36 axial gestapelt sind. Jedes Paar Ferritelemente ist aus einem Niederfrequenzelement 44, das am äußeren Umfang des Kupferrohrs angeordnet ist, und aus einem ringförmigen Hochfrequenzelement 46, dessen innere Umfangsfläche in der Nähe des Niederfrequenzelements 44 angeordnet ist, gebildet.
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Das Gehäuse 48 umfasst zehn Paare Niederfrequenz- und Hochfrequenz-Ferritelemente, wovon in dieser Figur lediglich jene mit dem Bezugszeichen 44, 46 und 44A, 46A dargestellt sind.
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Im Folgenden werden die Begriffe Hochfrequenz- bzw. Niederfrequenz-Ferrit erläutert. Gewöhnlich ist ein Ferritelement durch seine relativen Permeabilitäten, die reale Permeabilität μ' bzw. die imaginäre Permeabilität μ'', gekennzeichnet. Nun nimmt μ'' mit der Frequenz zu, um bei einer so genannten Kappungsfrequenz ein Maximum anzunehmen, das nach Konvention mit fC bezeichnet wird, anschließend nimmt es stark ab. Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung werden die Ferritelemente 44, 44A ”niederfrequent” genannt, weil ihre Kappungsfrequenz unter jener der so genannten ”Hochfrequenz”-Elemente 46, 46A liegt. Die Kappungsfrequenz der Hochfrequenz-Ferritelemente liegt beispielsweise im Bereich von 5 bis 20 MHz, während die Kappungsfrequenz der Niederfrequenz-Ferritelemente beispielsweise im Bereich von 0,5 bis 5 MHz liegt.
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Ein Niederfrequenz-Ferritelement wird beispielsweise von der Firma Thomson CSF-LCC unter der Bezeichnung B1-T-63000A vertrieben, während ein Hochfrequenz-Ferritelement von der Firma Philips Components unter der Bezeichnung T107/65/253F4 vertrieben wird.
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Zwischen die gegenüberliegenden Oberflächen der Niederfrequenz- bzw. Hochfrequenz-Ferritelemente 44 bzw. 46 ist eine Folie 54 für den mechanischen Schutz eingefügt. Eine solche Folie ist beispielsweise aus Harz des Polyuretan-Typs hergestellt und wird von der Firma LVA unter der Bezeichnung DAMIVAL 13518AW00 vertrieben. Eine weitere Folie 56, die zu der Folie 54 analog ist, ist zwischen den äußeren Umfang des Hochfrequenzelements 46 und das Gehäuse 48 eingefügt.
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Die Erfindung ermöglicht, die oben genannten Ziele zu erreichen.
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Indem nämlich die gesamte elektrische Versorgung, mit der das Schienenfahrzeug ausgerüstet ist, mit einer Störungsdämpfungsvorrichtung des ferritischen Typs versehen wird, können die Störungen, denen die verschiedenen elektrischen und elektronischen Ausrüstungen dieses Schienenfahrzeugs unterliegen, deutlich verringert werden. Diese Verringerung ist ganz besonders erheblich in dem Fall, in dem diese Störungsdämpfungsvorrichtung vor dem elektrischen Schaltgerät angeordnet ist.
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5 zeigt einen im Labor verwirklichten experimentellen Aufbau, der in vereinfachter Weise jene Phänomene wiedergibt, die auf dem Dach der Lokomotive 2 von 1 vonstatten gehen.
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Der Überlastschalter 14, der für dieses Experiment verwendet wird, wird in seiner industriellen Konfiguration genutzt. Der Ersatzschaltplan dieses Überlastschalters ist aus zwei parasitären Kapazitäten, einer stromaufseitigen Kapazität 14A und einer stromabseitigen Kapazität 14B, die einen Wert von 40 pF bzw. 60 pF haben, aus einer Zwischenelektroden-Kapazität 14C mit variablem Wert und aus zwei Anschlussspulen 14D und 14E, deren Wert 0,4 μH beträgt, gebildet.
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Der Überlastschalter 14 wird mittels einer Gleichstromquelle 58 mit maximal 20 kV und 1 mA gespeist. Ein Lastwiderstand 60, dessen Wert gleich 10 MW beträgt, ist zwischen die Quelle 38 und den Überlastschalter 14 geschaltet. Der experimentelle Aufbau von 5 enthält auch die äquivalente stromaufseitige Kapazität mit einem Wert von 2 nF sowie die stromabseitige Anschlussspule 24 mit einem Wert von 25 μH.
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Bei 62 wird die Spannung direkt vor dem Überlastschalter 14, die im Folgenden mit ”Eingangsspannung” bezeichnet wird, gemessen. Außerdem wird bei 64 die Ausgangsspannung des Überlastschalters oder ”Ausgangsspannung” gemessen. Schließlich wird hinter der Spule 24 bei 66 der Strom gemessen.
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Sobald die Kapazität 18 geladen ist, wird das Schließen des Überlastschalters 14 ausgelöst. Ein solches Experiment wird zu einem ersten Zeitpunkt bei Abwesenheit jeglicher Vorrichtung für die Dämpfung von mit dem Schalten verbundenen Störungen ausgeführt, wobei die entsprechenden Ergebnisse in 6 festgehalten sind. Dann wird dieses Experiment ausgeführt, indem dem Überlastschalter 14 eine Störungsdämpfungsvorrichtung 16 wie mit Bezug auf die 3 und 4 beschrieben zugeordnet wird. Wenn die Vorrichtung 16 hinter dem Überlastschalter 14 angeordnet ist, wie dies in 5 in Strichlinien dargestellt ist, sind die entsprechenden Ergebnisse in 7 festgehalten. 8 entspricht den Ergebnissen des Experiments, das mit einer Störungsdämpfungsvorrichtung vor dem Überlastschalter 14, also gemäß der Erfindung, ausgeführt wird, wie in 5 in Strichpunktlinien dargestellt ist.
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In jeder der 6 bis 8 ist die Zeit auf der Abszisse in einem Maßstab von 20 ns/pro Karo aufgetragen. Auf der Ordinate sind von oben nach unten die Eingangsspannung, die in den 6, 7 und 8 mit den Bezugszeichen 72A, 72B bzw. 72C bezeichnet ist, dann die Ausgangsspannung, die in den 6, 7 und 8 mit den Bezugszeichen 74A, 74B bzw. 74C bezeichnet ist, und schließlich der Strom im Überlastschalter, der in den 6, 7 und 8 mit den Bezugszeichen 76A, 76B bzw. 76C bezeichnet ist, aufgetragen.
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Der Maßstab der Eingangsspannungen 72 ist 2000 Volt/Karo, jener der Ausgangsspannung 74 ist 1000 Volt/Karo und jener der Ströme 76 ist 4 A/Karo.
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Mit Bezug auf 6 ist festzustellen, dass der Strom 76A vor dem Schalten zunächst null ist und dann bei 78 unter der Wirkung des Schließens des Überlastschalters ansteigt, was die Bildung eines instabilen Lichtbogens nach sich zieht. Dadurch wird die Erzeugung von entsprechenden Anstiegsflanken 80 und 82 auf den Eingangsspannungspegel 72A bzw. auf den Ausgangsspannungspegel 74A hervorgerufen. Anschließend steigt der Strom noch immer mit einem sehr unregelmäßigen Profil an, woraufhin er abfällt, bis er bei 84 seinen anfänglichen Wert null erreicht. Dadurch werden bei 86 und 88 der jeweiligen Eingangsspannung 72A bzw. Ausgangsspannung 74A große Schwankungen hervorgerufen, die mit einem aufeinander folgenden Unterbrechen und Wiederaufbauen des Lichtbogens in Beziehung stehen.
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Der Strom 76A beschreibt dann eine Sinusform, die mit der Resonanzfrequenz der LC-Schaltung 18, 24 von 5 in Beziehung steht, anschließend kehrt er bei 90 zu seinem Anfangswert null zurück, wodurch zwei zusätzliche Schwankungen bei 92 und 94 der Eingangsspannung 72A bzw. der Ausgangsspannung 74A hervorgerufen werden.
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Wenn nun auf 7 Bezug genommen wird, ist festzustellen, dass der Strom 76B ein regelmäßigeres Profil als der Strom 76A in 6 besitzt. Es sind jedoch erhebliche zeitliche Schwankungen dieses Stroms festzustellen. Insbesondere ist bei 96 eine starke Zunahme des Stroms auf Grund des Schließens des Überlastschalters festzustellen. Sie hat ihren Ursprung in Anstiegsflanken 98, 100 zu dem Eingangsspannungspegel 72B bzw. zu dem Ausgangsspannungspegel 74B. Daher sind große Strom- und Spannungsgradienten vorhanden, die Störungen für die bordinterne Elektronik verursachen.
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Schließlich wird auf 8 Bezug genommen, wo die Störungsdämpfungsvorrichtung auf der Eingangsseite des Überlastschalters 14 vorgesehen ist und der Strom 76C ein deutlich regelmäßigeres Profil als der Strom 76B, der bei Anordnung dieser Vorrichtung 16 am Ausgang des Überlastschalters 14 erhalten wird, besitzt. Lediglich die Anstiegsflanke 102 der Ausgangsspannung 74C bleibt groß.
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Aus dem Vergleich der 6 bis 8 ergibt sich, dass die Verwendung der Störungsdämpfungsvorrichtung 16 ermöglicht, einen Strom 76 sowie eine Eingangsspannung 72 und eine Ausgangsspannung 74 zu erhalten, die deutlich regelmäßiger als bei Abwesenheit einer solchen Vorrichtung 16 sind, insbesondere in den Fall, in dem diese Vorrichtung 16 vor dem Überlastschalter 14 angeordnet ist. Dies ist besonders vorteilhaft, weil es die Begrenzung der Resonanzeffekte der Schaltungen auf dem Dach der Lokomotive begrenzt.
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Die Tatsache, dass mehrere Ferritelemente verwendet werden, ist ebenfalls vorteilhaft. Die Ferrite sättigen nämlich in dem Maß, in dem der Strom ansteigt. Die Verwendung mehrerer Ferritelemente, deren Permeabilitäten μ'' sich addieren, ermöglicht, der damit ausgerüsteten Störungsunterdrückungsvorrichtung sogar für hohe Stromwerte eine zufrieden stellende Wirksamkeit zu verleihen.
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Außerdem ist es vorteilhaft, die Ferritelemente paarweise zu verteilen, wobei jedes Paar aus Elementen aufgebaut ist, deren Kappungsfrequenzen unterschiedlich sind. Dies ermöglicht eine optimale Abtastung aller beim Schließen des Überlastschalters erzeugten Frequenzen. Mit zunehmender Frequenz ist nämlich zunächst das Niederfrequenz-Ferritelement wirksam, anschließend wirkt das Hochfrequenz-Ferritelement als Relais für die höheren Frequenzen.
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Die Verwendung von ineinander verschachtelten, ringförmigen Ferritelementen gewährleistet eine hohe Kompaktheit der gesamten Störungsunterdrückungsvorrichtung. Das Vorsehen des Hochfrequenz-Ferritelements am äußeren Umfang des Niederfrequenz-Ferritelements ist vorteilhaft in dem Maß, in dem dieses Hochfrequenzelement bei verhältnismäßig geringen Strömen sättigt, während bei dem Niederfrequenzelement diese Sättigung bei höheren Stromwerten erfolgt. Bei einer solchen Anordnung ist das Hochfrequenzelement in einem Abstand vom Mittelleiter angeordnet, so dass es geringeren Magnetfeldern unterliegt, die seine Sättigung nur in einem geringeren Maß zur Folge haben.
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Die obige Beschreibung ist mit Bezug auf eine Lokomotive gegeben worden, die Erfindung kann jedoch auf jegliches Elektroschienenfahrzeug wie beispielsweise einen Triebwagen, einen Motortriebwagen oder einen Waggon angewendet werden.
