EP2720513A1 - Inductive heating device for points and/or rails - Google Patents
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- EP2720513A1 EP2720513A1 EP12007123.8A EP12007123A EP2720513A1 EP 2720513 A1 EP2720513 A1 EP 2720513A1 EP 12007123 A EP12007123 A EP 12007123A EP 2720513 A1 EP2720513 A1 EP 2720513A1
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- H05B6/02—Induction heating
- H05B6/10—Induction heating apparatus, other than furnaces, for specific applications
- H05B6/101—Induction heating apparatus, other than furnaces, for specific applications for local heating of metal pieces
Definitions
- the invention relates to an inductive point and / or rail heating device comprising a generator powered by an AC voltage source which supplies via a line connection at least one at least one induction coil, provided for attachment to the rail or to the switch inductor with alternating current, due to the with AC induction coil of the inductor in the rail or in the switch by electromagnetic induction, a current is induced, which heats the rail or the switch, according to the preamble of claim 1.
- the invention according to claim 20 also relates to a rail network for rail vehicles, including at least one rail and / or a switch, which includes an inductive point and / or rail heating device.
- Switch and / or rail heating device serve to keep at least a portion of a rail or a rail track consisting of two parallel rails and / or a switch free of ice and snow, in order to avoid ice formation on surfaces of rails or points generally or freezing to prevent moving elements of a switch.
- switch and / or rail heating devices for example according to US Pat. No. 6,727,470 B2 , which work on the basis of resistance elements (heating cartridges), which are based on the principle of ohmic power generation by electrical resistance. Due to this principle of operation, however, a relatively high electrical power is necessary.
- the surface temperatures of rails or points heated by such switch or rail heating devices reach relatively high levels. However, only a small portion of the heat generated by the heating cartridges is transferred to the rail or to the switch. The larger remainder, however, is released into the environment via radiation in the infrared range. However, a large proportion of the energy used is lost.
- Inductive point and / or rail heating devices use effects of electromagnetic induction, which are induced by Kirbestromung one or more coils of an inductor in the rail or switch electrical currents through which heat the rail or switch in question and thus free of ice and snow or keep free.
- a generic inductive point and / or rail heating for example, from DE 43 38 750 A1 known.
- a generator is used, which generates only one in its frequency invariable, especially high-frequency alternating current for the inductor, which is formed by holes in the side walls of rails extending simple wire turn.
- the invention has the object of providing an inductive Weichen- and / or rail heating device of the type mentioned in such a way that it is easily adaptable to the dimensions of the rail / switch to be heated and also ensures high efficiency.
- a rail network for rail vehicles including at least one rail and / or a switch to be further developed so that in a simple and cost-effective manner ice or snow on rails and / or switches is prevented
- the invention is based on the principle of electromagnetic induction, wherein in the environment of a conductor through which an alternating current flows, in particular conduction wire windings of an inductor, an electromagnetic field arises, which in other electrical conductors, in this case a rail or switch or switch components, which are located inside this Electromagnetic field or are detected by the magnetic field lines of this electromagnetic field, causing electrical currents. These induced in the rail or in the turnout components currents cause heating of the rail or the switch components. It is the well-known transformer principle.
- a control device or a regulating device for controlling or regulating the electric power of the generator by varying the frequency and / or the pulse width of the alternating current fed into the at least one inductor.
- This control or regulation takes place at least during operation of the inductive point and / or rail heating, optionally also before commissioning of the inductive point and / or rail heating by presetting the frequency and / or the pulse width by corresponding variable setting at least one of these Sizes provided for.
- the operating parameters frequency and / or pulse width of the generator controlled and fed into the at least one inductor alternating current to the respective inductor or to the respective inductors in terms of their installation position, number and size are customizable.
- a control by the control device can be done, for example, by a purely manual input of frequency and / or pulse width or even map-dependent, i.
- a certain measured ambient temperature or measured rail / switch temperature is assigned a specific value for the frequency and / or for the pulse width.
- the frequency is preferably set lower by the control or regulation, the greater the length of the rail / turnout components to be heated or the length of the induction coils of the inductors used and possibly also of the connecting lines of the inductors with each other or to the generator.
- the frequency therefore serves to adapt the power of the generator to the total inductance of the electrical circuit and thus to the length of the induction coils.
- the shorter the length of the rail to be heated or the switch components or the length of the inductors of the inductors and optionally the connecting lines of the inductors with each other or to the generator the higher the frequency of the exciter AC to set to a higher To generate a desired temperature in the rail or in the switch components necessary magnetic field and thus have the necessary induction current in the rail or in the points components available.
- the device according to the invention makes it possible to simultaneously provide control or regulation of the electromagnetic fields generated by the inductors.
- pulses can be generated.
- combinations of stationary magnetic fields and pulses can be displayed.
- the inductors are preferably attached to the rails or switch components so that the generated electromagnetic fields and thus also the induced currents are concentrated on the area to be heated. This concentration can be enhanced by changing polarity and / or attachment on both sides.
- the generator is controlled or regulated by the control device or the regulating device such that the frequency of the alternating current fed into the at least one inductor can be varied or set within a range of 5 kHz to 15 kHz. It has been found that a particularly high efficiency is achieved in this medium-frequency range.
- the generator is formed without a resonant circuit or without a resonant circuit. This simplifies the construction of the generator.
- control device or the regulating device includes at least one microprocessor which varies or adjusts the frequency and / or the pulse width of the alternating current fed into the at least one inductor via drivers.
- the control device or the regulating device may further include an operating device, via which operating parameters of the generator can be set by the microprocessor.
- Algorithms for controlling or regulating the power of the generator by varying the pulse width and / or frequency of the alternating current fed into the at least one inductor may be implemented in the microprocessor, the control or regulation of the power of the generator being dependent on at least one reference variable.
- the at least one reference variable for the control or regulation of the power of the generator preferably includes at least the ambient temperature or the rail / switch temperature, each alone or in combination with the humidity.
- At least one sensor for measuring the reference variable is provided and signal-connected to the microprocessor.
- microprocessor different algorithms for the control or regulation of the microprocessor can be used in the microprocessor, starting from an average temperature which represents a middle of the range between the upper temperature limit and the lower temperature limit, either in the direction of the upper temperature limit value or in the direction of the lower temperature limit value Power of the generator to be implemented.
- the control device may include, for example, a P-controller, a PI controller or a PID controller.
- At least one display can be provided for displaying operating parameters.
- the operating parameters preferably include the pulse width and / or frequency of the alternating current fed into the at least one inductor and / or the upper temperature limit value and the lower temperature limit value and / or the average temperature.
- the at least one inductor is preferably plate-shaped, with a small thickness relative to the dimension of its side surfaces.
- the windings of the induction coil of the at least one inductor are preferably arranged in a single plane.
- the turns of the conductor wire of the induction coil or the induction coil of the at least one inductor are, for example, in or received by a plate-shaped support body, which with one of its side faces to Attachment is provided on an inner side surface or on an outer side surface of a rail.
- the inductors can be connected in the electrical circuit (serial or parallel) in such a way that their magnetic fields extend in the same direction.
- inductors arranged adjacently in the electrical circuit or on a rail or switch part can be connected in such a way that their magnetic fields have opposite directions.
- adjacent to a rail or a turnout arranged inductors in the electrical circuit may be connected such that their magnetic polarity alternates.
- the at least one inductor may be fastened to the rail by means of a fastening device, the fastening device and the inductor preferably being interposed between at least one shielding body of electrically nonconductive but magnetically conductive material such as ferrite.
- the at least one inductor is preferably attachable to the rail by means of an L-shaped bracket, wherein the L-shaped bracket has a first leg at least partially encompassing a rail and a second leg holding the inductor on a side surface of the rail, wherein the second leg Clamp and the inductor at least one shielding body of electrically non-conductive, but magnetically conductive material such as ferrite is interposed.
- the generator is controlled in accordance with a start module such that after switching on the generator, the pulse width increases at a constant frequency starting from a start value for the pulse width over a certain period ramped to a relative to a continuous power value of the generator pulse width higher value, then for a another period of time is kept constant at this increased value and, after the expiry of the further period of time, is reduced to the pulse width corresponding to the continuous power value of the generator.
- a start module such that after switching on the generator, the pulse width increases at a constant frequency starting from a start value for the pulse width over a certain period ramped to a relative to a continuous power value of the generator pulse width higher value, then for a another period of time is kept constant at this increased value and, after the expiry of the further period of time, is reduced to the pulse width corresponding to the continuous power value of the generator.
- the invention also encompasses a rail network with at least one rail and / or a switch which includes an inductive point and / or rail heating device as described above.
- at least one inductor is preferably arranged on one or both side faces of at least one rail, wherein the at least one inductor is preferably arranged in a rail section located in the region of a switch.
- FIG. 2 illustrates a schematic plan view of an inductive point and / or rail heating device 1 according to a preferred embodiment of the invention.
- This device includes an electrical generator 2, which is supplied with alternating current, for example, from a standard 50 Hz alternating current network.
- the generator 2 is part of an electrical circuit 4, which preferably includes series-connected inductors 6.
- the inductors 6 are preferably each arranged on an outer side surface 12 of two parallel rails 8 in the region of a switch 10, like in particular Fig.1 . Fig.2 and Figure 4 evident. Alternatively, the inductors 6 may also be arranged both on the inner side surface 14 of the rails 8 and on the outer side surfaces 12 of the rails 8, as in FIG Fig.2 is indicated. In the present case, the mobility of the switch 10 is obtained by heating two parallel rails 8 of a rail track in the region of the switch 10 through the inductive switchpoint and / or rail heating device 1 even at low temperatures or risk of icing. Alternatively or additionally, but also parts components of the switch 10 could be heated.
- the rails 8 12 and / or 14 inductors 6 are preferably attached to the side surfaces thereof.
- the side surfaces 12, 14 are preferably side surfaces of a rail middle part 16, which seen in vertical direction or in cross section between a lower rail foot 18, which rests mostly on a sill and an upper rail head 20, on which the running and flanges of the wheels Roll off rail vehicles and also be guided laterally.
- the inductors 6 are preferably plate-shaped, that is to say they have a relatively small thickness measured on the dimension or extent of their side surfaces.
- the inductors 6 are arranged, for example, equidistantly with respect to the length of the rail or the rails 8 on their side surfaces 12, 14.
- the inductors 6 are preferably connected to one another in series by electrical connection lines 22 of the electrical circuit 4.
- such an inductor 8 includes an induction coil 56 with turns 24 of a conductor wire, which are arranged within a single plane, in particular in the plane of the plate.
- the windings 24 are preferably cast in a plate-shaped carrier body 26, for example, wherein in each case one end of the conductor wire of the turns 24 protrudes from the shaped body 26 in order to be connected to the electric circuit 4 and to close the electric circuit 4.
- the plane of the turns 24 of the conductor wire of the induction coil 56 is arranged substantially parallel to the associated side surface 12 or 14 of the rail 8.
- a magnetic field 28 which also detects the relevant, electrically conductive rail 8 and penetrates into this preferably substantially perpendicular to the side surface 12 and / or 14 in order to induce a current there by induction.
- the inductor 6 is preferably arranged such that the magnetic flux or the magnetic field lines 28 generated by its induction coil 24 are preferably perpendicular to a surface 12 or 14 of a rail 8 or a switch component of a switch 10 (FIG. Figure 6 ).
- the current induced in the rail 8 causes heating of the rail 8 in the region of the switch 10.
- the heating of the rail or of the rails 8 in the region of the switch 10 causes no ice between the rails and the guides of the switch for the rails. or snow layer, which could block movement of the rails 8 moved by the switch 10.
- switch components of the switch 10 could be inductively heated by inductors 6, which are arranged accordingly, so that the magnetic field lines can penetrate approximately perpendicular to surfaces of the switch components, where the inductors 6 are arranged.
- the magnetic field generator is therefore preferably composed of a plurality of individual inductors 6 preferably connected in series, each having an identical or different length of conductor wire or identical or different physical properties with respect to its conductor wire (inductance, material, diameter, number of turns 24, etc.). ).
- the individual inductors 6 in the electrical circuit 4 are preferably connected in series.
- the individual inductors 6 can be optimally adapted to the local rail conditions by producing them in variable lengths relative to the rail longitudinal direction. You can also be seen overlapping attached left side and right side of the rail in question 8, then seen in particular in the longitudinal direction of the rail 8.
- the inductors 6 can be connected in the electrical circuit 4 so that they generate the magnetic field not only in the same direction preferably perpendicular to the side surface 12, 14 of the rail 8, but for example in the opposite direction, but again preferably perpendicular to the side surface 12th , 14 of the rail 8.
- inductors 6 are preferably connected in such a way in the electric circuit 4 (serial or parallel) that their magnetic fields in the same direction, there each symbolized by the "+" in a circle.
- Figure 18 shows, however, an embodiment in which two in the electrical circuit 4 adjacent arranged inductors 6 generate magnetic fields opposite directions, which symbolizes there by the "+” in the circle or the "-” in the circle becomes.
- the inductors 6 so interconnected in the electrical circuit 4, that along a rail 8 their magnetic polarity alternates.
- the opposite polarity of the inductors 6 results in higher temperatures in the rails 8, so that this measure brings a further energy savings.
- the inductors 6 are preferably attached laterally to the rails 8 with an outer surface of their carrier body 26 directly or with a minimum distance.
- the carrier body 26 carrying the windings 24 of the conductor wire may be shaped such that its side surface facing the side surface 12, or 14 of the relevant rail conforms seamlessly to the side surface 12 or 14 of the rail 8.
- the intrinsic heat of the inductors 6 is transmitted in this way directly to the rails 8 by contacting heat transfer, wherein the inductors 6 are also cooled by rails 8.
- the attachment of the inductors 6 to the rails 8 by any fastening devices, preferably by screws, gluing, permanent magnets or by mechanical clamping systems.
- the attachment of the inductors 6 to the rails 8 must be designed so that it is sufficiently resistant to the weather and mechanical stress such as vibrations.
- the first leg 32 engages around the rail 18 from below.
- the second leg 34 then exerts a lateral bias on the inductor 6, so that it is urged against the side surface 12 and 14 of the rail 8.
- the second leg 34 of such a clip 30 may be formed such that the ends of the second leg 34 each bent on the end faces of the plate-shaped inductors attack 6 and thereby fix them in the vertical direction.
- the second leg 34 may also have a convex bulge 36 seen from the inductor 6 to contact the inductor 6 and a shielding body 38, so that a lateral contact force is exerted on the inductor 6 and the shielding body 38, which first leg 32 is then supported on the rail 18.
- the bracket 30 is then in the cross section of Figure 4 seen burdened on bending.
- the clip 30 is preferably made of an electrically conductive metal.
- the second leg 34 of the bracket 30 and the inductor 6 at least one preferably plate-shaped shielding body 38 of electrically non-conductive, but magnetically conductive material such as ferrite interposed.
- This shielding body 38 ensures that the clamp 30 is not heated when the windings 24 of the inductor 6 are traversed by alternating current. In order to prevent or at least limit heating of the clamp 30, it is therefore preferably shielded by a ferromagnetic and non-conductive shielding body 38 from the primary electromagnetic fields.
- the operating parameters frequency and / or pulse width of the generator 2 are manually adjustable
- adjusting means 42 for manually and separately adjusting the frequency and / or the pulse width of the fed into the electric circuit 4 and in particular in the inductors 6 alternating current.
- both the frequency and the pulse width of the excitation alternating current can be varied here by the adjustment means.
- only one of these operating variables or parameters could be varied.
- FIG 8a schematically illustrates controls the control device 40 with the adjustment means 42, the set values for the frequency and / or the pulse width in a microprocessor 44, which in turn controls the generator 2, which then sets the said variables in the electrical circuit via drivers.
- a display 46 may be present on which the set values for frequency and pulse width can be displayed.
- the manual adjustment of the frequency and / or the pulse width can of course be done before the operation of the device 1 or even during operation.
- the microprocessor 44 could also regulate the pulse width and / or the frequency of the excitation alternating current controlled by the generator 2 as a function of at least one reference variable such as the ambient temperature or the rail / switch temperature or else depending on one of these temperatures in combination with the air humidity. It is conceivable as an additional reference variable also a detection of other environmental parameters such as snowfall. Humidity or snowfall are important because they have an influence on the formation of ice near switches.
- a corresponding sensor 48 is provided, which in Figure 8a is symbolized by a symbolized in dotted line signal line 48 to the generator 2 to symbolize in this regulated embodiment, the sensor 48 as compared to a control or manual adjustment of the power of the generator 2 additional assembly.
- the sensor system 48 comprises at least one ambient temperature sensor for measuring the ambient temperature and / or at least one temperature sensor installed on the rail / switch 8, 10 (measuring the temperature of at least one rail 8 or switch components in the region of a switch 10), temperature signals be controlled for the actual ambient temperature or for the actual rail / switch temperature in the microprocessor 44, in which the control or regulating algorithms are implemented.
- the power control of the generator 2 is preferably accomplished by a continuous change of the pulse width. It is also possible to perform the power control by frequency modulation. However, then the efficiency is slightly worse.
- FIG.5.1 An example of a power control process is in Fig.5.1 represented where the electrical power of the generator 2 (in kW), which is proportional to the pulse width, depending on the ambient temperature (in ° C) is shown.
- the power output of the generator 2 is hereby controlled in a linear manner between two freely adjustable ambient temperature limit values as a function of a reference variable, here for example the ambient temperature, namely between a lower temperature limit value (here -15 ° C.) and an upper temperature limit value (here, for example + 5 ° C) for the ambient temperature.
- the ambient temperature is less than or equal to the lower temperature limit Tu (here, for example, -15 ° C.) or greater than the upper temperature limit To (here, for example, + 5 ° C.), then a constant but different electrical output or pulse width is set. For example, between the two temperature limits To and Tu the power output or the change of the pulse width runs linearly dependent on the reference variable (P-controller).
- Fig.5.2 and Fig.5.3 illustrated mode can be a mean temperature Tav (here, for example -5 ° C), which are used exactly in the middle of the range between the upper temperature limit To (here, for example, + 5 ° C) and the lower temperature limit Tu (here, for example, -15 ° C).
- the abscissa is again the ambient temperature and the ordinate is the electric power of the generator 2 (in kW).
- different control algorithms for the output of the generator 2 are set depending on the change of the ambient temperature from the average temperature Tav to either the upper temperature limit To or the lower temperature limit Tu.
- the lower and upper temperature limits To, Tu as well as the average temperature Tav can be entered. These are empirical values, but these can be adapted to local circumstances if necessary.
- All control operations can be linear (P control). But it is also possible to perform the control operations as PI or PID control or to combine with each other. Consequently, any control algorithms are possible.
- Fig.5.1 is a P-control realized in which a linear range between the upper temperature limit To (here: + 5 ° C) and the lower temperature limit Tu (here: -15 ° C) is present.
- the generator 2 operates with a constant minimum power output, the pulse width can be lowered to zero.
- the generator 2 operates at maximum electrical power.
- the correction factor indicates a percentage of the power output per ° C set for the average temperature Tav.
- the regulation then refers to the average temperature Tav and changes the power output eg between zero and maximum permissible electrical power.
- the power of the generator 2 is controlled by means of the microprocessor 44 by changing the pulse width and / or the frequency of the excitation alternating current driven by the generator 2 as a function of the ambient temperature and / or of the rail / switch temperature according to at least one predetermined characteristic diagram , These temperatures are in turn reported by corresponding sensors to the microprocessor 44, in which the map is stored.
- the output of electrical energy for example, over the pulse width of the exciter AC current according to a specific algorithm, for example linear as in Fig.5.1 controlled.
- a specific algorithm for example linear as in Fig.5.1 controlled.
- the output by the generator 2 electrical power is driven by controlling the pulse width to zero, at -15 ° C and less, however, the maximum electric power is set on the generator 2, as well as in Fig.5.1 shown.
- the frequency of the excitation alternating current is furthermore freely adjustable with regard to the physical properties of the inductors 6.
- the height of the induced currents is dependent on frequency and field strength.
- the field strength is directly proportional to the excitation alternating current flowing through the inductor 6 or the inductors 6 given the prevailing conditions.
- the optimum for the energy transfer, in particular for the value of the frequency of the excitation alternating current is therefore determined by the physical properties of the inductor 6 or the inductors 6. It was found that a particularly high efficiency in a medium frequency range of 5 kHz to 15 kHz is achieved.
- the electrical energy requirement of the device is then on average below 250 W / m, which is approximately a magnetic field strength H of 200 A / m. This value is dependent on the inductor, it can also be less than 100 A / m).
- the temperature increase dT in the rail 8 / switch 10 with a constant supply of electrical energy is about 20 K.
- the inductive point and / or rail heating device 1 is remotely switched on or off, for example, from a railroad station, in which case an operation, for example, with previously set constant operating parameters (frequency, pulse width), with map control during operation or manually varied operating parameters (frequency, pulse width) as well as regulated is possible.
- the inductive point and / or rail heating device 1 is operated continuously over a given heating period (eg from October to March of each year in the northern hemisphere) with constant adjusted electrical power, with variable manual or map-controlled power or with regulated power ,
- the electrical power of the generator 2 since the temperature rise rate in the rail 8 / turnout 10 depends directly on the output electrical line of the generator 2, the electrical power of the generator 2 according to another mode immediately after switching on the generator 2 or immediately after activation of the device 1 for a certain Increased time span and then driven back to an operating value. If the microprocessor controlling the generator 2 is operating in control mode, control is suspended for that period of time. However, the control can also be set so that this mode automatically adjusts after switching on the device 1 or the generator 2.
- the inductors 6 are preferably excited only by periodic oscillation functions of the excitation alternating current.
- symmetrical trapezoidal current pulses are preferably generated with freely adjustable ratio between a dynamic and a static component.
- the operating device 40 which controls the microprocessor 44, one can choose between modes of a constant mode, a frequency mode, a pulse width mode and a magnetic flux mode combining the frequency mode and the pulse width mode.
- These operating modes or modes of the generator 2 are stored as control software in the microprocessor 44 and can be adjusted via the operating device 40.
- the implemented in the microprocessor 44 control software for the generator 2 for generating alternating magnetic fields preferably includes a combination of higher frequencies, preferably frequencies in the kHz range, with a superimposed modulation in the low-frequency range such that preferably only swing or change functions (and thus no Pulse or pulse functions) with a rectangular voltage curve and trapezoidal current waveform arise.
- the higher-order modulation is preferably in a range between 0.1 to 10 Hz.
- a range between 0 Hz (no alternating field) and 50 Hz if a continuity at frequencies higher 10 Hz can be represented.
- the frequency values are changed according to the clock of the microprocessor 44, for example a thousand times per second.
- the frequency as well as the pulse width of the exciting alternating current are kept constant.
- the frequency of the excitation alternating current is continuously changed while the pulse width remains constant.
- a continuous frequency change can be realized favorably in a control software.
- the pulse width of the excitation alternating current is continuously changed while the frequency of the excitation alternating current remains constant.
- the continuous pulse width change for example, for example by means of MOSFETs or IGBTs, these can advantageously operate in low-loss switching operation.
- the information to be displayed is contained in a continuous pulse width ratio instead of in a binary manner.
- a third mode of the generator 2 which is a combination of the first and second modes, wherein both the frequency and the pulse width of the excitation alternating current are continuously changed.
- This third operating mode particularly advantageously combines the advantages of the continuous pulse width change and the continuous frequency change.
- both the frequency and the pulse width are continuously preferably changed such that the magnetic flux remains constant.
- the generator control in the microprocessor 44 is constructed so that said modes are freely programmable and storable.
- the output stage 52 of the generator 2 operates with a voltage intermediate circuit and is, as in 8B shown, preferably exclusively connected as H-bridge.
- the power elements such as MOSFETs or IGBTs, are in 8B shown as switch 54 with associated freewheeling diodes. This circuit allows the utilization of the energy stored in the induction coils 56 for the generation of trapezoidal pulses without additional frequency or pulse width modulation.
- the time relationship between a dynamic and a static profile of the inductor 6 adjusting magnetic field is freely adjustable. Due to the different effects of dynamic and static magnetic fields, a desired overall effect can thereby be tuned. With electroconductive loads there are no static courses, with ferromagnetic loads they are impossible, with paramagnetic or diamagnetic loads they are transfer-dependent, the more is induced the farther is the "statics".
- limit values for all operating modes are freely adjustable. This ensures that application-related limit values can be reliably met.
- time constants required for the individual operating modes are all freely adjustable. This improves the controllability of the generator 2 and thus of the electromagnetic field to be generated.
- the first, second and third operating modes preferably have signal waveforms with a variable period number. This also advantageously improves the controllability of the electromagnetic field to be generated.
- the first, second and third modes may include constant period waveforms. This also advantageously improves the controllability of the electromagnetic field to be generated.
- a frequency and / or pulse width modulation is performed for the power control or power control of the generator 2.
- the generator power is set, controlled or regulated by varying the pulse width PW at a constant frequency f.
- the diagram of Figure 16 shows the performance of the generator in the start mode after turning on the generator at a constant frequency f and variable pulse width PW.
- the power or the pulse width PW of the generator 2 is increased at a constant frequency f from a start value PW 0 for the pulse width preferably ramp-like over a certain period of time tr, for example, to a value PW 1 , which is greater than a continuous power value PW 2 , which is necessary to obtain the desired result of induction (eg, a desired rail temperature).
- This increased value PW 1 is then preferably maintained constant over a subsequent period t1 to the period tr before the other hand, lower continuous power value PW 2 is set from a time t2.
- the period of time tr, during which the generator 2 is ramped from zero to the increased power or increased pulse width PW 1 after switching on, and the time period t1, during which the generator 2 is operated with the increased power PW 1 adjustable, For example, via the operating device 40.
- This start mode is in particular independent of the other operating modes of the generator.
- pulse functions for any time-dependent physical quantity g here the excitation alternating current of the induction coils 56, which arise predominantly as the envelope of several pulses are in the FIGS. 7a to 7d where T represents the period of the respective impulse function.
- pulse or "pulse"
- pulse it is always a function course during a half-period. This is followed by a pulse with the opposite sign.
- the positive and negative pulses take place with a zero phase between the two half-waves; in the case of a current profile and / or a field profile, this sequence is uninterrupted.
- the two half-waves form a periodic alternating function.
- the magnetic flux ⁇ is directly proportional to the electric current I causing it.
- the magnetic field strength or the induction of the magnetic field produced by the induction coil 56 is controlled by means of a frequency and / or a pulse width modulation.
- a control of the power of the generator 2 by a frequency modulation is referred to as a first mode, a control by means of a pulse width modulation as a second mode, and a control by a combination of a frequency modulation and a pulse width modulation referred to as a third mode.
- the oscillating functions are transformed into alternating functions, whereby the positive and negative areas bounded by the voltage curve are identical within one period.
- Both positive and negative voltage pulses are rectangular.
- Figure 10a is the pulse width PW at 100%, in 10B shown with 50%.
- the control signals for the current and thus also for the course of the current are generated in such a way that there is no interruption in both irrespective of the respective pulse width. If the maximum permissible pulse width is limited to the top - eg 75% - both types of current and flux - uninterrupted trapezoidal function curves without pulse interruption occur, as in the Figures 11 a and 11 b are shown.
- a constant frequency f and a constant pulse width PW are maintained.
- the first operating mode or frequency mode allows a corresponding periodic or aperiodic passage through any arbitrary frequency range via corresponding control specifications, wherein the frequency f is increased or decreased over corresponding freely selectable time constants.
- this mode is advantageous because from a higher frequency f a lower current i results and thus the power consumption decreases and at the same time the transmission improves, i. the induced voltage u and thus the induced currents i become larger.
- the pulse width PW 50% was selected.
- the individual pulse widths PW are representative of a packet of equal pulses. If the first positive pulse corresponds, for example, to a frequency f of 10 kHz and the frequency f is incrementally increased in accordance with the cycle time of a microprocessor control of 1 ms, 10 pulses with the same pulse width result next to each other - both in positive and negative also in the negative direction.
- the step size for increasing or decreasing the frequency f results automatically from the preselected limit values and from the time for a frequency cycle.
- the sequence of the first and the second mode of operation can only take place in one direction, for example in a frequency cycle of, for example, 10 kHz to 30 kHz. After reaching the 30 kHz limit, a jump automatically takes place back to 10 kHz, after which the frequency rises again to 30 kHz.
- the frequency cycle can be done with variable pulse rate and the same time for all frequencies, ie with increasing frequency with higher pulse rate or with the same step size, eg 1 kHz and the same pulse rate, eg 10 for all frequencies.
- the second setting then gives a frequency cycle of 13.3 s. Both the step size and the number of pulses are again freely selectable quantities.
- the third operating mode in the form of a magnetic flux mode, includes the combination of the two aforementioned first and second modes (frequency mode and pulse width mode) with the aim of keeping the magnetic flux ⁇ constant: ⁇ _mode variable at f and PW variable
- the pulse width or pulse width is increased so that the current flowing through the induction coil 56 remains constant with increasing frequency.
- All defaults can be set via any arbitrary time or pulse rate constants either manually (by means of a keyboard, for example) or automatically (for example, by means of the control or the control).
- the apparatus 1 includes a generator 2 having at least one induction coil 56 for generating an electromagnetic field with alternating current in the form of preferably periodic oscillation functions, preferably generating and applying periodic oscillation functions with a trapezoidal current profile.
- Positive and negative values of the oscillatory functions over the respective half-period are preferably not in any defined relationship to one another.
- the voltage present at the output of the generator 2 is preferably generated in the form of quadrilateral pulses.
- the current flowing through the induction coil 56 is preferred a symmetrical trapezoidal shape.
- the time relationship between the dynamic pulse progression (falling and rising edge) and the static pulse progression (parallel to the time axis) is freely adjustable.
- the trapezoidal current pulses are preferably generated as individual pulses without additional frequency modulation.
- the freely adjustable frequency range is preferably between 5 kHz and 15 kHz.
- the generator 2 operates in the first mode "frequency mode” at a constant pulse width and according to the second mode "pulse width mode” at a constant frequency.
- the frequency and the pulse width can be mutually dependent according to the third mode of operation so that the magnetic flux remains constant.
- the limit values for all operating modes are freely adjustable via the operating device 40. All. Time constants required for the individual operating modes are likewise freely adjustable via the operating device 40.
- the signal curves are symmetrical or asymmetrical.
- the processes can be carried out with a variable number of pulses or with a constant number of pulses.
- the generator 2 has a freely programmable control by the operating device 40.
- the programmable controller is implemented in a microprocessor 44.
- a controlled by the microprocessor 44 as described above generator 2 is therefore used to provide in an inductive point and / or rail heating device 1 for attachment to a rail 8 or a switch 10 provided inductors 6 with alternating current, by the microprocessor 44 controlled or regulated generator 2, the frequency f and / or the pulse width PW of the excitation alternating current of the inductors 6 changed.
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine induktive Weichen- und/oder Schienenheizvorrichtung beinhaltend einen von einer Wechselspannungsquelle gespeisten Generator, welcher über eine Leitungsverbindung wenigstens einen wenigstens eine Induktionsspule enthaltenden, zur Befestigung an der Schiene oder an der Weiche vorgesehenen Induktor mit Wechselstrom versorgt, wobei aufgrund der mit dem Wechselstrom gespeisten Induktionsspule des Induktors in der Schiene oder in der Weiche durch elektromagnetische Induktion ein Strom induziert wird, welcher die Schiene oder die Weiche erwärmt, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.The invention relates to an inductive point and / or rail heating device comprising a generator powered by an AC voltage source which supplies via a line connection at least one at least one induction coil, provided for attachment to the rail or to the switch inductor with alternating current, due to the with AC induction coil of the inductor in the rail or in the switch by electromagnetic induction, a current is induced, which heats the rail or the switch, according to the preamble of
Weiterhin betrifft die Erfindung gemäß Anspruch 20 auch ein Schienennetz für Schienenfahrzeuge, beinhaltend wenigstens eine Schiene und/oder eine Weiche, welches eine induktive Weichen- und/oder Schienenheizvorrichtung beinhaltet.Furthermore, the invention according to
Nicht zuletzt betrifft die Erfindung auch die Verwendung einer Induktionseinrichtung mit
- a) einem von einer Wechselspannungsquelle gespeisten Generator,
- b) einer Leitungsverbindung zwischen dem Generator und wenigstens einem wenigstens eine Induktionsspule enthaltenden Induktor zur Versorgung der wenigstens einen Induktionsspule mit von dem Generator erzeugten Wechselstrom, und mit
- c) einer Steuerungs- oder Regelungseinrichtung zur Steuerung oder Regelung der elektrischen Leistung des Generators durch Variieren der Frequenz und/oder der Pulsweite des in den wenigstens einen Induktor eingespeisten Wechselstroms.
- a) a generator powered by an AC voltage source,
- b) a line connection between the generator and at least one inductor containing at least one induction coil for supplying the at least one induction coil with the alternating current generated by the generator, and with
- c) a control or regulating device for controlling or regulating the electric power of the generator by varying the frequency and / or the pulse width of the fed into the at least one inductor alternating current.
Weichen- und/oder Schienenheizvorrichtung dienen dazu, wenigstens einen Abschnitt einer Schiene oder eines aus zwei parallelen Schienen bestehenden Schienenstrangs und/oder eine Weiche frei von Eis und Schnee zu halten, um eine Eisbildung auf Oberflächen von Schienen oder Weichen generell zu vermeiden oder ein Festfrieren von beweglichen Elementen einer Weiche zu verhindern. Am weitesten verbreitet sind heutzutage Weichen- und/oder Schienenheizvorrichtungen beispielsweise gemäß
Induktive Weichen- und/oder Schienenheizvorrichtungen nutzen dagegen Effekte der elektromagnetischen Induktion, wonach durch Wechselbestromung einer oder mehrerer Spulen eines Induktors in der Schiene oder Weiche elektrische Ströme induziert werden, durch welche sich die betreffende Schiene oder Weiche aufheizen und damit von Eis und Schnee befreien oder befreit halten.Inductive point and / or rail heating devices, however, use effects of electromagnetic induction, which are induced by Wechselbestromung one or more coils of an inductor in the rail or switch electrical currents through which heat the rail or switch in question and thus free of ice and snow or keep free.
Da, wie oben bereits erwähnt, die Oberflächentemperatur der Widerstandselemente (Heizpatronen) relativ hoch ist und die Kontaktfläche zur Schiene oder Weiche hin begrenzt ist, geht die meiste Wärme durch Strahlung verloren. Dagegen gibt ein Induktor seine relativ niedrige Verlustwärme nahezu im vollen Umfang an die Schiene oder Weiche ab, was zur Einsparung von elektrischer Energie beiträgt. Für die Wirkung ist daher kein direkter oder enger Kontakt des Induktors mit der Schiene oder Weiche notwendig.Since, as mentioned above, the surface temperature of the resistive elements (heating cartridges) is relatively high and the contact surface is limited to the rail or turnout, most of the heat is lost by radiation. In contrast, an inductor gives its relatively low heat loss almost in full to the rail or switch, which contributes to the saving of electrical energy. For the effect, therefore, no direct or close contact of the inductor with the rail or switch is necessary.
Eine gattungsgemäße induktive Weichen- und/oder Schienenheizvorrichtung ist beispielsweise aus der
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine induktive Weichen- und/oder Schienenheizvorrichtung der eingangs erwähnten Art derart fortzubilden, dass sie auf einfache Weise an die Dimensionen der zu beheizenden Schiene/Weiche anpassbar ist und zudem einen hohen Wirkungsgrad gewährleistet.The invention has the object of providing an inductive Weichen- and / or rail heating device of the type mentioned in such a way that it is easily adaptable to the dimensions of the rail / switch to be heated and also ensures high efficiency.
Weiterhin soll ein Schienennetz für Schienenfahrzeuge, beinhaltend wenigstens eine Schiene und/oder eine Weiche derart weiter entwickelt werden, dass auf einfache und kostengünstige Weise eine Eis- oder Schneebildung auf Schienen und/oder Weichen verhindert wirdFurthermore, a rail network for rail vehicles, including at least one rail and / or a switch to be further developed so that in a simple and cost-effective manner ice or snow on rails and / or switches is prevented
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale von Patentanspruch 1 und Patentanspruch 20 gelöst.This object is achieved by the features of
Die Erfindung basiert auf dem Prinzip der elektromagnetischen Induktion, wobei in der Umgebung eines mit Wechselstrom durchflossenen Leiters, hier insbesondere Leitungsdrahtwindungen eines Induktors, ein elektromagnetisches Feld entsteht, das in anderen elektrischen Leitern, hier eine Schiene oder Weiche bzw. Weichenbauteile, die sich innerhalb dieses elektromagnetischen Felds befinden bzw. von den magnetischen Feldlinien dieses elektromagnetischen Felds erfasst werden, elektrische Ströme hervorruft. Diese in der Schiene oder in den Weichenbauteilen induzierten Ströme verursachen eine Erwärmung der Schiene bzw. der Weichenbauteile. Es handelt sich dabei um das bekannte Transformatorprinzip.The invention is based on the principle of electromagnetic induction, wherein in the environment of a conductor through which an alternating current flows, in particular conduction wire windings of an inductor, an electromagnetic field arises, which in other electrical conductors, in this case a rail or switch or switch components, which are located inside this Electromagnetic field or are detected by the magnetic field lines of this electromagnetic field, causing electrical currents. These induced in the rail or in the turnout components currents cause heating of the rail or the switch components. It is the well-known transformer principle.
Je enger die Kopplung zwischen dem Induktor und der Schiene, desto weniger streuen die induzierten Potenziale und die induzierten Ströme haben klar definierte Bahnen. Der Wirkungsgrad ist dabei umso höher, desto enger die Koppelung zwischen dem Induktor und der Schiene bzw. den Weichenbauteilen ist.The closer the coupling between the inductor and the rail, the less the induced potentials scatter and the induced currents have clearly defined paths. The efficiency is higher, the closer the coupling between the inductor and the rail or the points components.
Bei einer lockeren Kopplung zwischen Induktor und Schiene kommt es zu einer Streuung, die Bahnen der induzierten Ströme sind dann nicht mehr klar definiert und es entstehen Wirbelströme. Bei größerem Abstand ist die induzierte Stromdichte kleiner und damit die Erwärmung geringer und zusätzlich geht ein Teil des Feldes durch die Streuung verloren. Die Erwärmung der Schiene bzw. der Weichenbauteile erfolgt dann auf der Basis der Joule'schen Verluste.In a loose coupling between the inductor and rail, there is a scattering, the trajectories of the induced currents are then no longer clearly defined and there are eddy currents. At a greater distance, the induced current density is smaller and thus the heating is lower and in addition a part of the Field lost by the scatter. The heating of the rail or the switch components is then based on the Joule losses.
Erfindungsgemäß ist eine Steuerungseinrichtung oder eine Regelungseinrichtung zur Steuerung oder Regelung der elektrischen Leistung des Generators durch Variieren der Frequenz und/oder der Pulsweite des in den wenigstens einen Induktor eingespeisten Wechselstroms vorgesehen.According to the invention, a control device or a regulating device is provided for controlling or regulating the electric power of the generator by varying the frequency and / or the pulse width of the alternating current fed into the at least one inductor.
Diese Steuerung oder Regelung findet zumindest während des Betriebs der induktiven Weichen- und/oder Schienenheizvorrichtung statt, wahlweise auch bereits vor einer Inbetriebnahme der induktiven Weichen- und/oder Schienenheizvorrichtung durch Voreinstellung von Frequenz und/oder der Pulsweite durch entsprechende zur variablen Einstellung wenigstens einer dieser Größen vorgesehene Mittel.This control or regulation takes place at least during operation of the inductive point and / or rail heating, optionally also before commissioning of the inductive point and / or rail heating by presetting the frequency and / or the pulse width by corresponding variable setting at least one of these Sizes provided for.
Damit sind die Betriebsparameter Frequenz und/oder Pulsbreite des vom Generator ausgesteuerten und in den wenigstens einen Induktor eingespeisten Wechselstroms an den jeweiligen Induktor oder an die jeweiligen Induktoren hinsichtlich deren Einbaulage, Anzahl und Größe anpassbar.Thus, the operating parameters frequency and / or pulse width of the generator controlled and fed into the at least one inductor alternating current to the respective inductor or to the respective inductors in terms of their installation position, number and size are customizable.
Eine Steuerung durch die Steuereinrichtung kann dabei beispielsweise durch eine rein manuelle Eingabe von Frequenz und/oder Pulsweite oder aber auch kennfeldabhängig erfolgen, d.h. einer bestimmten gemessenen Umgebungstemperatur oder gemessenen Schienen-/Weichentemperatur wird ein bestimmter Wert für die Frequenz und/oder für die Pulsweite zugeordnet.A control by the control device can be done, for example, by a purely manual input of frequency and / or pulse width or even map-dependent, i. A certain measured ambient temperature or measured rail / switch temperature is assigned a specific value for the frequency and / or for the pulse width.
Beispielsweise wird die Frequenz durch die Steuerung oder Regelung bevorzugt umso niedriger eingestellt, desto größer die zu erwärmende Länge der Schienen/Weichenbauteile bzw. die Länge der Induktionsspulen der eingesetzten Induktoren und gegebenenfalls auch der Verbindungsleitungen der Induktoren untereinander bzw. zum Generator sind. Denn je größer die Länge des Leiterdrahts der Induktionsspulen ist, desto niedriger ist die Frequenz des Erreger-Wechselstroms einzustellen, der notwendig ist, um ein zur Erzeugung einer gewünschten Temperatur in der Schiene bzw. in den Weichenbauteilen notwendiges Magnetfeld und damit den dafür notwendigen Induktionsstrom in der Schiene bzw. in den Weichenbauteilen zur Verfügung zu haben.For example, the frequency is preferably set lower by the control or regulation, the greater the length of the rail / turnout components to be heated or the length of the induction coils of the inductors used and possibly also of the connecting lines of the inductors with each other or to the generator. The larger the length of the conductor wire of the induction coil, the lower the frequency of the excitation alternating current, which is necessary to set a necessary for generating a desired temperature in the rail or in the points components magnetic field and thus having the necessary induction current in the rail or in the points components available.
Die Frequenz dient daher zur Anpassung der Leistung des Generators an die Gesamtinduktivität des elektrischen Kreises und damit an die Länge der Induktionsspulen. Umgekehrt gilt, dass je kürzer die zu erwärmende Länge der Schiene bzw. der Weichenbauteile bzw. die Länge der Induktionsspulen der Induktoren und gegebenenfalls der Verbindungsleitungen der Induktoren untereinander bzw. zum Generator sind, desto höher ist die Frequenz der Erreger-Wechselstroms einzustellen, um ein zur Erzeugung einer gewünschten Temperatur in der Schiene bzw. in den Weichenbauteilen notwendiges Magnetfeld und damit den dafür notwendigen Induktionsstrom in der Schiene bzw. in den Weichenbauteilen zur Verfügung zu haben.The frequency therefore serves to adapt the power of the generator to the total inductance of the electrical circuit and thus to the length of the induction coils. Conversely, the shorter the length of the rail to be heated or the switch components or the length of the inductors of the inductors and optionally the connecting lines of the inductors with each other or to the generator, the higher the frequency of the exciter AC to set to a higher To generate a desired temperature in the rail or in the switch components necessary magnetic field and thus have the necessary induction current in the rail or in the points components available.
Hintergrund dieser Überlegungen ist, dass mit größer werdender zu erwärmender Länge der Schienen bzw. Weichenbauteile und damit mit größer werdender Länge der Induktionsspulen die Impedanz steigt.Background of these considerations is that with increasing length of the rails to be heated or switch components and thus with increasing length of the induction coil, the impedance increases.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht daher durch Steuerung oder Regelung der Leistung des Generators durch Variation von Frequenz und/oder Pulsweite des in die Induktoren eingesteuerten Wechselstroms gleichzeitig eine Steuerung oder Regelung der von den Induktoren erzeugten elektromagnetischen Felder zu schaffen. Insbesondere sind bei der angestrebten elektromagnetischen Induktion unter Verwendung periodischer oder auch aperiodischer Steuer- oder Regelfunktionen Impulse erzeugbar. Ferner sind Kombinationen aus stationären Magnetfeldern und Impulsen darstellbar.Therefore, by controlling or regulating the power of the generator by varying the frequency and / or pulse width of the alternating current injected into the inductors, the device according to the invention makes it possible to simultaneously provide control or regulation of the electromagnetic fields generated by the inductors. In particular, in the desired electromagnetic induction using periodic or aperiodic control or control functions pulses can be generated. Furthermore, combinations of stationary magnetic fields and pulses can be displayed.
Durch die Möglichkeit der Anpassung der elektrischen Leistung des Generators hinsichtlich Frequenz und/oder Pulsweite des Erreger-Wechselstroms für den wenigstens einen Induktor ist gegenüber dem Stand der Technik eine erhebliche Energieeinsparung möglich, weil bedingt durch eine mögliche individuelle Anpassung des Erreger-Wechselstroms an die jeweilige Ausführung des Induktors oder der Induktoren die Impedanz, d.h. der Widerstand reduzierbar ist.By the possibility of adjusting the electrical power of the generator in terms of frequency and / or pulse width of the excitation alternating current for the at least one inductor over the prior art, a significant energy saving is possible because due to a possible individual adaptation of the excitation alternating current to the respective Implementation of the inductor or the inductors, the impedance, ie, the resistance is reducible.
Dies ist vor allem im Hinblick auf die hohe Anzahl von Weichen und Schienen lediglich im deutschsprachigen Raum (ca. 200.000) vorteilhaft, die es in der kalten Jahreszeit zu beheizen gilt. Heizsysteme auf rein Joule'scher Basis verbrauchen 600 W bis 700 W pro Meter Draht- oder Leitungslänge. Bei einer angenommenen 6-monatigen Heizperiode und durchschnittlich 12 Metern Länge an zu erwärmender Schiene/Weiche ergibt sich ein Energieverbrauch von
Die Induktoren werden an den Schienen bzw. Weichenbauteile vorzugsweise so angebracht, dass die erzeugten elektromagnetischen Felder und damit auch die induzierten Ströme auf den zu erwärmenden Bereich konzentriert sind. Diese Konzentration kann durch wechselnde Polarität und/oder beidseitige Anbringung verstärkt werden.The inductors are preferably attached to the rails or switch components so that the generated electromagnetic fields and thus also the induced currents are concentrated on the area to be heated. This concentration can be enhanced by changing polarity and / or attachment on both sides.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.Advantageous developments of the invention are the subject of the dependent claims.
Besonders bevorzugt ist der Generator durch die Steuerungseinrichtung oder die Regelungseinrichtung derart gesteuert oder geregelt, dass die Frequenz des in den wenigstens einen Induktor eingespeisten Wechselstroms innerhalb eines Bereich von 5 kHz bis 15 kHz variierbar oder einstellbar ist. Es wurde festgestellt, dass ein besonders hoher Wirkungsgrad in diesem mittelfrequenten Bereich erzielt wird.Particularly preferably, the generator is controlled or regulated by the control device or the regulating device such that the frequency of the alternating current fed into the at least one inductor can be varied or set within a range of 5 kHz to 15 kHz. It has been found that a particularly high efficiency is achieved in this medium-frequency range.
Ganz besonders bevorzugt ist der Generator ohne Schwingkreis oder ohne Resonanzkreis ausgebildet. Dies vereinfacht den Aufbau des Generators.Most preferably, the generator is formed without a resonant circuit or without a resonant circuit. This simplifies the construction of the generator.
Gemäß einer Weiterbildung beinhaltet die Steuerungseinrichtung oder die Regelungseinrichtung wenigstens einen Mikroprozessor, der über Treiber die Frequenz und/oder die Pulsweite des in den wenigstens einen Induktor eingespeisten Wechselstroms variiert oder einstellt.According to a development, the control device or the regulating device includes at least one microprocessor which varies or adjusts the frequency and / or the pulse width of the alternating current fed into the at least one inductor via drivers.
Die Steuerungseinrichtung oder die Regelungseinrichtung kann weiterhin eine Bedieneinrichtung beinhalten, über welche Betriebsparameter des Generators durch den Mikroprozessor einstellbar sind.The control device or the regulating device may further include an operating device, via which operating parameters of the generator can be set by the microprocessor.
In dem Mikroprozessor können Algorithmen für eine Steuerung oder Regelung der Leistung des Generators durch Variation von Pulsweite und/oder Frequenz des in den wenigstens einen Induktor eingespeisten Wechselstroms implementiert sein, wobei die Steuerung oder Regelung der Leistung des Generators abhängig von wenigstens einer Führungsgröße erfolgt.Algorithms for controlling or regulating the power of the generator by varying the pulse width and / or frequency of the alternating current fed into the at least one inductor may be implemented in the microprocessor, the control or regulation of the power of the generator being dependent on at least one reference variable.
Die wenigstens eine Führungsgröße für die Steuerung oder die Regelung der Leistung des Generators beinhaltet bevorzugt wenigstens die Umgebungstemperatur oder die Schienen/Weichentemperatur, jeweils alleine oder in Kombination mit der Luftfeuchtigkeit.The at least one reference variable for the control or regulation of the power of the generator preferably includes at least the ambient temperature or the rail / switch temperature, each alone or in combination with the humidity.
Zudem ist vorzugsweise wenigstens ein Sensor zur Messung der Führungsgröße vorgesehen und mit dem Mikroprozessor signalleitend verbunden.In addition, preferably at least one sensor for measuring the reference variable is provided and signal-connected to the microprocessor.
Gemäß einer besonders zu bevorzugenden Maßnahme ist den in dem Mikroprozessor implementierten Algorithmen für die Steuerung oder die Regelung der Leistung des Generators ein Temperaturbereich zwischen einem unteren Temperaturgrenzwert und einem oberen Temperaturgrenzwert für die Umgebungstemperatur und/oder für die Schienen-/Weichentemperatur vorgebbar, wobei
- a) bei einer von dem wenigstens einen Sensor gemessenen Umgebungstemperatur und/oder Schienen/Weichentemperatur, welche in dem Bereich zwischen dem oberen Temperaturgrenzwert und dem unteren Temperaturgrenzwert liegt, durch den Mikroprozessor eine Steuerung oder eine Regelung der elektrischen Leistung des Generators abhängig von der Umgebungstemperatur und/oder abhängig von der Schienen/Weichentemperatur als Führungsgröße erfolgt, und
- b) bei einer gemessenen Umgebungstemperatur und/oder Schienen/Weichentemperatur, welche größer gleich dem oberen Temperaturgrenzwert ist, die elektrische Leistung des Generators auf Null oder einen Minimalwert gesetzt wird, und
- c) bei einer gemessenen Umgebungstemperatur oder Schienen/Weichentemperatur, welche kleiner gleich dem unteren Temperaturgrenzwert ist, die elektrische Leistung des Generators einen konstanten Maximalwert gesetzt wird.
- a) at a measured by the at least one sensor ambient temperature and / or rail / switch temperature, which is in the range between the upper temperature limit and the lower temperature limit, by the microprocessor, a control or regulation of the electrical power of the generator depending on the ambient temperature and / or depending on the rail / vane temperature as a reference variable, and
- b) at a measured ambient temperature and / or rail / rail temperature which is greater than or equal to the upper temperature limit is, the electric power of the generator is set to zero or a minimum value, and
- c) at a measured ambient temperature or rail / vane temperature which is less than or equal to the lower temperature limit, the electric power of the generator is set to a constant maximum value.
Gemäß einer Weiterbildung dieser Maßnahme können in dem Mikroprozessor ausgehend von einer mittleren Temperatur , welche eine Mitte des Bereichs zwischen dem oberen Temperaturgrenzwert und dem unteren Temperaturgrenzwert darstellt, entweder in Richtung des oberen Temperaturgrenzwerts oder in Richtung des unteren Temperaturgrenzwerts unterschiedliche Algorithmen für die Steuerung oder Regelung der Leistung des Generators implementiert sein.According to a further development of this measure, different algorithms for the control or regulation of the microprocessor can be used in the microprocessor, starting from an average temperature which represents a middle of the range between the upper temperature limit and the lower temperature limit, either in the direction of the upper temperature limit value or in the direction of the lower temperature limit value Power of the generator to be implemented.
Die Regelungseinrichtung kann beispielsweise einen P-Regler, einen PI- Regeler oder einen PID-Regler beinhalten.The control device may include, for example, a P-controller, a PI controller or a PID controller.
Zudem kann wenigstens ein Display zur Darstellung von Betriebsparametern vorgesehen sein.In addition, at least one display can be provided for displaying operating parameters.
Die Betriebsparameter beinhalten bevorzugt die Pulsweite und/oder Frequenz des in den wenigstens einen Induktor eingespeisten Wechselstroms und/oder den oberen Temperaturgrenzwert und den unteren Temperaturgrenzwert und/oder die mittlere Temperatur.The operating parameters preferably include the pulse width and / or frequency of the alternating current fed into the at least one inductor and / or the upper temperature limit value and the lower temperature limit value and / or the average temperature.
Der wenigstens eine Induktor ist bevorzugt plattenförmig ausgebildet, mit einer relativ zur Dimension seiner Seitenflächen geringen Dicke. Dabei sind die Windungen der Induktionsspule des wenigstens einen Induktors bevorzugt in einer einzigen Ebene angeordnet.The at least one inductor is preferably plate-shaped, with a small thickness relative to the dimension of its side surfaces. The windings of the induction coil of the at least one inductor are preferably arranged in a single plane.
Die Windungen des Leitungsdrahts der Induktionsspule oder der Induktionsspule des wenigstens einen Induktors sind beispielsweise in oder von einem plattenförmigen Trägerkörper aufgenommen, welcher mit einer seiner Seitenflächen zur Befestigung an einer inneren Seitenfläche oder an einer äußeren Seitenfläche einer Schiene vorgesehen ist.The turns of the conductor wire of the induction coil or the induction coil of the at least one inductor are, for example, in or received by a plate-shaped support body, which with one of its side faces to Attachment is provided on an inner side surface or on an outer side surface of a rail.
Die Induktoren können gemäß einer Ausführungsform derart in den elektrischen Kreis geschaltet sein (seriell oder parallel), dass ihre magnetischen Felder in gleicher Richtung verlaufen. Alternativ können im elektrischen Kreis oder an einer Schiene oder Weichenteil benachbart angeordnete Induktoren derart verschaltet sein, dass ihre magnetische Felder entgegen gesetzte Richtungen aufweisen. Mit anderen Worten können benachbart an einer Schiene oder einem Weichenteil angeordnete Induktoren im elektrischen Kreis derart verschaltet sein, dass ihre magnetische Polarität abwechselt.According to one embodiment, the inductors can be connected in the electrical circuit (serial or parallel) in such a way that their magnetic fields extend in the same direction. Alternatively, inductors arranged adjacently in the electrical circuit or on a rail or switch part can be connected in such a way that their magnetic fields have opposite directions. In other words, adjacent to a rail or a turnout arranged inductors in the electrical circuit may be connected such that their magnetic polarity alternates.
Der wenigstens eine Induktor kann mittels einer Befestigungsvorrichtung an der Schiene befestigt sein, wobei der Befestigungsvorrichtung und dem Induktor bevorzugt wenigstens ein Abschirmkörper aus elektrisch nicht leitendem, aber magnetisch leitendem Material wie Ferrit zwischengeordnet ist.The at least one inductor may be fastened to the rail by means of a fastening device, the fastening device and the inductor preferably being interposed between at least one shielding body of electrically nonconductive but magnetically conductive material such as ferrite.
Der wenigstens eine Induktor ist bevorzugt mittels einer L-förmigen Klammer an der Schiene befestigbar, wobei die L-förmige Klammer einen einen Schienenfuß wenigstens teilweise umgreifenden ersten Schenkel und einen den Induktor an einer Seitenfläche der Schiene haltenden zweiten Schenkel aufweist, wobei dem zweiten Schenkel der Klammer und dem Induktor wenigstens ein Abschirmkörper aus elektrisch nicht leitendem, aber magnetisch leitendem Material wie Ferrit zwischengeordnet ist.The at least one inductor is preferably attachable to the rail by means of an L-shaped bracket, wherein the L-shaped bracket has a first leg at least partially encompassing a rail and a second leg holding the inductor on a side surface of the rail, wherein the second leg Clamp and the inductor at least one shielding body of electrically non-conductive, but magnetically conductive material such as ferrite is interposed.
Bevorzugt wird der Generator gemäß eines Startmoduls derart gesteuert, dass nach dem Einschalten des Generators die Pulsweite bei konstanter Frequenz ausgehend von einem Startwert für die Pulsweite über eine bestimmte Zeitspanne rampenartig auf einen gegenüber einer einem Dauerleistungswert des Generators entsprechenden Pulsweite höheren Wert erhöht, danach für eine weitere Zeitspanne auf diesem erhöhten Wert konstant gehalten und nach Ablauf der weiteren Zeitspanne auf die dem Dauerleistungswert des Generators entsprechende Pulsweite abgesenkt wird. Dies bringt zwei Vorteile: Zum einen wird eine schnelle Anfangserwärmung erreicht und zum andern ermöglicht die Absenkung der anfänglich erhöhten Leistung auf die demgegenüber niedrigere Dauerleistung eine Energieeinsparung.Preferably, the generator is controlled in accordance with a start module such that after switching on the generator, the pulse width increases at a constant frequency starting from a start value for the pulse width over a certain period ramped to a relative to a continuous power value of the generator pulse width higher value, then for a another period of time is kept constant at this increased value and, after the expiry of the further period of time, is reduced to the pulse width corresponding to the continuous power value of the generator. This brings two advantages: Firstly, a quick initial warm-up On the other hand, lowering the initially increased power to the lower continuous power allows energy savings.
Die Erfindung umfasst auch ein Schienennetz mit wenigstens einer Schiene und/oder eine Weiche, welches eine oben beschriebene induktive Weichen- und/oder Schienenheizvorrichtung beinhaltet. Dabei ist bevorzugt wenigstens ein Induktor an einer oder an beiden Seitenflächen wenigstens einer Schiene angeordnet, wobei der wenigstens eine Induktor bevorzugt in einem sich im Bereich einer Weiche befindlichen Schienenabschnitt angeordnet ist.The invention also encompasses a rail network with at least one rail and / or a switch which includes an inductive point and / or rail heating device as described above. In this case, at least one inductor is preferably arranged on one or both side faces of at least one rail, wherein the at least one inductor is preferably arranged in a rail section located in the region of a switch.
Nicht zuletzt umfasst die Erfindung auch eine Verwendung einer Induktionseinrichtung mit wenigstens
- a) einem von einer Wechselspannungsquelle gespeisten Generator,
- b) einer Leitungsverbindung zwischen dem Generator und wenigstens einem wenigstens eine Induktionsspule enthaltenden Induktor zur Versorgung der wenigstens einen Induktionsspule mit von dem Generator erzeugten Wechselstrom, und mit
- c) einer Steuerungs- oder Regelungseinrichtung zur Steuerung oder Regelung der elektrischen Leistung des Generators durch Variieren der Frequenz und/oder der Pulsweite des in die Induktionsspule eingespeisten Wechselstroms
- d) für eine Induktive Weichen- und/oder Schienenheizvorrichtung, bei welcher der wenigstens eine Induktor an einer Schiene und/oder an einer Weiche eines Schienennetzes angeordnet ist und bei welcher aufgrund der mit dem Wechselstrom gespeisten Induktionsspule in der Schiene und/oder in der Weiche durch elektromagnetische Induktion ein Strom induziert wird, welcher die Schiene und/oder die Weiche erwärmt.
- a) a generator powered by an AC voltage source,
- b) a line connection between the generator and at least one inductor containing at least one induction coil for supplying the at least one induction coil with the alternating current generated by the generator, and with
- c) a control or regulating device for controlling or regulating the electric power of the generator by varying the frequency and / or the pulse width of the alternating current fed into the induction coil
- d) for an inductive point and / or rail heating device, wherein the at least one inductor on a rail and / or on a switch of a rail network is arranged and in which due to the supplied with the AC induction coil in the rail and / or in the switch a current is induced by electromagnetic induction, which heats the rail and / or the switch.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen
- Fig.1
- eine schematische Draufsicht auf eine induktive Weichen- und/oder Schienenheizvorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
- Fig.2
- eine schematische Querschnittsansicht einer Schiene mit seitlich angebrachten Induktoren der erfindungsgemäßen induktiven Weichen- und/oder Schienenheizvorrichtung;
- Fig.3
- eine schematische Seitenansicht von Windurigen eines Induktors der erfindungsgemäßen induktiven Weichen- und/oder Schienenheizvorrichtung;
- Fig.4
- eine schematische Querschnittsansicht eines an einer Seitenfläche einer Schiene mittels einer abgeschirmten Befestigungsvorrichtung angebrachten Induktors der erfindungsgemäßen induktiven Weichen- und/oder Schienenheizvorrichtung;
- Fig.5.1
- ein Temperatur-Leistungs-Diagramm, welches sich anhand einer bevorzugten Ausführung einer Steuerung oder Regelung eines Generators der erfindungsgemäßen induktiven Weichen- und/oder Schienenheizvorrichtung ergibt;
- Fig.5.2
- ein Temperatur-Leistungs-Diagramm, welches sich anhand einer weiteren Ausführung einer Steuerung oder Regelung eines Generators der erfindungsgemäßen induktiven Weichen- und/oder Schienenheizvorrichtung ergibt;
- Fig.5.3
- ein Temperatur-Leistungs-Diagramm, welches sich anhand einer weiteren Ausführung einer Steuerung oder Regelung eines Generators der erfindungsgemäßen induktiven Weichen- und/oder Schienenheizvorrichtung ergibt;
- Fig.6
- eine graphische Veranschaulichung des magnetischen Flusses, welcher mittels eines Induktors der erfindungsgemäßen induktiven Weichen- und/oder Schienenheizvorrichtung in einer Schiene erzeugt wird;
- Fig.7a bis d
- Beispiele von Impulsfunktionen für eine beliebige zeitabhängige physikalische Größe g, die überwiegend als Hüllkurve mehrerer Pulse entstehen, worin T die Periode der jeweiligen Impulsfunktion darstellt;
- Fig.8a
- eine schematische Gesamtdarstellung einer Induktionseinrichtung für eine induktive Weichen- und/oder Schienenheizvorrichtung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;
- Fig.8b
- eine mit einem Spannungszwischenkreis arbeitende und als H-Brücke verschaltete Endstufe des Generators;
- Fig.9a bis c
- Beispiele periodischer Schwingfunktionen in Form von symmetrischen oder asymmetrischen Sägezähnen als Einzelwelle mit einer Periode und einer Wiederholungsrate;
- Fig.10a
- rechteckförmige Spannungspulse mit einer
Pulsweite von 100 %; - Fig.10b
- rechteckförmige Spannungspulse mit einer Pulsweite von 50 %;
- Fig.11a/b
- trapezförmige Funktionsverläufe ohne Pulsunterbrechung, die bei einer Begrenzung der maximal zulässigen Pulsweite in den
Fig.10a und 10b nach oben bei sowohl den Größen Strom als auch magnetischem Fluss entstehen; - Fig.12
- einen symmetrischen Spannungsverlauf, der ein periodisches bzw. aperiodisches Durchlaufen eines beliebigen, frei wählbaren Frequenzbereichs bei einer Frequenzmodulation mit gleichbleibender Pulsweite in einer ersten Betriebsart des Generators darstellt;
- Fig.13
- einen symmetrischen Spannungsverlauf, der ein periodisches bzw. aperiodisches Durchlaufen eines beliebigen Pulsweitenbereichs bei einer Pulsweitenmodulation mit gleichbleibender Frequenz in einer zweiten Betriebsart des Generators darstellt;
- Fig.14
- einen asymmetrischen Spannungsverlauf, der ein periodisches bzw. aperiodisches Durchlaufen eines beliebigen, frei wählbaren Frequenzbereichs bei einer Frequenzmodulation mit gleichbleibender Pulsweite in der ersten Betriebsart darstellt; und
- Fig.15
- einen asymmetrischen Spannungsverlauf, der ein periodisches bzw. aperiodisches Durchlaufen eines beliebigen Pulsweitenbereichs bei einer Pulsweitenmodulation mit gleichbleibender Frequenz in der zweiten Betriebsart darstellt;
- Fig.16
- ein Zeit-Leistungsdiagramm des Generators nach dem Einschalten, wobei die Frequenz f konstant und die Pulsweite PW variiert wird;
- Fig.17
- eine schematische Ansicht von Induktoren, welche im elektrischen Kreis derart verschaltet sind, dass sie magnetische Felder gleicher Richtung erzeugen;
- Fig.18
- eine schematische Ansicht von Induktoren, welche im elektrischen Kreis derart verschaltet sind, dass sie magnetische Felder von entgegen gesetzter Richtung erzeugen.
- Fig.1
- a schematic plan view of an inductive point and / or rail heating device according to a preferred embodiment of the invention;
- Fig.2
- a schematic cross-sectional view of a rail with side-mounted inductors of the inductive point and / or rail heating device according to the invention;
- Figure 3
- a schematic side view of Windurigen an inductor of the inductive switch and / or rail heating device according to the invention;
- Figure 4
- a schematic cross-sectional view of an attached to a side surface of a rail by means of a shielded fastening device inductor of the inductive point and / or rail heating device according to the invention;
- Fig.5.1
- a temperature-power diagram, which results from a preferred embodiment of a control or regulation of a generator of the inductive point and / or rail heating device according to the invention;
- Fig.5.2
- a temperature-power diagram, which results from a further embodiment of a control or regulation of a generator of the inductive point and / or rail heating device according to the invention;
- Fig.5.3
- a temperature-power diagram, which results from a further embodiment of a control or regulation of a generator of the inductive point and / or rail heating device according to the invention;
- Figure 6
- 4 is a graphic illustration of the magnetic flux which is produced by means of an inductor of the inductive switching device according to the invention. and / or rail heating device is produced in a rail;
- Fig.7a to d
- Examples of impulse functions for any time-dependent physical quantity g, which predominantly arise as the envelope of several pulses, wherein T represents the period of the respective impulse function;
- Figure 8a
- an overall schematic representation of an induction device for an inductive point and / or rail heating device according to a preferred embodiment of the invention;
- 8B
- a working with a voltage intermediate circuit and interconnected as H-bridge output stage of the generator;
- 9a to c
- Examples of periodic oscillatory functions in the form of symmetrical or asymmetrical saw teeth as a single wave with a period and a repetition rate;
- Figure 10a
- rectangular voltage pulses with a pulse width of 100%;
- 10B
- rectangular voltage pulses with a pulse width of 50%;
- 11A / b
- Trapezoidal function curves without pulse interruption, which in a limitation of the maximum permissible pulse width in the
10a and 10b arise upwards for both the quantities of current and magnetic flux; - Figure 12
- a symmetrical voltage waveform representing a periodic or aperiodic traversing of any arbitrary frequency range in a frequency modulation with a constant pulse width in a first mode of operation of the generator;
- Figure 13
- a symmetrical voltage waveform, the periodic or aperiodic traversing of any pulse width range at represents a pulse width modulation with a constant frequency in a second mode of operation of the generator;
- Figure 14
- an asymmetric voltage waveform representing a periodic or aperiodic sweep of any arbitrary frequency range in a constant pulse frequency modulation in the first mode of operation; and
- Figure 15
- an asymmetric voltage waveform representing a periodic or aperiodic sweeping of any pulse width range in a pulse width modulation with a constant frequency in the second mode;
- Figure 16
- a time-power diagram of the generator after switching on, wherein the frequency f is varied and the pulse width PW is varied;
- Figure 17
- a schematic view of inductors, which are connected in the electric circuit such that they generate magnetic fields of the same direction;
- Figure 18
- a schematic view of inductors, which are connected in the electrical circuit such that they generate magnetic fields of opposite direction.
Die Induktoren 6 sind bevorzugt jeweils an einer äußeren Seitenfläche 12 von zwei parallel verlaufenden Schienen 8 im Bereich einer Weiche 10 angeordnet, wie insbesondere aus
Zur Beheizung der Schienen 8 sind bevorzugt an deren Seitenflächen 12 und/oder 14 Induktoren 6 angebracht. Die Seitenflächen 12, 14 sind bevorzugt Seitenflächen eines Schienen-Mittelteils 16, welches sich in Vertikalrichtung oder im Querschnitt gesehen zwischen einem unteren Schienenfuß 18, der meist auf einem Schweller aufliegt und einem oberen Schienenkopf 20 befindet, auf dem die Lauf- und Spurkränze der Laufräder von Schienenfahrzeugen abrollen und auch seitlich geführt werden.For heating the
Die Induktoren 6 sind dabei bevorzugt plattenförmig ausgebildet, d.h., dass sie gemessen an der Dimension oder Ausdehnung ihrer Seitenflächen eine relativ geringe Dicke aufweisen. Die Induktoren 6 sind bezogen auf die Länge der Schiene oder der Schienen 8 beispielsweise äquidistant an deren Seitenflächen 12, 14 angeordnet. Untereinander sind die Induktoren 6 durch elektrische Verbindungsleitungen 22 des elektrischen Kreises 4 bevorzugt seriell miteinander verbunden.The
Durch die plattenförmige flache Ausbildung der Induktoren 6 in Kombination mit ihrer Anbringung an den Seitenflächen 12, 14 der Schienen 8 ist gewährleistet, dass die Induktoren 6 nicht von den Spurkränzen der Räder der Schienenfahrzeuge erfasst werden können.The plate-shaped flat design of the
Wie aus
Die Ebene der Windungen 24 des Leiterdrahts der Induktionsspule 56 ist dabei im Wesentlichen parallel zu der zugeordneten Seitenfläche 12 oder 14 der Schiene 8 angeordnet. Wie durch
Der Induktor 6 ist bevorzugt derart angeordnet, dass der durch seine Induktionsspule 24 erzeugte magnetische Fluss bzw. die Magnetfeldlinien 28 vorzugsweise senkrecht zu einer Oberfläche 12 bzw. 14 einer Schiene 8 bzw. eines Weichenbauteils einer Weiche 10 verlaufen (
Der in der Schiene 8 induzierte Strom verursacht eine Erwärmung der Schiene 8 im Bereich der Weiche 10. Die Erwärmung der Schiene oder der Schienen 8 im Bereich der Weiche 10 bewirkt, dass sich zwischen den Schienen und den Führungen der Weiche für die Schienen keine Eis- oder Schneeschicht ausbilden kann, welche eine Bewegung der durch die Weiche 10 bewegten Schienen 8 blockieren könnte.The current induced in the
Alternativ oder zusätzlich zu den Schienen 8 könnten auch Weichenbauteile der Weiche 10 durch Induktoren 6 induktiv beheizt werden, welche hierzu entsprechend angeordnet werden, so dass die Magnetfeldlinien annährend senkrecht in Flächen der Weichenbauteile eindringen können, an denen die Induktoren 6 angeordnet sind..Alternatively, or in addition to the
Der Magnetfelderzeuger setzt sich daher bevorzugt aus mehreren, bevorzugt in Serie geschalteten einzelnen Induktoren 6 zusammen, die eine jeweils identische oder unterschiedliche Länge ihres Leiterdrahts bzw. identische oder unterschiedliche physikalische Eigenschaften hinsichtlich ihres Leiterdrahts (Induktivität, Material, Durchmesser, Anzahl der Windungen 24 etc.) besitzen. Um eine gleiche Energieerzeugung je Länge zu gewährleisten, werden die einzelnen Induktoren 6 in dem elektrischen Kreis 4 bevorzugt seriell geschaltet.The magnetic field generator is therefore preferably composed of a plurality of
Alternativ können bei Teil- oder Gesamtübereinstimmung der physikalischen Eigenschaften der einzelnen Induktoren 6 diese auch teilweise oder insgesamt parallel in den elektrischen Kreis 4 geschaltet werden. Denkbar ist aber auch eine Kombination von Serien- und Parallelschaltung der einzelnen Induktoren 6.Alternatively, with partial or total agreement of the physical properties of the
Bei serieller Schaltung können die einzelnen Induktoren 6 an die örtlichen Schienenverhältnisse bestens angepasst werden, indem sie in variablen Längen bezogen auf die Schienenlängsrichtung hergestellt werden. Sie können auch abwechselnd linksseitig und rechtsseitig an der betreffenden Schiene 8, dann insbesondere auch in Längsrichtung der Schiene 8 gesehen überlappend angebracht werden.In the case of a serial circuit, the
Die Induktoren 6 können so in den elektrischen Kreis 4 verschaltet werden, dass sie das magnetische Feld nicht nur in gleicher Richtung bevorzugt senkrecht zur Seitenfläche 12, 14 der Schiene 8 erzeugen, sondern beispielsweise auch in entgegen gesetzter Richtung, jedoch wiederum bevorzugt senkrecht zur Seitenfläche 12, 14 der Schiene 8.The
In
Die Induktoren 6 werden mit einer Außenfläche ihres Trägerkörpers 26 bevorzugt direkt oder mit einem minimalen Abstand bevorzugt seitlich an den Schienen 8 befestigt. Hierzu kann der die Windungen 24 des Leiterdrahts tragende Trägerkörper 26 so ausgeformt sein, dass sich seine zur Seitenfläche 12, bzw. 14 der betreffenden Schiene gewandte Seitenfläche an die Seitenfläche 12 bzw. 14 der Schiene 8 lückenlos anschmiegt.The
Die Eigenwärme der Induktoren 6 wird auf diese Weise direkt auf die Schienen 8 durch kontaktierenden Wärmeübergang übertragen, wobei die Induktoren 6 auch durch Schienen 8 gekühlt werden. Die Befestigung der Induktoren 6 an den Schienen 8 erfolgt durch beliebige Befestigungsvorrichtungen, vorzugsweise durch Schrauben, Kleben, Permanentmagnete oder durch mechanische Klemmsysteme. Die Befestigung der Induktoren 6 an den Schienen 8 muss so ausgelegt sein, dass sie gegen den Witterung und mechanische Belastung wie Vibrationen ausreichend widerstandsfähig ist.The intrinsic heat of the
Eine bevorzugte Befestigungsvorrichtung zur Befestigung eines plattenförmigen Induktors an einer Seitenfläche einer Schiene besteht beispielsweise in einer L-förmigen elastischen Klammer 30, mit einem den Schienenfuß wenigstens teilweise umgreifenden ersten Schenkel 32 und einen den Induktor 6 an der Seitenfläche 12 bzw. 14 der Schiene 8 haltenden zweiten Schenkel 34, wie in
Der erste Schenkel 32 umgreift dabei den Schienenfuß 18 von unten. Der zweite Schenkel 34 übt dann eine seitliche Vorspannung auf den Induktor 6 aus, so dass dieser gegen die Seitenfläche 12 bzw. 14 der Schiene 8 gedrängt wird. Mithin basiert die Befestigung der Induktoren 6 an den Seitenflächen 12 bzw. 14 der Schienen 8 auf Reibschluss, der von der Vorpsnanung der Schenkel 32, 34 der Klammer 30 ausgeübt wird. Der zweite Schenkel 34 einer solchen Klammer 30 kann dabei derart ausgebildet sein, dass die Enden des zweiten Schenkels 34 jeweils abgebogen an den Stirnflächen der plattenförmigen Induktoren 6 angreifen und diese dadurch in vertikaler Richtung fixieren.The
In einem Mittelteil kann der zweite Schenkel 34 zudem eine vom Induktor 6 aus gesehen konvexe Ausbauchung 36 aufweisen, um den Induktor 6 bzw. einen Abschirmkörper 38 zu kontaktieren, damit eine seitliche Anpresskraft auf den Induktor 6 bzw. den Abschirmkörper 38 ausgeübt wird, die vom ersten Schenkel 32 dann am Schienenfuß 18 abgestützt wird. Die Klammer 30 wird dann im Querschnitt von
Wie aus
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform, in welcher die Betriebsparameter Frequenz und/oder Pulsweite des Generators 2 manuell einstellbar sind, ist eine in
Wie in
Die manuelle Einstellung der Frequenz und/oder der Pulsweite kann dann selbstverständlich vor dem Betrieb der Vorrichtung 1 erfolgen oder auch während des laufenden Betriebs.The manual adjustment of the frequency and / or the pulse width can of course be done before the operation of the
Gemäß einer weiteren, ebenfalls in
Zur Sensierung der Führungsgröße oder der Führungsgrößen ist eine entsprechende Sensorik 48 vorgesehen, die in
Geregelt wird die elektrische Ausgangsleistung des Generators 2, welche dem oder den Induktoren 6 zugeführt wird, abhängig von der Führungsgröße oder von den Führungsgrößen wiederum durch Änderung der Pulsweite und/oder der Frequenz des Erreger-Wechselstroms, welcher den oder die Induktoren 6 durchfließt. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Sensorik 48 wenigstens einen Umgebungstemperatursensor zur Messung der Umgebungstemperatur und/oder wenigstens einen an der Schiene/Weiche 8, 10 verbauten Temperatursensor (Messung der Temperatur wenigstens einer Schiene 8 oder von Weichenbauteilen im Bereich einer Weiche 10), wobei Temperatursignale für die Ist-Umgebungstemperatur bzw. für die Ist-Schienen-/Weichentemperatur in den Mikroprozessor 44 eingesteuert werden, in welchem die Steuer- oder Regelalgorithmen implementiert sind.The electric output power of the
Die Leistungsregelung des Generators 2 wird bevorzugt durch eine kontinuierliche Veränderung der Pulsweite bewerkstelligt. Es ist auch möglich, die Leistungsregelung durch Frequenzmodulation vorzunehmen. Allerdings fällt dann der Wirkungsgrad etwas schlechter aus.The power control of the
Ein Beispiel für einen Leistungsregelvorgang ist in
Ist daher bei dem Beispiel von
Gemäß eines weiteren, in
Über das Display 46 der Bedieneinrichtung 40 können die unteren und oberen Temperaturgrenzwerte To, Tu wie auch die mittlere Temperatur Tav eingegeben werden. Es handelt sich dabei um Erfahrungswerte, diese können aber bei Bedarf den Verhältnissen vor Ort angepasst werden.Via the
Alle Regelvorgänge können linear verlaufen (P-Regelung). Es ist aber auch möglich die Regelvorgänge als PI- oder als PID-Regelung auszuführen oder untereinander zu kombinieren. Mithin sind beliebige Regelalgorithmen möglich.All control operations can be linear (P control). But it is also possible to perform the control operations as PI or PID control or to combine with each other. Consequently, any control algorithms are possible.
Im Beispiel von
Es ist aber auch möglich, über die Bedieneinrichtung 40 einen frei wählbaren temperaturabhängigen Korrekturfaktor festzulegen. Beispielsweise gibt der Korrekturfaktor einen Prozentsatz der für die mittlere Temperatur Tav festgelegten Leistungsabgabe je °C an. Die Regelung bezieht sich dann auf die mittlere Temperatur Tav und verändert die Leistungsabgabe z.B. zwischen Null und zulässiger maximaler elektrischer Leistung. Auch hier können vorteilhaft zwei unterschiedliche Korrekturfaktoren für beide Richtungen, ausgehend von der mittleren Temperatur Tav nach oben bis zum oberen Temperaturgrenzwert und nach unten bis zum unteren Temperaturgrenzwert festgelegt werden.But it is also possible to set a freely selectable temperature-dependent correction factor via the operating device 40. For example, the correction factor indicates a percentage of the power output per ° C set for the average temperature Tav. The regulation then refers to the average temperature Tav and changes the power output eg between zero and maximum permissible electrical power. Again, two different advantageous Correction factors for both directions, starting from the average temperature Tav up to the upper temperature limit and down to the lower temperature limit.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die Leistung des Generators 2 mittels des Mikroprozessors 44 durch Änderung der Pulsweite und/oder der Frequenz des vom Generator 2 ausgesteuerten Erreger-Wechselstroms abhängig von der Umgebungstemperatur und/oder von der Schienen-/Weichentemperatur nach wenigstens einem vorgegebenen Kennfeld gesteuert. Diese Temperaturen werden wiederum von entsprechenden Sensoren dem Mikroprozessor 44 gemeldet, in dem das Kennfeld gespeichert ist.According to a further embodiment, the power of the
In einem frei bestimmbaren Umgebungstemperaturbereich, insbesondere in einem Temperaturbereich von +5 °C bis - 15 °C wird die Abgabe von elektrischer Energie beispielsweise über die Pulsweite des Erreger-Wechselstroms nach einem bestimmten Algorithmus, beispielsweise linear wie in
Da der Generator 2 bevorzugt keinen Resonanz- oder Schwingkreis aufweist und daher resonanzfrei arbeitet, ist weiterhin die Frequenz des Erreger-Wechselstroms im Hinblick auf die physikalischen Eigenschaften der Induktoren 6 frei einstellbar. Die Höhe der induzierten Ströme ist frequenz- und feldstärkeabhängig. Die Feldstärke ist bei gegebenen Verhältnissen direkt proportional zu dem Erreger-Wechselstrom, der den Induktor 6 oder die Induktoren 6 durchfließt.Since the
Das Optimum für die Energieübertragung, insbesondere für den Wert der Frequenz des Erreger-Wechselstroms wird deshalb durch die physikalischen Eigenschaften des Induktors 6 oder der Induktoren 6 bestimmt. Es wurde festgestellt, dass ein besonders hoher Wirkungsgrad in einem mittelfrequenten Bereich von 5 kHz bis 15 kHz erzielt wird. Der elektrische Energiebedarf der Vorrichtung liegt dann durchschnittlich unter 250 W/m was ungefähr einer magnetischen Feldstärke H von 200 A/m. Dieser Wert ist induktorabhängig, er kann auch unter 100 A/m liegen) entspricht. Die Temperaturerhöhung dT in der Schiene 8/Weiche 10 bei einer konstanten Zufuhr elektrischer Energie liegt bei ungefähr 20 K.The optimum for the energy transfer, in particular for the value of the frequency of the excitation alternating current is therefore determined by the physical properties of the
Gemäß einer Betriebsart wird die induktive Weichen- und/oder Schienenheizvorrichtung 1 beispielsweise von einer Bahnzentrale aus bei Bedarf aus der Ferne ein- oder ausgeschaltet, wobei dann ein Betrieb beispielsweise mit zuvor eingestellten konstanten Betriebsparametern (Frequenz, Pulsweite), mit während des Betriebs kennfeldgesteuert oder manuell variierten Betriebsparametern (Frequenz, Pulsweite) wie auch geregelt möglich ist.According to one mode of operation, the inductive point and / or
Gemäß einer weiteren Betriebsart wird die induktive Weichen- und/oder Schienenheizvorrichtung 1 kontinuierlich über eine vorgegebene Heizperiode (z.B. von Oktober bis März eines jeden Jahres auf der nördlichen Halbkugel) mit konstant eingestellter elektrischer Leistung, mit variabel manuell oder kennfeldgesteuerter Leistung oder mit geregelter Leistung betrieben.According to a further mode of operation, the inductive point and / or
Da die Temperaturanstiegsgeschwindigkeit in der Schiene 8/Weiche 10 direkt von der abgegebenen elektrischen Leitung des Generators 2 abhängt, kann die elektrische Leistung des Generators 2 gemäß einer weiteren Betriebsart unmittelbar nach dem Einschalten des Generators 2 oder unmittelbar nach einer Aktivierung der Vorrichtung 1 für eine bestimmte Zeitspanne erhöht und danach auf einen Betriebswert zurück gefahren werden. Wenn der Mikroprozessor, der den Generator 2 steuert im Regelmodus arbeitet, wird für diese Zeitspanne die Regelung ausgesetzt. Allerdings kann die Regelung auch so eingestellt werden, dass sich diese Betriebsart nach dem Einschalten der Vorrichtung 1 oder des Generators 2 automatisch einstellt.Since the temperature rise rate in the
Für die Erzeugung des elektromagnetischen Felds durch die Induktoren 6 werden diese vorzugsweise ausschließlich durch periodische Schwingfunktionen des Erreger-Wechselstroms erregt. Mittels viereckigen Spannungspulsen werden bevorzugt symmetrische trapezförmige Strompulse mit frei einstellbarem Verhältnis zwischen einem dynamischen und einem statischen Anteil erzeugt. Für einen Prozessablauf kann mittels der Bedieneinrichtung 40, welche den Mikroprozessor 44 steuert, zwischen Betriebsarten eines Konstantmodus, eines Frequenzmodus, eines Pulsweitenmodus und eines den Frequenzmodus und den Pulsweitenmodus kombinierenden Magnetflussmodus gewählt werden. Weiterhin existiert auch ein Basismodus, gemäß welchem die Eigenschaften des Erreger-Wechselstroms nicht verändert werden. Diese Betriebsarten bzw. Modi des Generators 2 sind als Steuerungssoftware im Mikroprozessor 44 gespeichert und können über die Bedieneinrichtung 40 eingestellt werden.For the generation of the electromagnetic field by the
Die im Mikroprozessor 44 implementierte Steuerungssoftware für den Generator 2 zur Erzeugung von Magnet-Wechselfeldern beinhaltet bevorzugt eine Kombination höherer Frequenzen, bevorzugt Frequenzen im kHz-Bereich, mit einer überlagerten Modulation im niederfrequenten Bereich derart, dass bevorzugt ausschließlich Schwing- oder Wechselfunktionen (und damit keine Impuls- bzw. Pulsfunktionen) mit einem rechteckförmigen Spannungsverlauf und trapezförmigen Stromverlauf entstehen.The implemented in the
Damit lassen sich diese Verläufe aus einem Frequenzbereich von beispielsweise 5 kHz bis 60 kHz, bevorzugt 5 kHz bis 15 kHz durch frei wählbare Zeitabschnitte kontinuierlich übergeordnet modulieren, wobei die übergeordnete Modulation vorzugsweise in einem Bereich zwischen 0,1 bis 10 Hz liegt. Technisch möglich wäre auch ein Bereich zwischen 0 Hz (kein Wechselfeld) und 50 Hz, sofern eine Kontinuität bei Frequenzen höher 10 Hz darstellbar ist. Praktisch betrachtet ergibt sich dadurch bei einer Abschnittszeit von einer Sekunde eine übergeordnete Modulation von 0,5 Hz, bei einer Abschnittszeit von 100 ms eine übergeordnete Modulation von 5 Hz, und so weiter. Die Frequenzwerte werden entsprechend dem Takt des Mikroprozessors 44 geändert, beispielsweise tausendmal pro Sekunde. Diese Vorgehensweise ist auf alle oben genannten Betriebsarten anwendbar. Der niederfrequente Bereich von vorzugsweise 0,1 Hz bis 10 Hz, indem die übergeordnete Modulation liegt, kann vorteilhaft die Wirkungen der resultierenden Änderungen des elektromagnetischen Felds auf die Schiene/Weiche verstärken.Thus, these curves from a frequency range of, for example, 5 kHz to 60 kHz, preferably 5 kHz to 15 kHz continuously modulate through freely selectable periods of time, wherein the higher-order modulation is preferably in a range between 0.1 to 10 Hz. Technically possible would be a range between 0 Hz (no alternating field) and 50 Hz, if a continuity at frequencies higher 10 Hz can be represented. In practical terms, this results in a higher-level modulation of 0.5 Hz for a section time of one second, a higher-level modulation of 5 Hz for a section time of 100 ms, and so on. The frequency values are changed according to the clock of the
Gemäß einer Basisbetriebsart des Generators 2 werden die Frequenz wie auch die Pulsweite des Erreger-Wechselstroms konstant gehalten.According to a basic mode of operation of the
Gemäß einer ersten Betriebsart des Generators 2 wird die Frequenz des Erreger-Wechselstroms kontinuierlich verändert, während die Pulsweite konstant bleibt. Zusätzlich zu den allgemein bekannten Vorteilen einer Frequenzmodulation lässt sich eine kontinuierliche Frequenzveränderung günstig in einer Steuerungssoftware realisieren.According to a first operating mode of the
Gemäß einer zweiten Betriebsart des Generators 2 wird die Pulsweite des Erreger-Wechselstroms kontinuierlich verändert, während die Frequenz des Erreger-Wechselstroms konstant bleibt. Bei der Realisierung der kontinuierlichen Pulsweitenänderung beispielsweise beispielsweise mittels MOSFETs oder IGBTs können diese vorteilhaft im verlustarmen Schaltbetrieb arbeiten. Weiterhin vorteilhaft ist die darzustellende Information anstatt in binären Weise in einem kontinuierlichen Pulsbreitenverhältnis enthalten.According to a second mode of operation of the
Weiterhin existiert eine dritte Betriebsart des Generators 2, welche eine Kombination aus der ersten und zweiten Betriebsart darstellt, wobei sowohl die Frequenz als auch die Pulsweite des Erreger-Wechselstroms kontinuierlich verändert werden. Diese dritte Betriebsart verbindet besonders vorteilhaft die Vorteile der kontinuierlichen Pulsweitenänderung und der kontinuierlichen Frequenzänderung. Hierbei werden sowohl die Frequenz als auch die Pulsweite kontinuierlich bevorzugt derart verändert, dass der magnetische Fluss konstant bleibt.Furthermore, there is a third mode of the
Die Generatorsteuerung im Mikroprozessor 44 ist so aufgebaut, dass die genannten Betriebsarten frei programmier- und speicherbar sind.The generator control in the
Die Endstufe 52 des Generators 2 arbeitet mit einem Spannungszwischenkreis und ist, wie in
Vorteilhaft ist das zeitliche Verhältnis zwischen einem dynamischen und einem statischen Verlauf des sich am Induktor 6 einstellenden magnetischen Felds frei einstellbar. Aufgrund der unterschiedlichen Wirkungen dynamischer und statischer magnetischer Felder kann hierdurch eine gewünschte Gesamtwirkung abgestimmt werden. Bei elektrisch leitenden Lasten gibt es keine statischen Verläufe, bei ferromagnetischen Lasten sind sie unmöglich, bei paramagnetischen oder diamagnetischen Lasten sind sie übertragungsabhängig , je mehr induziert wird desto entfernter ist die "Statik".Advantageously, the time relationship between a dynamic and a static profile of the
Auch vorteilhaft ist es, wenn Grenzwerte für alle Betriebsarten frei einstellbar sind. Dies stellt sicher, dass anwendungsbezogene gegebenenfalls vorhandene Grenzwerte sicher eingehalten werden können.It is also advantageous if limit values for all operating modes are freely adjustable. This ensures that application-related limit values can be reliably met.
Ferner vorteilhaft ist es, wenn für die einzelnen Betriebsarten benötigte Zeitkonstanten sämtlich frei einstellbar sind. Dies verbessert die Steuerbarkeit des Generators 2 und damit des zu erzeugenden elektromagnetischen Felds.It is also advantageous if time constants required for the individual operating modes are all freely adjustable. This improves the controllability of the
Bevorzugt weisen die erste, zweite und dritte Betriebsart Signalverläufe mit variabler Periodenzahl auf. Dies verbessert ebenfalls vorteilhaft die Steuerbarkeit des zu erzeugenden elektromagnetischen Felds. Alternativ können die erste, zweite und dritte Betriebsart Signalverläufe mit konstanter Periodenzahl aufweisen. Dies verbessert ebenfalls vorteilhaft die Steuerbarkeit des zu erzeugenden elektromagnetischen Felds.The first, second and third operating modes preferably have signal waveforms with a variable period number. This also advantageously improves the controllability of the electromagnetic field to be generated. Alternatively, the first, second and third modes may include constant period waveforms. This also advantageously improves the controllability of the electromagnetic field to be generated.
Wie oben ausführlich dargestellt, wird für die Leistungssteuerung oder Leistungsregelung des Generators 2 eine Frequenz- und/oder Pulsweitenmodulation durchgeführt.As detailed above, a frequency and / or pulse width modulation is performed for the power control or power control of the
Bei im Freien angeordneten Generatoren 2 kann es aus thermischen Gründen nicht ratsam sein, während einer sehr kalten Periode beispielsweise bei Umgebungstemperaturen von -20 °C und weniger die volle Generatorleistung schlagartig einzuschalten. Vorteilhafter ist es dann, die Leistung des Generators 2 rampenartig hochzufahren. Im Rahmen eines Startmodus des Generators 2 wird bei konstanter Frequenz f die Generatorleistung durch Variieren der Pulsweite PW eingestellt, bzw. gesteuert oder geregelt.For
Das Diagramm von
Einige Beispiele von Impulsfunktionen für eine beliebige zeitabhängige physikalische Größe g, hier der Erreger-Wechselstrom der Induktionsspulen 56, die überwiegend als Hüllkurve mehrerer Pulse entstehen, sind in den
Des Weiteren sind Verfahren bekannt, bei den periodische Schwingfunktionen in Form von symmetrischen oder asymmetrischen Sägezähnen als Einzelwelle mit einer Periode von z.B. 10 ms (T1, entsprechend 100 Hz) mit einer Wiederholungsrate von 100 ms (T2, entsprechend 10 Hz) angewendet werden. Beispiele solcher periodischer Schwingfunktionen sind in den
Wird im Weiteren eine Funktion als "Impuls" oder "Puls" bezeichnet, handelt es sich immer um einen Funktionsverlauf während einer Halbperiode. Danach folgt immer ein Puls mit umgekehrtem Vorzeichen. Bei einem Spannungsverlauf erfolgen die positiven und negativen Pulse mit einer Nullphase zwischen den beiden Halbwellen, bei einem Stromverlauf und/oder einem Feldverlauf ist diese Folge lückenlos. In diesem Fall bilden die beiden Halbwellen eine periodische Wechselfunktion.If, in the following, a function is referred to as "pulse" or "pulse", it is always a function course during a half-period. This is followed by a pulse with the opposite sign. In the case of a voltage curve, the positive and negative pulses take place with a zero phase between the two half-waves; in the case of a current profile and / or a field profile, this sequence is uninterrupted. In this case, the two half-waves form a periodic alternating function.
Der magnetische Fluss Φ ist direkt proportional zu dem elektrischen Strom I, der ihn verursacht. Die Proportionalkonstante heißt Induktivität L und stellt die charakteristische Größe eines Induktors dar:
Die vorstehende Gleichung besagt gleichzeitig, dass der Verlauf des magnetischen Flusses in linearen Systemen dem Stromverlauf treu folgt. Steigt der Strom i linear, steigt auch der Fluss Φ linear, ist der Strom i konstant, nimmt auch der Fluss Φ einen konstanten Wert an.The above equation states at the same time that the course of the magnetic flux in linear systems faithfully follows the course of the current. If the current i increases linearly, the flux Φ also increases linearly; if the current i is constant, the flux Φ also assumes a constant value.
Da es sich in diesen Fällen um lineare Systeme und zeitabhängige Verläufe, d.h. um Wechselströme handelt, kann die Gleichung nach der Zeit differenziert werden:
wobei die induzierte Spannung
ist. Je höher die Frequenz f ist, desto höher ist auch die induzierte Spannung u. Allerdings ist auch eine hohe Feldstärke Φ notwendig, d.h. es wird dazu ein größerer Strom i benötigt. Strom i und Feldstärke Φ zusammen bestimmen den Arbeitsbereich (Spannung und Frequenz) am Generatorausgang.Since these are linear systems and time-dependent curves, ie alternating currents, the equation can be differentiated by time:
the induced voltage
is. The higher the frequency f, the higher the induced voltage u. However, a high field strength Φ is also necessary, ie it requires a larger current i. Current i and field strength Φ together determine the working range (voltage and frequency) at the generator output.
Als besonders vorteilhaft hat sich eine senkrecht zu einer Fläche der Schiene, insbesondere zu einer Seitenfläche der Schiene verlaufende Richtung der Feldlinien gezeigt (siehe
Wie oben erläutert, wird eine Steuerung oder Regelung der Leistung des Generators 2 mittels einer Frequenzmodulation als eine erste Betriebsart bezeichnet, eine Steuerung oder Regelung mittels einer Pulsweitenmodulation als eine zweite Betriebsart bezeichnet, und eine Steuerung oder Regelung mittels einer Kombination aus einer Frequenzmodulation und einer Pulsweitenmodulation als eine dritte Betriebsart bezeichnet.As explained above, a control of the power of the
Es werden bevorzugt ausschließlich periodische Schwingfunktionen angewendet, die sowohl positive als auch negative Werte annehmen, ohne dass diese in einem definierten Verhältnis zueinander stehen müssen. Eine periodische Funktion erfüllt die Gleichung:
Im Grenzfall gehen die Schwingfunktionen in Wechselfunktionen über, wobei die positiven und negativen, durch die Spannungskurve begrenzten Flächen innerhalb einer Periode identisch sind.In the limiting case, the oscillating functions are transformed into alternating functions, whereby the positive and negative areas bounded by the voltage curve are identical within one period.
Sowohl die positiven als auch die negativen Spannungspulse sind rechteckig. In
Gemäß einer Basisbetriebsart des Generators wird eine konstante Frequenz f und eine konstante Pulsweite PW beibehalten. Der Generator 2 arbeitet dann in einem so genannten
Die erste Betriebsart oder Frequenzmodus ermöglicht über entsprechende Steuerungsvorgaben ein periodisches bzw. aperiodisches Durchlaufen eines beliebigen frei wählbaren Frequenzbereichs, wobei die Frequenz f über entsprechende frei wählbare Zeitkonstanten erhöht oder abgesenkt wird. Die Pulsweite PW bleibt dabei konstant. Dies entspricht einer in
Besonders dieser Modus ist vorteilhaft, weil aus einer höheren Frequenz f ein niedrigerer Strom i resultiert und somit der Energieverbrauch sinkt und sich zugleich die Übertragung verbessert, d.h. die induzierte Spannung u und damit die induzierten Ströme i werden größer.Especially this mode is advantageous because from a higher frequency f a lower current i results and thus the power consumption decreases and at the same time the transmission improves, i. the induced voltage u and thus the induced currents i become larger.
In
Die zweite Betriebsart oder Pulsweitenmodus ermöglicht über entsprechende Steuerungsvorgaben ein periodisches bzw. aperiodisches Durchlaufen eines beliebigen Pulsweitenbereiches bei konstanter Frequenz. Dies entspricht einer in
Die Vorgehensweise bei dieser zweiten Betriebsart ergibt sich analog zur ersten Betriebsart f_mode.The procedure for this second operating mode is analogous to the first operating mode f_mode.
Beide Betriebsarten, die erste Betriebsart (Frequenzmodus) und die zweite Betriebsart (Pulsweitenmodus) haben gleichzeitig eine Stromänderung und damit auch eine Flussänderung zur Folge. Beide Größen können kontinuierlich, d.h. rampenförmig, oder sprunghaft zwischen zwei frei wählbaren Grenzwerten verändert werden.Both operating modes, the first operating mode (frequency mode) and the second operating mode (pulse width mode) simultaneously result in a change in current and thus also in a flux change. Both quantities can be continuous, i. be changed in a ramp, or jump between two freely selectable limits.
Es ist vorzugsweise vorgesehen, dass alle Änderungen symmetrisch oder asymmetrisch vorgenommen werden können. Alternativ kann der Ablauf der ersten und der zweiten Betriebsart nur in einer Richtung erfolgen, z.B. in einem Frequenzzyklus beispielsweise von 10 kHz bis 30 kHz. Nach Erreichen der 30 kHz Grenze erfolgt automatisch ein Sprung zurück auf 10 kHz, wonach die Frequenz wieder auf 30 kHz ansteigt. Der Frequenzzyklus kann mit variabler Pulszahl und gleicher Zeit für alle Frequenzen, d.h. mit steigender Frequenz mit höherer Pulszahl oder mit gleicher Schrittgröße, z.B. 1 kHz und gleicher Pulszahl, z.B. 10 für alle Frequenzen erfolgen. Die zweite Einstellung ergibt dann einen Frequenzzyklus von 13,3 s. Sowohl die Schrittgröße als auch die Pulszahl sind wieder frei wählbare Größen. Diese Ausführungen gelten analog auch für den Pulsweitenmodus oder für die zweite Betriebsart.It is preferably provided that all changes can be made symmetrically or asymmetrically. Alternatively, the sequence of the first and the second mode of operation can only take place in one direction, for example in a frequency cycle of, for example, 10 kHz to 30 kHz. After reaching the 30 kHz limit, a jump automatically takes place back to 10 kHz, after which the frequency rises again to 30 kHz. The frequency cycle can be done with variable pulse rate and the same time for all frequencies, ie with increasing frequency with higher pulse rate or with the same step size, eg 1 kHz and the same pulse rate, eg 10 for all frequencies. The second setting then gives a frequency cycle of 13.3 s. Both the step size and the number of pulses are again freely selectable quantities. These explanations also apply analogously to the pulse width mode or for the second mode of operation.
In
In
Die dritte Betriebsart beinhaltet in Form eines Magnetflussmodus die Kombination der beiden vorstehend erwähnten ersten und zweiten Betriebsarten (Frequenzmodus und Pulsweitenmodus) mit dem Ziel, den magnetischen Fluss Φ konstant zu halten:
Mit steigender Frequenz und konstanter Pulsweite nimmt der Strom durch die Induktionsspule 56 und damit auch der Magnetfluss ab. Um den Magnetfluss konstant zu halten, wird daher bei steigender Frequenz die Pulsbreite oder Pulsweite so erhöht, dass der durch die Induktionsspule 56 fließende Strom konstant bleibt.With increasing frequency and constant pulse width, the current through the
Alle Vorgaben können über beliebige, frei wählbare Zeit- oder Pulszahl-Konstanten entweder manuell (mittels beispielsweise einer Tastatur) oder automatisiert (beispielsweise mittels der Steuerung oder der Regelung) eingestellt werden.All defaults can be set via any arbitrary time or pulse rate constants either manually (by means of a keyboard, for example) or automatically (for example, by means of the control or the control).
Wie vorstehend beschrieben wurde, beinhaltet die Vorrichtung 1 einen Generator 2 mit zumindest einer Induktionsspule 56 zur Erzeugung eines elektromagnetischen Felds mit Wechselstrom in Form von bevorzugt periodischen Schwingfunktionen, wobei vorzugsweise periodische Schwingfunktionen mit trapezförmigem Stromverlauf erzeugt und angewendet werden.As described above, the
Positive und negative Werte der Schwingfunktionen über die jeweilige Halbperiode stehen bevorzugt in keinem definierten Verhältnis zueinander. Die am Ausgang des Generators 2 anstehende Spannung wird bevorzugt in Form von viereckigen Pulsen erzeugt. Der durch die Induktionsspule 56 fließende Strom nimmt bevorzugt eine symmetrische Trapezform an. Das zeitliche Verhältnis zwischen dem dynamischen Pulsverlauf (abfallende und ansteigende Flanke) und dem statischen Pulsverlauf (parallel zur Zeitachse) ist frei einstellbar. Die trapezförmigen Strompulse werden bevorzugt als Einzelpulse ohne zusätzliche Frequenzmodulation erzeugt. Der frei einstellbare Frequenzbereich liegt vorzugsweise zwischen 5 kHz und 15 kHz.Positive and negative values of the oscillatory functions over the respective half-period are preferably not in any defined relationship to one another. The voltage present at the output of the
Der Generator 2 arbeitet in der ersten Betriebsart "Frequenzmodus" bei konstanter Pulsweite und gemäß der zweiten Betriebsart "Pulsweitenmodus" bei konstanter Frequenz. Die Frequenz und die Pulsweite können gemäß der dritten Betriebsart in gegenseitiger Abhängigkeit so verändert werden, dass der Magnetfluss konstant bleibt. Die Grenzwerte für alle Betriebsarten sind über die Bedieneinrichtung 40 frei einstellbar. Alle. für die einzelnen Betriebsarten benötigten Zeitkonstanten sind ebenfalls über die Bedieneinrichtung 40 frei einstellbar. Die Signalverläufe sind dabei symmetrisch oder asymmetrisch. Die Abläufe können mit variabler Pulszahl oder mit konstanter Pulszahl erfolgen. Der Generator 2 weist hierzu eine durch die Bedieneinrichtung 40 frei programmierbare Steuerung auf. Die freiprogrammierbare Steuerung ist in einem Mikroprozessor 44 implementiert.The
Ein durch den Mikroprozessor 44 wie oben beschrieben gesteuerter Generator 2 wird daher verwendet, um in einer induktiven Weichen- und/oder Schienenheizvorrichtung 1 zur Befestigung an einer Schiene 8 oder an einer Weiche 10 vorgesehene Induktoren 6 mit Wechselstrom zu versorgen, wobei der durch den Mikroprozessor 44 gesteuerte oder geregelte Generator 2 die Frequenz f und/oder die Pulsweite PW des Erreger-Wechselstroms der Induktoren 6 verändert.A controlled by the
Mit anderen Worten wird eine in
- a) einem von einer
Wechselspannungsquelle gespeisten Generator 2, - b) einer
Leitungsverbindung 22zwischen dem Generator 2 und wenigstens einem wenigstens eine Induktionsspule 56enthaltenden Induktor 6 zur Versorgung der wenigstens einen Induktionsspule 56 mitvon dem Generator 2 erzeugten Wechselstrom, und mit - c) einer Steuerungs-
40, 44, 48 zur Steuerung oder Regelung der elektrischen Leistung desoder Regelungseinrichtung Generators 2 durch Variieren der Frequenz f und/oder der Pulsweite PW des indie Induktionsspule 56 eingespeisten Wechselstroms - d) für eine Induktive Weichen- und/
oder Schienenheizvorrichtung 1 verwendet, bei welcher der wenigstens eine Induktor 6 aneiner Schiene 8 und/oder aneiner Weiche 10 eines Schienennetzes angeordnet ist und bei welcher aufgrund der mit demWechselstrom gespeisten Induktionsspule 56 inder Schiene 8 und/oder inder Weiche 10 durch elektromagnetische Induktion ein Strom induziert wird, welcher dieSchiene 8 und/oder dieWeiche 10 erwärmt.
- a) a
generator 2 fed by an AC voltage source, - b) a
line connection 22 between thegenerator 2 and at least one at least oneinduction coil 56 containinginductor 6 for supply the at least oneinduction coil 56 with alternating current generated by thegenerator 2, and with - c) a control or regulating
40, 44, 48 for controlling or regulating the electrical power of thedevice generator 2 by varying the frequency f and / or the pulse width PW of the fed into theinduction coil 56 alternating current - d) is used for an inductive point and / or
rail heating device 1, wherein the at least oneinductor 6 is arranged on arail 8 and / or on aswitch 10 of a rail network and in which due to theinduction coil 56 fed with the alternating current in therail 8 and / or in theswitch 10 by electromagnetic induction, a current is induced, which heats therail 8 and / or theswitch 10.
- 11
- Vorrichtungcontraption
- 22
- Generatorgenerator
- 44
- elektrischer Kreiselectrical circuit
- 66
- Induktorinductor
- 88th
- Schienerail
- 1010
- Weicheswitch
- 1212
- äußere Seitenflächeouter side surface
- 1414
- innere Seitenflächeinner side surface
- 1616
- SchienenmittelteilRail middle part
- 1818
- Schienenfußrail
- 2020
- Schienenkopfrailhead
- 2222
- Verbindungsleitungeninterconnectors
- 2424
- Windungenturns
- 2626
- Trägerkörpersupport body
- 2828
- Magnetfeldlinienmagnetic field lines
- 3030
- Klammerclip
- 3232
- erster Schenkelfirst leg
- 3434
- zweiter Schenkelsecond leg
- 3636
- Ausbauchungbulge
- 3838
- Abschirmkörpershielding
- 4040
- Bedieneinrichtungoperating device
- 4242
- Einstellmitteladjustment
- 4444
- Mikroprozessormicroprocessor
- 4646
- Displaydisplay
- 4848
- Sensoriksensors
- 5050
- Signalleitungsignal line
- 5252
- Endstufefinal stage
- 5656
- Induktionsspuleinduction coil
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