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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EP
European Patent Office
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rail
generator
inductor
heating device
switch
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Application number
EP12007123.8A
Other languages
German (de)
French (fr)
Other versions
EP2720513B1 (en
Inventor
Karel Prof. Dr. Mazac
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IFF GmbH
Original Assignee
IFF GmbH
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Publication date
Application filed by IFF GmbH filed Critical IFF GmbH
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Priority to HUE12007123A priority patent/HUE025617T2/en
Priority to PL12007123T priority patent/PL2720513T3/en
Publication of EP2720513A1 publication Critical patent/EP2720513A1/en
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    • EFIXED CONSTRUCTIONS
    • E01CONSTRUCTION OF ROADS, RAILWAYS, OR BRIDGES
    • E01BPERMANENT WAY; PERMANENT-WAY TOOLS; MACHINES FOR MAKING RAILWAYS OF ALL KINDS
    • E01B7/00Switches; Crossings
    • E01B7/24Heating of switches
    • EFIXED CONSTRUCTIONS
    • E01CONSTRUCTION OF ROADS, RAILWAYS, OR BRIDGES
    • E01BPERMANENT WAY; PERMANENT-WAY TOOLS; MACHINES FOR MAKING RAILWAYS OF ALL KINDS
    • E01B19/00Protection of permanent way against development of dust or against the effect of wind, sun, frost, or corrosion; Means to reduce development of noise
    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05BELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B6/00Heating by electric, magnetic or electromagnetic fields
    • H05B6/02Induction heating
    • H05B6/06Control, e.g. of temperature, of power
    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05BELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B6/00Heating by electric, magnetic or electromagnetic fields
    • H05B6/02Induction heating
    • H05B6/10Induction heating apparatus, other than furnaces, for specific applications
    • H05B6/101Induction 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

The device (1) has a generator (2) supplying alternating current (AC) sources over a line connection (22). An inductor (6) is supplied with AC and comprises an induction coil. The inductor is fastened at a rail (8) or a switch (10). Current is induced by electromagnetic induction due to the induction coil of the inductor in the rail or the switch is supplied with the AC. The current heats the rail or the switch. A control- or regulation device controls or regulates electric power of the generator by varying frequency and/or pulse width of the AC fed into the inductor. The control- or regulation device is a P-controller, a PI controller or a PID controller An independent claim is also included for a railway system for a rail vehicle.

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 claim 1.

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 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.

Nicht zuletzt betrifft die Erfindung auch die Verwendung einer Induktionseinrichtung mit

  1. a) einem von einer Wechselspannungsquelle gespeisten Generator,
  2. 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
  3. 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.
gemäß Anspruch 23.Last but not least, the invention also relates to the use of an induction device with
  1. a) a generator powered by an AC voltage source,
  2. 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
  3. 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.
according to claim 23.

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 US 6 727 470 B2 , welche auf Basis von Widerstandselementen (Heizpatronen) arbeiten, die auf dem Prinzip der ohmschen Energieerzeugung durch elektrischen Widerstand beruhen. Aufgrund dieses Funktionsprinzips ist jedoch eine relativ hohe elektrische Leistung notwendig. Die Oberflächentemperaturen von durch solchermaßen Weichen- oder Schienenheizungsvorrichtungen erwärmten Schienen oder Weichen erreichen relativ hohe Werte. Jedoch wird nur ein kleiner Teil der von den Heizpatronen erzeugten Wärme auf die Schiene bzw. auf die Weiche übertragen. Der größere Rest wird indes über Strahlung im infraroten Bereich an die Umgebung abgegeben. Damit geht aber ein großer Anteil der eingesetzten Energie verloren.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. Most widely used today are 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.

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 DE 43 38 750 A1 bekannt. Dort wird ein Generator verwendet, der ausschließlich einen in seiner Frequenz unveränderlichen, insbesondere hochfrequenten Wechselstrom für den Induktor erzeugt, welcher durch Löcher in den Seitenwänden von Schienen erstreckende einfache Drahtwindung ausgebildet ist.A generic inductive point and / or rail heating, for example, from DE 43 38 750 A1 known. There, 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.

Aufgabe der ErfindungObject of the invention

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 claim 1 and claim 20.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

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 650 W × 12 m × 24 h × 180 Tage × 200 = 6 739 200 MWh .

Figure imgb0001
This is particularly advantageous in view of the high number of points and rails only in German-speaking countries (about 200,000), which it is necessary to heat in the cold season. Joule-based heating systems consume 600 W to 700 W per meter of wire or cable length. With an assumed 6-month heating period and an average of 12 meters of rail / rail to be heated, the energy consumption of 650 W × 12 m × 24 H × 180 days × 200 = 6 739 200 MWh ,
Figure imgb0001

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

  1. 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
  2. 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
  3. 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.
According to a particularly preferable measure, the algorithms implemented in the microprocessor for controlling or regulating the power of the generator, a temperature range between a lower temperature limit and an upper temperature limit for the ambient temperature and / or for the rail / switch temperature can be predetermined
  1. 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
  2. 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
  3. 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

  1. a) einem von einer Wechselspannungsquelle gespeisten Generator,
  2. 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
  3. 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
  4. 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.
Last but not least, the invention also includes a use of an induction device with at least
  1. a) a generator powered by an AC voltage source,
  2. 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
  3. 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
  4. 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.
The invention will be described below with reference to embodiments with reference to the drawings. Show it
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.

Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the embodiments

Fig.1 stellt eine schematische Draufsicht auf eine induktive Weichen- und/oder Schienenheizvorrichtung 1 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dar. Diese Vorrichtung beinhaltet einen elektrischen Generator 2, der beispielsweise von einem üblichen Wechselstromnetz (50 Hz) mit Wechselstrom versorgt wird. Der Generator 2 ist Bestandteil eines elektrischen Kreises 4, welcher bevorzugt in Serie geschaltete Induktoren 6 beinhaltet. Fig.1 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.

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 Fig.1, Fig.2 und Fig.4 hervorgeht. Alternativ können die Induktoren 6 auch sowohl an der inneren Seitenfläche 14 der Schienen 8 als auch an den äußeren Seitenflächen 12 der Schienen 8 angeordnet sein, wie in Fig.2 angedeutet ist. Im vorliegenden Fall wird die Gängigkeit der Weiche 10 durch eine Beheizung von zwei parallelen Schienen 8 eines Schienenstrangs im Bereich der Weiche 10 durch die induktive Weichen- und/oder Schienenheizvorrichtung 1 auch bei niedrigen Temperaturen bzw. Vereisungsgefahr erhalten. Alternativ oder zusätzlich könnten aber auch Weichenbauteile der Weiche 10 beheizt werden.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.

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 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.

Induktoreninducers

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 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.

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 inductors 6 in combination with their attachment to the side surfaces 12, 14 of the rails 8 ensures that the inductors 6 can not be detected by the flanges of the wheels of the rail vehicles.

Wie aus Fig.3 hervorgeht, beinhaltet ein solcher Induktor 8 eine Induktionsspule 56 mit Windungen 24 eines Leiterdrahts, die innerhalb einer einzigen Ebene, insbesondere in der Plattenebene angeordnet sind. Die Anzahl der hier beispielsweise spiralförmig ausgeführten Windungen 24 kann der Fachmann bei Bedarf anpassen. Die Windungen 24 sind bevorzugt in einen plattenförmigen Trägerkörper 26 beispielsweise eingegossen, wobei jeweils ein Ende des Leiterdrahts der Windungen 24 aus dem Formkörper 26 herausragt, um an den elektrischen Kreis 4 angeschlossen werden zu können und um den elektrischen Kreis 4 zu schließen.How out Figure 3 As can be seen, 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 number of here, for example spirally designed turns 24, the expert can adjust as needed. 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.

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 Fig.6 veranschaulicht, bildet sich bei Wechselbestromung des Leiterdrahts der Windungen 24 eines Induktors 6 in einer bestimmten Richtung (Punkte im Kreis symbolisieren einen aus der Zeichenebene heraus fließenden Strom und ein Kreuz im Kreis einen in die Zeichenebene hinein fließenden Strom) ein Magnetfeld 28 aus, welches auch die betreffende, elektrisch leitende Schiene 8 erfasst und in diese bevorzugt im Wesentlichen senkrecht zur Seitenfläche 12 und/oder 14 eindringt, um dort durch Induktion einen Strom zu induzieren.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. How through Figure 6 illustrated, when Wechselbestromung the conductor wire of the windings 24 of an inductor 6 in a certain direction (dots in the circle symbolize a flowing out of the plane and a cross in the circle symbolizing a flowing current in the plane) 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.

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 (Fig.6).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 ).

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 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.

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 rails 8 also 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.

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 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.). ). In order to ensure the same energy production per length, the individual inductors 6 in the electrical circuit 4 are preferably connected in series.

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 individual inductors 6, these can also be connected partially or completely in parallel into the electrical circuit 4. It is also conceivable, however, a combination of series and parallel connection of the individual inductors. 6

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 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.

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 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.

In Fig.17 ist ein Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem an einer Schiene 8 angeordnete Induktoren 6 bevorzugt derart in den elektrischen Kreis 4 geschaltet sind (seriell oder parallel), dass ihre magnetischen Felder in gleicher Richtung verlaufen, dort symbolisiert jeweils durch das "+" im Kreis.In Figure 17 an embodiment is shown in which arranged on a 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.

Fig.18 zeigt indes eine Ausführung, bei welcher zwei im elektrischen Kreis 4 benachbart angeordnete Induktoren 6 magnetische Felder entgegen gesetzter Richtungen erzeugen, was dort durch das "+" im Kreis bzw. das "-" im Kreis symbolisiert wird. Insbesondere sind nach der Ausführungsform von Fig.18 die Induktoren 6 derart in dem elektrischen Kreis 4 verschaltet, dass entlang einer Schiene 8 ihre magnetische Polarität abwechselt. Durch die gegenläufige Polarität der Induktoren 6 entstehen höhere Temperaturen in den Schienen 8, so dass diese Maßnahme eine weitere Energieersparnis mit sich bringt. 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. In particular, according to the embodiment of Figure 18 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.

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 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. For this purpose, 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.

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 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.

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 Fig.4 gezeigt ist.A preferred fastening device for fastening a plate-shaped inductor on a side surface of a rail, for example, in an L-shaped elastic clip 30, with a first leg 32 at least partially embracing the rail and a holding the inductor 6 on the side surface 12 and 14 of the rail 8 second leg 34, as in Figure 4 is shown.

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 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. Thus, the attachment of the inductors 6 on the side surfaces 12 and 14 of the rails 8 based on frictional engagement, the Vorpsnanung of the legs 32, 34 of the clip 30 is exercised. 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.

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 Fig.4 gesehen auf Biegung belastet. Die Klammer 30 ist bevorzugt aus einem elektrisch leitfähigen Metall gefertigt.In a central part of 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.

Wie aus Fig.4 auch hervorgeht, ist dem zweiten Schenkel 34 der Klammer 30 und dem Induktor 6 wenigstens ein bevorzugt plattenförmiger Abschirmkörper 38 aus elektrisch nicht leitendem, aber magnetisch leitendem Material wie Ferrit zwischengeordnet. Dieser Abschirmkörper 38 sorgt dafür, dass sich die Klammer 30 nicht erwärmt, wenn die Windungen 24 des Induktors 6 von Wechselstrom durchflossen werden. Um eine Erwärmung der Klammer 30 zu verhindern oder mindestens zu begrenzen, wird diese daher bevorzugt durch einen ferromagnetisch und nicht leitenden Abschirmkörper 38 von den elektromagnetischen Primärfeldern abgeschirmt.How out Figure 4 Also shows, 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.

Manuelle Einstellung des GeneratorsManual setting of the generator

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform, in welcher die Betriebsparameter Frequenz und/oder Pulsweite des Generators 2 manuell einstellbar sind, ist eine in Fig.8a dargestellte Bedieneinrichtung 40 mit Einstellmitteln 42 zum manuellen und separaten Einstellen der Frequenz und/oder der Pulsbreite des in den elektrischen Kreis 4 und insbesondere in die Induktoren 6 eingespeisten Wechselstroms vorgesehen. Bevorzugt kann hier sowohl die Frequenz als auch die Pulsweite des Erreger-Wechselstroms durch die Einstellmittel variiert werden. Alternativ könnte auch lediglich einer dieser Betriebsgrößen oder Parameter variiert werden.According to a preferred embodiment, in which the operating parameters frequency and / or pulse width of the generator 2 are manually adjustable, is an in Figure 8a shown operating means 40 provided with 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. Preferably, both the frequency and the pulse width of the excitation alternating current can be varied here by the adjustment means. Alternatively, only one of these operating variables or parameters could be varied.

Wie in Fig.8a schematisch darstellt, steuert die Bedieneinrichtung 40 mit den Einstellmitteln 42 die eingestellten Werte für die Frequenz und/oder die Pulsweite in einen Mikroprozessor 44 ein, der wiederum den Generator 2 steuert, welcher dann über Treiber die genannten Größen im elektrischen Kreis einstellt. Dabei kann auch ein Display 46 vorhanden sein, auf dem die eingestellten Werte für Frequenz und Pulsweite dargestellt werden können.As in Figure 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. In this case, a display 46 may be present on which the set values for frequency and pulse width can be displayed.

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 device 1 or even during operation.

Leistungsregelungpower control

Gemäß einer weiteren, ebenfalls in Fig.8a gezeigten Ausführungsform könnte der Mikroprozessor 44 die Pulsweite und/oder die Frequenz des vom Generator 2 ausgesteuerten Erreger-Wechselstroms auch abhängig von wenigstens einer Führungsgröße wie der Umgebungstemperatur oder der Schienen-/Weichentemperatur oder auch abhängig von einer dieser Temperaturen in Kombination mit der Luftfeuchtigkeit regeln. Denkbar ist als zusätzliche Führungsgröße auch eine Detektion weiterer Umweltparameter wie Schneefall. Die Luftfeuchtigkeit oder Schneefall sind deshalb von Bedeutung, weil sie einen Einfluss auf die Ausbildung von Eis im Bereich von Weichen haben.According to another, also in Figure 8a In the embodiment shown, 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.

Zur Sensierung der Führungsgröße oder der Führungsgrößen ist eine entsprechende Sensorik 48 vorgesehen, die in Fig.8a durch eine in strichpunktierter Linie symbolisierte Signalleitung 48 mit dem Generator 2 in Verbindung steht, um bei dieser geregelten Ausführungsform die Sensorik 48 als gegenüber einer Steuerung oder manuellen Einstellung der Leistung des Generators 2 zusätzliche Baugruppe zu symbolisieren.For sensing the reference variable or the reference variables, 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.

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 generator 2, which is supplied to the inductor (s) 6, is regulated, in turn, by changing the pulse width and / or the frequency of the exciter alternating current, which flows through the inductor (s) 6, depending on the command variable or the command variables. According to a preferred embodiment, 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.

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 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.

Ein Beispiel für einen Leistungsregelvorgang ist in Fig.5.1 dargestellt, wo die elektrische Leistung des Generators 2 (in kW), welche proportional der Pulsweite ist, abhängig von der Umgebungstemperatur (in °C) dargestellt ist. Wie zu sehen ist, wird hier die Leistungsabgabe des Generators 2 in Abhängigkeit von einer Führungsgröße, hier beispielsweise der Umgebungstemperatur linear zwischen zwei frei einstellbaren Umgebungstemperaturgrenzwerten geregelt, nämlich zwischen einem unteren Temperaturgrenzwert (hier z.B. -15°C) und einem oberen Temperaturgrenzwert (hier z.B. +5°C) für die Umgebungstemperatur.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. As can be seen, 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.

Ist daher bei dem Beispiel von Fig.5.1 die Umgebungstemperatur kleiner gleich dem unteren Temperaturgrenzwert Tu (hier z.B. -15°C) oder größer gleich dem oberen Temperaturgrenzwert To (hier z.B. +5°C), so wird jeweils eine konstante, aber unterschiedliche elektrische Leistung bzw. Pulsweite eingestellt. Zwischen den beiden Temperaturgrenzwerten To und Tu verläuft die Leistungsabgabe bzw. die Änderung der Pulsweite beispielsweise linear abhängig von der Führungsgröße (P-Regler).Is therefore in the example of Fig.5.1 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).

Gemäß eines weiteren, in Fig.5.2 und Fig.5.3 veranschaulichten Modus kann eine mittlere Temperatur Tav (hier (hier z.B. -5°C), herangezogen werden, welche genau in der Mitte des Bereichs zwischen dem oberen Temperaturgrenzwert To (hier z.B. +5°C) und dem unteren Temperaturgrenzwert Tu (hier z.B. -15°C) liegt. Auf der Abszisse ist wiederum die Umgebungstemperatur und auf der Ordinate die elektrische Leistung des Generators 2 (in kW) aufgetragen. Bei diesem Modus werden abhängig von der Änderung der Umgebungstemperatur ausgehend von der mittleren Temperatur Tav entweder in Richtung des oberen Temperaturgrenzwerts To oder des unteren Temperaturgrenzwerts Tu unterschiedliche Steuer- oder Regelalgorithmen für die Leistungsabgabe des Generators 2 festgelegt.According to another, in Fig.5.2 and Fig.5.3 illustrated mode can be a mean temperature Tav (here (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). In this mode, 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, different control algorithms for the output of the generator 2 are set.

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 display 46 of the operating device 40, 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.

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 Fig.5.1 ist eine P-Regelung realisiert, bei der ein linearer Bereich zwischen dem oberen Temperaturgrenzwert To (hier: +5°C) und dem unteren Temperaturgrenzwert Tu (hier: -15°C) vorliegt. Bei Umgebungstemperaturen größer gleich dem oberen Temperaturgrenzwert (hier+5°C) arbeitet der Generator 2 hingegen mit konstanter minimaler Leistungsabgabe, die Pulsweite kann bis auf Null abgesenkt werden. Bei einer Umgebungstemperatur kleiner gleich dem unteren Temperaturgrenzwert (hier -15 °C) arbeitet der Generator 2 dagegen mit maximaler elektrischer Leistung.In the example of 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. At ambient temperatures greater than or equal to the upper temperature limit (here + 5 ° C), however, the generator 2 operates with a constant minimum power output, the pulse width can be lowered to zero. At an ambient temperature less than or equal to the lower temperature limit (here -15 ° C), the generator 2, however, operates at maximum electrical power.

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.

Leitungssteuerungline control

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 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.

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 Fig.5.1 gesteuert. Beispielsweise wird bei einer Außentemperatur von + 5 °C und darüber die durch den Generator 2 abgegebene elektrische Leistung durch Steuerung der Pulsweite gegen Null gefahren, bei -15 °C und weniger wird hingegen die maximale elektrische Leistung am Generator 2 eingestellt, wie auch in Fig.5.1 dargestellt.In a freely determinable ambient temperature range, in particular in a temperature range of +5 ° C to -15 ° C, 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. For example, at an outside temperature of + 5 ° C and above, 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.

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 generator 2 preferably has no resonant or oscillatory circuit and therefore operates without resonance, 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.

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 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.

Betriebsarten der VorrichtungOperating modes of the device

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 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.

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 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 ,

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 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.

Betriebsarten des GeneratorsOperating modes of the generator

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 inductors 6, these are preferably excited only by periodic oscillation functions of the excitation alternating current. By means of square voltage pulses symmetrical trapezoidal current pulses are preferably generated with freely adjustable ratio between a dynamic and a static component. For a process flow, by means of 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. Furthermore, there is also a basic mode according to which the characteristics of the excitation alternating current are not changed. 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.

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 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.

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 microprocessor 44, for example a thousand times per second. These The procedure is applicable to all the above operating modes. The low frequency range of preferably 0.1 Hz to 10 Hz, by having the superordinate modulation, can advantageously enhance the effects of the resulting electromagnetic field changes on the rail / shunt.

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 generator 2, the frequency as well as the pulse width of the exciting alternating current are kept constant.

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 generator 2, the frequency of the excitation alternating current is continuously changed while the pulse width remains constant. In addition to the well-known advantages of frequency modulation, a continuous frequency change can be realized favorably in a control software.

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 generator 2, the pulse width of the excitation alternating current is continuously changed while the frequency of the excitation alternating current remains constant. In the realization of the continuous pulse width change, for example, for example by means of MOSFETs or IGBTs, these can advantageously operate in low-loss switching operation. Further advantageously, the information to be displayed is contained in a continuous pulse width ratio instead of in a binary manner.

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 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. Here, both the frequency and the pulse width are continuously preferably changed such that the magnetic flux remains constant.

Die Generatorsteuerung im Mikroprozessor 44 ist so aufgebaut, dass die genannten Betriebsarten frei programmier- und speicherbar sind.The generator control in the microprocessor 44 is constructed so that said modes are freely programmable and storable.

Die Endstufe 52 des Generators 2 arbeitet mit einem Spannungszwischenkreis und ist, wie in Fig.8b gezeigt, bevorzugt ausschließlich als H-Brücke geschaltet. Die Leistungselemente, beispielsweise MOSFETs oder IGBTs, sind in Fig.8b als Schalter 54 mit zugehörigen Freilaufdioden dargestellt. Diese Schaltung ermöglicht die Ausnutzung der in den Induktionsspulen 56 gespeicherten Energie für die Erzeugung von trapezförmigen Pulsen ohne zusätzliche Frequenz- oder Pulsweitenmodulation.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.

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 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".

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 generator 2 and thus of the electromagnetic field to be generated.

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 generator 2.

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 outdoor generators 2, it may not be advisable for thermal reasons, during a very cold period, for example, at ambient temperatures of -20 ° C and less to turn on the full generator power abruptly. It is then more advantageous to ramp up the power of the generator 2. In the context of a start mode of the generator 2, the generator power is set, controlled or regulated by varying the pulse width PW at a constant frequency f.

Das Diagramm von Fig.16 zeigt den Leistungsverlauf des Generators im Startmodus nach dem Einschalten des Generators bei konstanter Frequenz f und variabler Pulsbreite PW. Nach dem Einschaltzeitpunkt bei t=0 wird die Leistung oder die Pulsweite PW des Generators 2 bei konstanter Frequenz f von einem Startwert PW0 für die Pulsweite bevorzugt über einen bestimmten Zeitraum tr beispielsweise rampenartig auf einen Wert PW1 erhöht, der größer als ein Dauerleistungswert PW2 ist, welcher notwendig ist, um das gewünschte Ergebnis der Induktion (z.B. eine gewünschte Schienentemperatur) zu erhalten. Über einen dem Zeitraum tr nachfolgenden Zeitraum t1 wird dann dieser erhöhte Wert PW1 bevorzugt konstant aufrecht erhalten, bevor der demgegenüber niedrigere Dauerleistungswert PW2 ab einem Zeitpunkt t2 eingestellt wird. Vorzugsweise ist die Zeitspanne tr, während der der Generator 2 nach dem Einschalten rampenartig von Null auf die erhöhte Leistung bzw. erhöhte Pulsweite PW1 gebracht wird und die Zeitspanne t1, während der der Generator 2 mit der erhöhten Leistung PW1 betrieben wird, einstellbar, z.B. über die Bedieneinrichtung 40. Dies bringt zwei Vorteile: Zum einen wird eine schnelle Anfangserwärmung erreicht und zum andern ermöglicht die Absenkung der Leistung von PW1 auf PW2 eine Energieeinsparung. Dieser Startmodus ist insbesondere unabhängig von den weiteren Betriebsarten des Generators.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. After the switch-on time at t = 0, 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. Preferably, 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 has two advantages: First, a rapid initial warming is achieved and, secondly, lowering the power from PW 1 to PW 2 makes it possible to save energy. This start mode is in particular independent of the other operating modes of the generator.

Physikalischer HintergrundPhysical background

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 Figuren 7a bis 7d gezeigt, worin T die Periode der jeweiligen Impulsfunktion darstellt.Some examples of 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.

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 Figuren 9a bis 9c gezeigt.Furthermore, methods are known in which periodic oscillatory functions in the form of symmetrical or asymmetrical saw teeth are used as a single wave with a period of eg 10 ms (T1, corresponding to 100 Hz) with a repetition rate of 100 ms (T2, corresponding to 10 Hz). Examples of such periodic oscillatory functions are in FIGS FIGS. 9a to 9c shown.

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: Φ = L × I

Figure imgb0002
The magnetic flux Φ is directly proportional to the electric current I causing it. The proportional constant is called inductance L and represents the characteristic size of an inductor: Φ = L × I
Figure imgb0002

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: / dt = L × di / dt

Figure imgb0003

wobei die induzierte Spannung u = - / dt
Figure imgb0004

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: / dt = L × di / dt
Figure imgb0003

the induced voltage u = - / dt
Figure imgb0004

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 Fig.6). Die Magnetfeldstärke bzw. die Induktion des durch die Induktionsspule 56 produzierten Magnetfeldes wird mittels einer Frequenz- und/oder einer Pulsweitenmodulation gesteuert.Particularly advantageous is a perpendicular to a surface of the rail, in particular to a side surface of the rail extending direction of the field lines shown (see Figure 6 ). 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.

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 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.

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: f t + T = f t

Figure imgb0005
It is preferred to use exclusively periodic oscillatory functions which assume both positive and negative values, without these having to be in a defined relationship to one another. A periodic function satisfies the equation: f t + T = f t
Figure imgb0005

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 Fig.10a ist die Pulsweite PW mit 100 %, in Fig.10b mit 50 % dargestellt. Die Steuersignale für den Strom- und damit auch für den Flussverlauf werden so erzeugt, dass es bei beiden unabhängig von der jeweiligen Pulsweite zu keiner Unterbrechung kommt. Wird die maximal zulässige Pulsweite nach oben begrenzt - z.B. mit 75 % - entstehen bei beiden Größen - Strom und Fluss - unterbrechungsfreie trapezförmige Funktionsverläufe ohne Pulsunterbrechung, wie in den Figuren 11 a und 11 b dargestellt.Both positive and negative voltage pulses are rectangular. In 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.

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 t_mode bei f = konst . und PW = konst .

Figure imgb0006
According to a basic mode of operation of the generator, a constant frequency f and a constant pulse width PW are maintained. The generator 2 then works in a so-called t_mode at f = const , and PW = const ,
Figure imgb0006

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 Fig.12 gezeigten Frequenzmodulation: f_mode bei PW = konst .

Figure imgb0007
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. The pulse width PW remains constant. This corresponds to one in Figure 12 shown frequency modulation: f_mode at PW = const ,
Figure imgb0007

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 Fig.12 wurde die Pulsweite PW = 50 % gewählt. Die einzelnen Pulsweiten PW sind stellvertretend für ein Paket von gleichen Pulsen. Entspricht der erste positive Puls z.B. einer Frequenz f von 10 kHz und wird die Frequenz f entsprechend der Zykluszeit einer Mikroprozessorsteuerung von 1 ms stufenweise erhöht, ergeben sich nebeneinander 10 Pulse mit der gleichen Pulsweite - sowohl in positiver als auch in negativer Richtung. Die Schrittgröße für die Erhöhung bzw. Absenkung der Frequenz f ergibt sich automatisch aus den vorgewählten Grenzwerten und aus der Zeit für einen Frequenzzyklus.In Figure 12 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.

Die zweite Betriebsart oder Pulsweitenmodus ermöglicht über entsprechende Steuerungsvorgaben ein periodisches bzw. aperiodisches Durchlaufen eines beliebigen Pulsweitenbereiches bei konstanter Frequenz. Dies entspricht einer in Fig.13 gezeigten Pulsweitenmodulation: PW_mode bei f = konst .

Figure imgb0008
The second operating mode or pulse width mode enables a periodic or aperiodic passage through an arbitrary pulse width range at constant frequency via corresponding control specifications. This corresponds to one in Figure 13 shown pulse width modulation: PW_mode at f = const ,
Figure imgb0008

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 Fig.12 und Fig.13 sind symmetrische Spannungsverläufe dargestellt. Die entsprechenden Strom- und Flussverläufe ergeben sich dann analog zu Fig.11b.In Fig.12 and Fig.13 symmetrical voltage curves are shown. The corresponding current and flow curves are then analogous to 11B ,

In Fig.14 und Fig.15 sind asymmetrische Spannungsverläufe dargestellt. Die entsprechenden Strom- und Flussverläufe ergeben sich erneut ebenfalls analog zu Fig.11b.In Fig.14 and Fig.15 asymmetrical voltage curves are shown. The corresponding current and flow characteristics are again analogous to 11B ,

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: Φ_mode bei f variabel und PW variabel

Figure imgb0009
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 Φ constant: Φ_mode variable at f and PW variable
Figure imgb0009

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 induction coil 56 and thus also the magnetic flux decreases. In order to keep the magnetic flux constant, therefore, the pulse width or pulse width is increased so that the current flowing through the induction coil 56 remains constant with increasing frequency.

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 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 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 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.

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 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. For this purpose, the generator 2 has a freely programmable control by the operating device 40. The programmable controller is implemented in a microprocessor 44.

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 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.

Mit anderen Worten wird eine in Fig.8a in Gesamtübersicht gezeigte Induktionseinrichtung mit wenigstens

  1. a) einem von einer Wechselspannungsquelle gespeisten Generator 2,
  2. b) einer Leitungsverbindung 22 zwischen dem Generator 2 und wenigstens einem wenigstens eine Induktionsspule 56 enthaltenden Induktor 6 zur Versorgung der wenigstens einen Induktionsspule 56 mit von dem Generator 2 erzeugten Wechselstrom, und mit
  3. c) einer Steuerungs- oder Regelungseinrichtung 40, 44, 48 zur Steuerung oder Regelung der elektrischen Leistung des Generators 2 durch Variieren der Frequenz f und/oder der Pulsweite PW des in die Induktionsspule 56 eingespeisten Wechselstroms
  4. d) für eine Induktive Weichen- und/oder Schienenheizvorrichtung 1 verwendet, bei welcher der wenigstens eine Induktor 6 an einer Schiene 8 und/oder an einer Weiche 10 eines Schienennetzes angeordnet ist und bei welcher aufgrund der mit dem Wechselstrom gespeisten Induktionsspule 56 in der Schiene 8 und/oder in der Weiche 10 durch elektromagnetische Induktion ein Strom induziert wird, welcher die Schiene 8 und/oder die Weiche 10 erwärmt.
In other words, an in Figure 8a in general overview induction device with at least
  1. a) a generator 2 fed by an AC voltage source,
  2. b) a line connection 22 between the generator 2 and at least one at least one induction coil 56 containing inductor 6 for supply the at least one induction coil 56 with alternating current generated by the generator 2, and with
  3. c) a control or regulating device 40, 44, 48 for controlling or regulating the electrical power of the generator 2 by varying the frequency f and / or the pulse width PW of the fed into the induction coil 56 alternating current
  4. d) is used for an inductive point and / or rail heating device 1, wherein the at least one inductor 6 is arranged on a rail 8 and / or on a switch 10 of a rail network and in which due to the induction coil 56 fed with the alternating current in the rail 8 and / or in the switch 10 by electromagnetic induction, a current is induced, which heats the rail 8 and / or the switch 10.

BezugszahlenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

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

Claims (23)

Induktive Weichen- und/oder Schienenheizvorrichtung (1) beinhaltend wenigstens einen von einer Wechselspannungsquelle gespeisten Generator (2), welcher über eine Leitungsverbindung (22) wenigstens einen wenigstens eine Induktionsspule (56) enthaltenden, zur Befestigung an der Schiene (8) oder an der Weiche (10) vorgesehenen Induktor (6) mit Wechselstrom versorgt, wobei aufgrund der mit dem Wechselstrom gespeisten Induktionsspule (56) des Induktors (6) in der Schiene oder in der Weiche durch elektromagnetische Induktion ein Strom induziert wird, welcher die Schiene (8) oder die Weiche (10) erwärmt, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerungseinrichtung (40, 44) oder eine Regelungseinrichtung (40, 44, 48) zur Steuerung oder Regelung der elektrischen Leistung des Generators (2) durch Variieren der Frequenz (f) und/oder der Pulsweite (PW) des in den wenigstens einen Induktor (6) eingespeisten Wechselstroms vorgesehen ist.Inductive point and / or rail heating device (1) comprising at least one generator (2) powered by an AC voltage source, which via a line connection (22) at least one at least one induction coil (56) containing, for attachment to the rail (8) or at Soft (10) provided inductor (6) supplied with alternating current, wherein due to the supplied with the alternating current induction coil (56) of the inductor (6) in the rail or in the switch by electromagnetic induction, a current is induced, which the rail (8) or the switch (10) heated, characterized in that a control device (40, 44) or a control device (40, 44, 48) for controlling or regulating the electric power of the generator (2) by varying the frequency (f) and / or the pulse width (PW) of the alternating current fed into the at least one inductor (6) is provided. Induktive Weichen- und/oder Schienenheizvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (2) durch die Steuerungseinrichtung (40, 44) oder die Regelungseinrichtung (40, 44, 48) derart gesteuert oder geregelt ist, dass die Frequenz (f) des in den wenigstens einen Induktor (6) eingespeisten Wechselstroms innerhalb eines Bereich von 5 kHz bis 15 kHz variierbar oder einstellbar ist.Inductive point and / or rail heating device according to claim 1, characterized in that the generator (2) by the control device (40, 44) or the control device (40, 44, 48) is controlled or regulated such that the frequency (f) of the at least one inductor (6) fed AC current within a range of 5 kHz to 15 kHz is variable or adjustable. Induktive Weichen- und/oder Schienenheizvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (2) ohne Schwingkreis oder ohne Resonanzkreis ausgebildet ist.Inductive point and / or rail heating device according to one of the preceding claims, characterized in that the generator (2) is formed without a resonant circuit or without a resonant circuit. Induktive Weichen- und/oder Schienenheizvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung (40, 44) oder die Regelungseinrichtung (40, 44, 48) wenigstens einen Mikroprozessor (44) beinhaltet, der über Treiber die Frequenz (f) und/oder die Pulsweite (PW) des in den wenigstens einen Induktor (6) eingespeisten Wechselstroms variiert oder einstellt.Inductive point and / or rail heating device according to one of the preceding claims, characterized in that the control device (40, 44) or the control device (40, 44, 48) includes at least one microprocessor (44), the frequency (f) via drivers and / or the pulse width (PW) of the alternating current fed into the at least one inductor (6) varies or sets. Induktive Weichen- und/oder Schienenheizvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinrichtung (40, 44) oder die Regelungseinrichtung (40, 44, 48) eine Bedieneinrichtung (40) beinhalten, über welche Betriebsparameter des Generators (2) durch den Mikroprozessor (44) einstellbar sind.Inductive point and / or rail heating device according to claim 4, characterized in that the control device (40, 44) or the control device (40, 44, 48) comprise an operating device (40), via which operating parameters of the generator (2) by the microprocessor (44) are adjustable. Induktive Weichen- und/oder Schienenheizvorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Mikroprozessor (44) Algorithmen für eine Steuerung oder Regelung der Leistung des Generators (2) durch Variation von Pulsweite (PW) und/oder Frequenz (f) des in den wenigstens einen Induktor (6) eingespeisten Wechselstroms implementiert sind, wobei die Steuerung oder Regelung abhängig von wenigstens einer Führungsgröße erfolgt.Inductive point and / or rail heating device according to claim 4 or 5, characterized in that in the microprocessor (44) algorithms for controlling or regulating the power of the generator (2) by varying the pulse width (PW) and / or frequency (f) of the alternating current fed into the at least one inductor (6) are implemented, the control or regulation taking place depending on at least one reference variable. Induktive Weichen- und/oder Schienenheizvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Führungsgröße für die Steuerung oder die Regelung der Leistung des Generators (2) wenigstens die Umgebungstemperatur oder die Schienen/Weichentemperatur, jeweils alleine oder in Kombination mit der Luftfeuchtigkeit beinhaltet.Inductive point and / or rail heating device according to claim 6, characterized in that the at least one reference variable for the control or regulation of the power of the generator (2) includes at least the ambient temperature or the rail / switch temperature, each alone or in combination with the humidity , Induktive Weichen- und/oder Schienenheizvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Sensor (48) zur Messung der Führungsgröße vorgesehen und mit dem Mikroprozessor (44) signalleitend verbunden ist.Inductive switches and / or Schienenheizvorrichtung according to claim 7, characterized in that provided at least one sensor (48) for measuring the reference variable and is connected in a signal conducting manner to the microprocessor (44). Induktive Weichen- und/oder Schienenheizvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass den in dem Mikroprozessor (44) implementierten Algorithmen für die Steuerung oder die Regelung der Leistung des Generators (2) ein Temperaturbereich zwischen einem unteren Temperaturgrenzwert (Tu) und einem oberen Temperaturgrenzwert (To) für die Umgebungstemperatur und/oder für die Schienen-/Weichentemperatur vorgebbar ist, wobei d) bei einer von dem wenigstens einen Sensor (48) gemessenen Umgebungstemperatur und/oder Schienen/Weichentemperatur, welche in dem Bereich zwischen dem oberen Temperaturgrenzwert (To) und dem unteren Temperaturgrenzwert (Tu) liegt, durch den Mikroprozessor (44) eine Steuerung oder eine Regelung der elektrischen Leistung des Generators (2) abhängig von der Umgebungstemperatur und/oder abhängig von der Schienen/Weichentemperatur als Führungsgröße erfolgt, und e) bei einer gemessenen Umgebungstemperatur und/oder Schienen/Weichentemperatur, welche größer gleich dem oberen Temperaturgrenzwert (To) ist, die elektrische Leistung des Generators (2) auf Null oder einen Minimalwert gesetzt wird, und f) bei einer gemessenen Umgebungstemperatur oder Schienen/Weichentemperatur, welche kleiner gleich dem unteren Temperaturgrenzwert (Tu) ist, die elektrische Leistung des Generators (2) einen konstanten Maximalwert gesetzt wird. Inductive point and / or rail heating device according to claim 8, characterized in that in the microprocessor (44) implemented algorithms for the control or regulation of the power of the generator (2) a temperature range between a lower temperature limit (Tu) and an upper temperature limit (To) for the ambient temperature and / or for the rail / switch temperature is predetermined, wherein d) at an ambient temperature and / or rail / switch temperature measured by the at least one sensor (48), which is in the range between the upper temperature limit (To) and the lower temperature limit (Tu), by the microprocessor (44); a regulation of the electric power of the generator (2) depends on the ambient temperature and / or depending on the rail / vane temperature as a reference variable, and e) at a measured ambient temperature and / or rail / switch temperature which is greater than or equal to the upper temperature limit (To), the electric power of the generator (2) is set to zero or a minimum value, and f) at a measured ambient temperature or rail / vane temperature which is less than or equal to the lower temperature limit (Tu), the electric power of the generator (2) is set to a constant maximum value. Induktive Weichen- und/oder Schienenheizvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Mikroprozessor (44) ausgehend von einer mittleren Temperatur (Tav), welche eine Mitte des Bereichs zwischen dem oberen Temperaturgrenzwert (To) und dem unteren Temperaturgrenzwert (Tu) darstellt, entweder in Richtung des oberen Temperaturgrenzwerts (To) oder in Richtung des unteren Temperaturgrenzwerts (Tu) unterschiedliche Algorithmen für die Steuerung oder Regelung der Leistung des Generators (2) implementiert sind.Inductive point and / or rail heating device according to claim 9, characterized in that in the microprocessor (44) from a mean temperature (Tav), which represents a middle of the range between the upper temperature limit (To) and the lower temperature limit (Tu) , either in the direction of the upper temperature limit (To) or in the direction of the lower temperature limit (Tu) different algorithms for the control or regulation of the power of the generator (2) are implemented. Induktive Weichen- und/oder Schienenheizvorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelungseinrichtung (40, 44, 48) einen im Mikroprozessor (44) implementierten P-Regler, einen PI- Regeler oder einen PID-Regler beinhaltet.Inductive point and / or rail heating device according to claim 9 or 10, characterized in that the control device (40, 44, 48) includes a P-controller implemented in the microprocessor (44), a PI controller or a PID controller. Induktive Weichen- und/oder Schienenheizvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Display (46) zur Darstellung von Betriebsparametern vorgesehen ist.Inductive point and / or rail heating device according to one of the preceding claims, characterized in that at least one display (46) is provided for the representation of operating parameters. Induktive Weichen- und/oder Schienenheizvorrichtung nach einem der Ansprüche 5, 9, 10 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsparameter die Pulsweite (PW) und/oder Frequenz (f) des in den wenigstens einen Induktor (6) eingespeisten Wechselstroms und/oder den oberen Temperaturgrenzwert (To) und den unteren Temperaturgrenzwert (Tu) und/oder die mittlere Temperatur (Tav) beinhalten.Inductive point and / or rail heating device according to one of claims 5, 9, 10 or 12, characterized in that the operating parameters, the pulse width (PW) and / or frequency (f) of the at least one inductor (6) fed AC and / / or the upper temperature limit (To) and the lower temperature limit (Tu) and / or the mean temperature (Tav). Induktive Weichen- und/oder Schienenheizvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Induktor (6) plattenförmig ausgebildet ist, mit einer relativ zur Dimension seiner Seitenflächen geringen Dicke.Inductive switches and / or Schienenheizvorrichtung according to any one of the preceding claims, characterized in that the inductor (6) is plate-shaped, with a small relative to the dimension of its side surfaces thickness. Induktive Weichen- und/oder Schienenheizvorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Windungen (24) einer Induktionsspule (56) des wenigstens einen Induktors (6) in einer einzigen Ebene angeordnet sind.Inductive point and / or rail heating device according to claim 14, characterized in that the windings (24) of an induction coil (56) of the at least one inductor (6) are arranged in a single plane. Induktive Weichen- und/oder Schienenheizvorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Windungen (24) der Induktionsspule (6) des wenigstens einen Induktors (6) in oder von einem plattenförmigen Trägerkörper (26) aufgenommen sind, welcher mit einer seiner Seitenflächen zur Befestigung an einer inneren Seitenfläche (14) oder an einer äußeren Seitenfläche (12) eines Mittelteils (16) einer Schiene (8) vorgesehen ist.Inductive point and / or rail heating device according to claim 14 or 15, characterized in that the turns (24) of the induction coil (6) of the at least one inductor (6) are received in or from a plate-shaped support body (26), which with one of his Side surfaces for attachment to an inner side surface (14) or on an outer side surface (12) of a central part (16) of a rail (8) is provided. Induktive Weichen- und/oder Schienenheizvorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Induktor (6) mittels einer Befestigungsvorrichtung (30) an der Schiene(8) befestigt ist, wobei der Befestigungsvorrichtung (30) und dem Induktor (6) wenigstens ein Abschirmkörper (38) aus elektrisch nicht leitendem, aber magnetisch leitendem Material wie Ferrit zwischengeordnet ist.Inductive point and / or rail heating device according to one of claims 14 to 16, characterized in that the at least one inductor (6) by means of a fastening device (30) is fixed to the rail (8), wherein the fastening device (30) and the inductor (6) at least one shielding body (38) of electrically non-conductive, but magnetically conductive material such as ferrite is interposed. Induktive Weichen- und/oder Schienenheizvorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Induktor (6) mittels einer L-förmigen Klammer (30) an der Schiene (8) befestigt ist, wobei die L-förmige Klammer (30) einen einen Schienenfuß (18) wenigstens teilweise umgreifenden ersten Schenkel (32) und einen den Induktor (6) an einer Seitenfläche (12, 14) der Schiene (8) haltenden zweiten Schenkel (34) aufweist, wobei dem zweiten Schenkel (34) der Klammer (30) und dem Induktor (6) wenigstens ein Abschirmkörper (38) aus elektrisch leitendem, aber magnetisch nicht leitendem Material wie Ferrit zwischengeordnet ist.Inductive point and / or rail heating device according to one of claims 14 to 17, characterized in that the at least one inductor (6) by means of an L-shaped bracket (30) is fixed to the rail (8), wherein the L-shaped bracket (30) has a first leg (32) at least partially encompassing a rail foot (18) and a second leg (34) holding the inductor (6) on a side face (12, 14) of the rail (8), the second leg ( 34) of the clip (30) and the inductor (6) at least one shielding body (38) of electrically conductive, but magnetically non-conductive material such as ferrite is interposed. Induktive Weichen- und/oder Schienenheizvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (2) derart gesteuert ist, dass nach dem Einschalten des Generators (2) die Pulsweite (PW) bei konstanter Frequenz (f) ausgehend von einem Startwert (PW0) für die Pulsweite (PW) über eine bestimmte Zeitspanne (tr) rampenartig auf einen gegenüber einer einem Dauerleistungswert des Generators (2) entsprechenden Pulsweite (PW2) höheren Wert (PW1) erhöht, danach für eine weitere Zeitspanne (t1) auf diesem erhöhten Wert (PW1) konstant gehalten und nach Ablauf der weiteren Zeitspanne (t1) auf die dem Dauerleistungswert des Generators (2) entsprechende Pulsweite (PW2) abgesenkt wird.Inductive point and / or rail heating device according to one of the preceding claims, characterized in that the generator (2) is controlled such that after switching on the generator (2) the pulse width (PW) at a constant frequency (f), starting from a starting value (PW 0 ) for the pulse width (PW) over a certain period of time (tr) increases ramped to a relation to a continuous power value of the generator (2) corresponding pulse width (PW 2 ) higher value (PW 1 ), then for a further period (t1 ) (in this increased value PW 1) is kept constant, and (after the further time period t1) to (the continuous output value of the generator 2) corresponding pulse width (PW 2) is lowered. Schienennetz für Schienenfahrzeuge, beinhaltend wenigstens eine Schiene und/oder eine Weiche, dadurch gekennzeichnet, dass es eine induktive Weichen- und/oder Schienenheizvorrichtung (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche beinhaltet.Rail network for rail vehicles, including at least one rail and / or a switch, characterized in that it is an inductive Switch and / or rail heating device (1) according to one of the preceding claims includes. Schienennetz nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Induktor (6) an einer oder an beiden Seitenflächen (12, 14) wenigstens einer Schiene (8) angeordnet ist.Rail network according to claim 20, characterized in that at least one inductor (6) is arranged on one or both side surfaces (12, 14) of at least one rail (8). Schienennetz nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Induktor (6) an der Schiene (8) in einem sich im Bereich einer Weiche (10) befindlichen Schienenabschnitt angeordnet ist.Rail network according to claim 21, characterized in that the at least one inductor (6) is arranged on the rail (8) in a rail section located in the region of a switch (10). Verwendung einer Induktionseinrichtung mit wenigstens a) einem von einer Wechselspannungsquelle gespeisten Generator (2), b) einer Leitungsverbindung (22) zwischen dem Generator (2) und wenigstens einem wenigstens eine Induktionsspule (56) enthaltenden Induktor (6) zur Versorgung der wenigstens einen Induktionsspule (56) mit von dem Generator (2) erzeugtem Wechselstrom, und mit c) einer Steuerungs- oder Regelungseinrichtung (40, 44, 48) zur Steuerung oder Regelung der elektrischen Leistung des Generators (2) durch Variieren der Frequenz (f) und/oder der Pulsweite (PW) des in die Induktionsspule (56) eingespeisten Wechselstroms d) für eine Induktive Weichen- und/oder Schienenheizvorrichtung (1), bei welcher der wenigstens eine Induktor (6) an einer Schiene (8) und/oder an einer Weiche (10) eines Schienennetzes angeordnet ist und bei welcher aufgrund der mit dem Wechselstrom gespeisten Induktionsspule (56) in der Schiene (8) und/oder in der Weiche (10) durch elektromagnetische Induktion ein Strom induziert wird, welcher die Schiene (8) und/oder die Weiche (10) erwärmt. Use of an induction device with at least a) a generator (2) powered by an AC voltage source, b) a line connection (22) between the generator (2) and at least one at least one induction coil (56) containing inductor (6) for supplying the at least one induction coil (56) with the generator (2) generated AC, and with c) a control or regulating device (40, 44, 48) for controlling or regulating the electric power of the generator (2) by varying the frequency (f) and / or the pulse width (PW) of the alternating current fed into the induction coil (56) d) for an inductive point and / or rail heating device (1), wherein the at least one inductor (6) on a rail (8) and / or on a switch (10) of a rail network is arranged and in which due to the AC-fed induction coil (56) in the rail (8) and / or in the switch (10) by electromagnetic induction, a current is induced, which heats the rail (8) and / or the switch (10).
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