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Dokumentenidentifikation DE3338490C2 31.05.1990
Titel Schaltungsanordnung zur Überwachung des Betriebszustandes von in der Außenanlage eines Stellwerks eingesetzten Wechselstromverbrauchern
Anmelder Standard Elektrik Lorenz AG, 7000 Stuttgart, DE
Erfinder Püntzner, Wolfgang, Dipl.-Ing., 7250 Leonberg, DE;
Schwarzwälder, Jörg, Dipl.-Ing., 7257 Ditzingen, DE
DE-Anmeldedatum 22.10.1983
DE-Aktenzeichen 3338490
Offenlegungstag 02.05.1985
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 31.05.1990
Veröffentlichungstag im Patentblatt 31.05.1990
IPC-Hauptklasse B61L 5/18
IPC-Nebenklasse B61L 7/10   G08B 5/22   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Solche Schaltungsanordnungen werden in den Anlagen der Deutschen Bundesbahn sei langer Zeit eingesetzt und sind z.B. in der Zeitschrift "Eisenbahntechnische Praxis" 1959, Heft 3, Seiten 25 bis 26 beschrieben. In der Regel werden die den Betriebsstrom auswertenden Meßeinrichtungen hier von Überwacherrelais gebildet, die mittels Übertragern an die Verbraucherstromkreise angekoppelt sind und sich nur so lange im angezogenen Zustand befinden, solange der jeweilige Betriebsstrom einen bestimmten Mindestwert nicht unterschreitet. Ist die Zuleitung zu einem Stromverbraucher sehr lang, so verursacht sie einen kapazitiven Fehlstrom, der auch nach Ausfall des Verbrauchers fließt und dem bei der Bemessung des Rückfallwerts des Überwacherrelais Rechnung getragen werden muß. Bei Signallampen, bei denen eine Tag/Nacht-Umschaltung erforderlich ist, muß zusätzlich noch berücksichtigt werden, daß für die kapazitiven Fehlströme und damit für die Rückfallwerte der Relais die hohe Tagspannung, für die Ansprechwerte der Relais dagegen die niedrigere Nachtspannung der Berechnung zugrundegelegt werden muß.

Um die beschriebenen Schwierigkeiten, die den Einsatz teurer Spezialrelais erfordern und die maximale Zuleitungslänge zu den Stromverbrauchern begrenzen, zu beseitigen, wurden Schaltungsanordnungen entwickelt, die die Ansprech- und Rückfallwerte der Überwacherrelais abhängig vom Einschalten des Stromverbrauchers beeinflussen und die Anpassung des Überwachungsschwellwertes an den jeweils auftretenden Betriebsstrom ermöglichen. Solche Schaltungsanordnungen sind in der DE-PS 31 45 744 und der DE-OS 31 40 559 beschrieben.

Die DE-AS 12 49 315 lehrt, daß beim Durchbrennen der Signallampe eine induktive Belastung (Transformator im Leerlauf) und bei Unterbrechung der Speiseleitung eine kapazitive Belastung auftritt. Die in dieser Schrift beschriebene Überwachungseinrichtung liefert eine den ordnungsgemäßen Zustand kennzeichnende Ausgangsspannung, wenn bei einer bestimmten Speisespannung des Lichtsignalstromkreises die Amplitude des Speisestromes innerhalb bestimmter Grenzen liegt und der Speisestrom eine zulässige Phasenverschiebung gegenüber der Speisespannung nicht überschreitet. Die Überwachungseinrichtung verwendet zur Ermittlung der Phasenbeziehung sowie zur Amplitudenbestimmung einen Transfluxor.

Die Überwachung von Betriebsspannung und Betriebsstrom mittels eines Zweiphasen-Motorrelais ist aus der DE-AS 11 41 314 bekannt.

Aufgabe der Erfindung ist eine Schaltungsanordnung, die eine Überwachung von Wechselstromverbrauchern in Stellwerks-Außenanlagen ohne den Einsatz von Relais gestattet.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung verwendet eine mit der Phase der Wechselspannung synchronisierte Abtastschaltung zur Erfassung des Betriebszustandes des Wechselstromverbrauchers. Mit ihr ist es möglich, den Verbraucherstromkreis in bestimmten Phasenlagen der Betriebsspannung abzufragen. Es kann dann z.B. der Spannungsabfall am Meßwiderstand nur im Spannungsmaximum der Betriebswechselspannung gemessen werden. An dieser Stelle hat der ohmsche Stromanteil des Leitungsstromes ein Maximum, während induktive und kapazitive Leitungsstromanteile verschwinden. Der Einfluß der Zuleitung ist damit ausgeschaltet.

Eine besonders einfache Ankopplung der Abtastschaltung erhält man, wenn, wie in Anspruch 2 beschrieben, als Schwellwertschaltung die Leuchtdiodenstrecke eines Optokopplers verwendet wird. Steigt der Spannungsabfall am Meßwiderstand über die Dioden-Durchlaßspannung an, so wird die Schaltstrecke des Opto-Kopplers leitend. Dieser Zustand tritt wegen der Richtungsleiteigenschaften der Leuchtdiode nur während jeder zweiten Halbwelle des Betriebsstromes auf und kann abgetastet werden. Der Wechsel zwischen Leitfähigkeit und Nichtleitfähigkeit der Schaltstrecke des Optokopplers von Halbwelle zu Halbwelle kann zur Funktionsüberwachung des Optokopplers ausgenutzt werden. Wird die Schaltstrecke des Optokopplers z.B. durch Kurzschluß dauernd leitfähig, so wird dies dann bemerkt.

Eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist in Anspruch 3 beschrieben. Hier wird zur Ankopplung der Abtastschaltung ein Übertrager mit magnetisch hartem Material als Kernmaterial verwendet. Ein solcher Übertrager gibt erst dann sekundärseitig Spannung ab, wenn der primärseitig eingespeiste Strom eine bestimmte Stromstärke übersteigt.

Die Ansprüche 4 und 5 betreffen Möglichkeiten zur Synchronisierung zwischen Abtasttakt und Betriebsspannung. Die in Anspruch 5 beschriebene Möglichkeit, bei der die Betriebsspannung vom Taktgeber der Abtastschaltung gesteuert wird, bietet sich dann an, wenn die Betriebswechselspannung ohnehin im Stellwerk aus einer Gleichspannung oder einer niederfrequenteren Wechselspannung erzeugt werden muß.

Anspruch 6 betrifft eine Ausgestaltung der Erfindung, die sich für den Einsatz in einem elektronischen Stellwerk besonders eignet.

In den Patentansprüchen 7 und 8, schließlich, sind Weiterbildungen der Erfindung angegeben, die eine zusätzliche überwachung der Betriebsspannungsquelle auf Ausfall ermöglichen.

Anhand zweier Figuren sollen nun Ausführungsbeispiele der Schaltungsanordnung nach der Erfindung beschrieben und ihre Funktion erklärt werden.

Fig. 1 zeigt das Prinzip der Schaltungsanordnung nach der Erfindung. Ein Wechselstromverbraucher, in diesem Falle eine Signallampe L, ist über einen Transformator TR an eine Wechselspannungsquelle UB angeschlossen. Hierbei befindet sich die Signallampe und der Transformator in der Außenanlage eines Stellwerkes ST. In der Zuleitung zur Primärwicklung des Transformators ist ein Meßwiderstand RM angeordnet, an dem eine vom Wert des Meßwiderstandes und vom Betriebsstrom abhängige Spannung abfällt. Die am Meßwiderstand RM abfallende Spannung wird einem Schwellwertschalter SW zugeführt und dort mit einem Referenzspannungswert verglichen. Der Ausgang des Schwellwertschalters ist mit einer Abtastschaltung AS verbunden und wird von dieser abgefragt. Die Abfrage erfolgt jedoch nicht ständig, sondern nur zu den Zeitpunkten, in denen die Wechselspannung UB ihren maximalen oder ihren minimalen Wert annimmt. Zu diesem Zweck wird die Abtastschaltung über einen Impulsformer IF mit der Wechselspannungsquelle synchronisiert. Der Impulsformer erzeugt hierzu zu den Zeitpunkten, an denen die Wechselspannungsphase ihre Scheitelwerte annimmt, Triggerimpulse, die er der Abtastschaltung zuführt.

Ist der Wechselstromverbraucher wie in Fig. 1 eine ohmsche Last, so muß der durch diese Last verbrauchte Wirkstrom mit der Betriebsspannung in Phase sein. Hierbei ist vorausgesetzt, daß die Betriebsspannungsquelle UB genügend niederohmig ist um eine eingeprägte Spannung ab zu geben. Der kapazitive Anteil des Leitungstromes ist gegenüber dem Wirkstrom um 90° phasenverschoben. Er hat deshalb zum Abtastzeitpunkt einen Nulldurchgang und wirkt sich auf das Meßergebnis nicht aus. Im Falle eines Fadenbruches der Signallampe L wird deshalb auch bei großer Länge der Zuleitung kein Spannungsabfall am Meßwiderstand RM festgestellt. Die Abtastschaltung gibt die Lage des Schwellwertschalters als Prüfsignal an das Stellwerk ST weiter.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Schaltungsanordnung nach der Erfindung, das sich zum Einsatz in einem elektronischen Stellwerk besonders eignet. Es wird hier als Abtastschaltung ein Rechner R verwendet. Dieser tastet nicht nur die Ausgänge zweier Schwellwertschalter SW1, SW2 ab, sondern er steuert auch eine besondere Wechselspannungsquelle G, welche die Betriebsspannung für die Signallampe L liefert. Die Synchronisation zwischen Wechselspannungsquelle und abtastendem Rechner braucht deshalb nicht durch besondere Schaltungsmaßnahmen hergestellt zu werden. Von den beiden Schwellwertschaltern dient einer (Schwellwertschalter SW1) der Überwachung des Betriebsstromes, der andere (Schwellwertschalter SW2) der zusätzlichen Überwachung der Betriebsspannung. Die Schwellwertschalter sind hier in sehr einfacher Weise als Optokoppler ausgebildet, mit deren Leuchtdioden Vorwiderstände RV1, RV2 und Sicherungselemente SI in Reihe geschaltet ist. Die Ausgänge der Optokoppler sind direkt mit dem Rechner verbunden. Dies ist ohne weiteres möglich, da die Optokoppler eine gute galvanische Trennung zwischen Rechner und Lampenstromkreis bewirken. Wird ein Schwellwert, in diesem Falle die Durchlaßspannung einer Leuchtdiode eines Optokopplers, überschritten, so wird der zugehörige Phototransistor leitend und eine über einen Vorwiderstand R1, R2 angelegte Vorspannung U+ bricht zusammen, was vom Rechner festgestellt wird. Zum Schutz der Leuchtdiode des Optokopplers vor Überspannungen kann parallel zum Meßwiderstand eine Z-Dioden- Klemmschaltung vorgesehen werden.

Die Verwendung von Optokopplern als Schwellwertschalter hat einen weiteren wichtigen Vorteil, der der signaltechnischen Sicherheit zugute kommt: Da die Leuchtdiode ein Richtungsleiter ist, spricht sie nur an, wenn positive Spannung an der Anode anliegt. Damit sind die Phototransistoren der Optokoppler auch bei zum Betrieb der Leuchtdiode ausreichender Spannung nur zu den Abtastzeitpunkten leitfähig, die mit dem positiven Scheitelwert der Wechselspannungsphase zusammenfallen. Zu den Abtastzeitpunkten, die in der negativen Halbwelle der Wechselspannungsphase liegen, sind die Phototransistoren nichtleitend. Der Rechner stellt demnach am Ausgang der Optokoppler eine Wertefolge O-L-O-L-O fest. Diese Wertefolge läßt aber eine Aussage über das ordnungsgemäße Funktionieren des Optokopplers zu. Ein Ausfall einer Leuchtdiode oder eines Phototransistors bewirkt in jedem Falle eine Wertefolge O-O-O oder L-L-L.

Durch Überwachung der Wertefolge durch den Rechner kann die in Fig. 2 dargestellte Schaltung deshalb ohne Verdoppelung irgendwelcher Schaltungsteile signaltechnisch sicher betrieben werden.


Anspruch[de]
  1. 1. Schaltungsanordnung zur Überwachung des Betriebszustandes von in der Außenanlage eines Stellwerks eingesetzten Wechselstromverbrauchern (L), insbesondere Signallampen, mit einer den Betriebsstrom auswertenden Meßeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtungen einen im Stromkreis des Wechselstromverbrauchers (L) angeordneten Meßwiderstand (RM), eine diesem parallelgeschaltete Schwellwertschaltung (SW, SW1) zum Vergleich einer an dem Meßwiderstand abfallenden Spannung mit einem vorgegebenen Mindestspannungswert und eine mit der Phase der Wechselspannung (UB) synchron gesteuerte (IF) Abtastschaltung (AS, R) zur Abfrage des Ausgangs der Schwellwertschaltung zu Zeitpunkten innerhalb der Wechselspannungsperioden an denen der Blindstrom einen Nulldurchgang besitzt und zur Ausgabe einer Störungsmeldung, abhängig vom Ergebnis dieser Abfrage enthält.
  2. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwellwertschaltung (SW1) aus einer Reihenschaltung eines Vorwiderstandes (RV1) mit einer Leuchtdiodenstrecke eines Optokopplers (OK1) besteht und daß die Schaltstrecke des Optokopplers (OK1) zur Abfrage ihres Schaltzustandes mit dem Eingang der Abtastschaltung (R) verbunden ist.
  3. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwellwertschaltung (SW) durch einen Übertrager mit magnetisch wirksamem Kern gebildet wird, dessen Primärwicklung in Reihe mit einem Vorwiderstand dem Meßwiderstand (RM) parallelgeschaltet ist, und daß das Kernmaterial des Übertragers so gewählt ist, daß nur dann eine nennenswerte Spannung in einer mit dem Eingang der Abtastschaltung verbundenen Sekundärwicklung induziert wird, wenn der Strom in der Primärwicklung einen Schwellwert übersteigt.
  4. 4. Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Synchronsteuerung der Abtastschaltung (AS) eine Impulsformerschaltung (IF) vorgesehen ist, der eingangsseitig die Betriebsspannung (UB) des Wechselstromverbrauchers (L) zugeführt wird und die bei allen Maxima und Minima der Betriebsspannung (UB) je einen Triggerimpuls an die Abtastschatlung ausgibt.
  5. 5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastschaltung (AS, R) einen Taktgeber zur Erzeugung des Abtasttaktes enthält und daß die von diesem Taktgeber ausgegebene Taktfrequenz zusätzlich zur Steuerung eines Wechselstromgenerators (G) verwendet wird, der den Betriebsstrom für den Wechselstromverbraucher (L) erzeugt.
  6. 6. Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Abtastschaltung ein Mikrorechner (R) verwendet wird.
  7. 7. Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich eine Betriebsspannungsüberwachung erfolgt, daß hierzu eine weitere Schwellwertschaltung (SW2) verwendet wird, welche in Reihe mit einem Vorwiderstand (RV2) der Betriebsspannungsquelle (G) parallelgeschaltet ist und daß der Ausgang der weiteren Schwellwertschaltung (SW2) durch eine weitere mit der Phase der Betriebswechselspannung (UB) synchron gesteuerte Abtastschaltung überwacht wird.
  8. 8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle einer weiteren mit der Phase der Betriebswechselspannung synchron gesteuerten Abtastschaltung dieselbe Abtastschaltung (R) verwendet wird, die bereits der Auswertung des Betriebsstromes dient.






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