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Mehrspannungsheizeinrichtung mit elektronischer Steuerung Es sind
bereits Spannungswähleinrichtungen für elektrische Mehrspannungsheizanlagen, insbesondere
für elektrisch betriebene Schienenfahrzeuge, mit durch eine Relaisschaltung in Abhängigkeit
von der Betriebsspannung gesteuerter Umschaltschützen bekannt. Bei diesen Einrichtungen
werden die Relais mit einer von der Betriebsspannung erzeugten, jedoch von deren
Höhe unabhängigen konstanten Spannung betrieben und durch besondere Steuerorgane
mit unterschiedlicher Ansprechspannung in Abhängigkeit von der jeweiligen Höhe der
Betriebsspannung eingeschaltet. Als Steuerorgan werden dabei Kathodenglimmrelais
verwendet, an deren Zündanoden über Vorwiderstände und einstellbare Potentiometer
die ungeregelte Betriebsspannung gelegt ist und die in Abhängigkeit von der Höhe
der Betriebsspannung die zur Steuerung der Umschaltschütze dienenden Relais einschalten.
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Weiterhin ist es bekannt, zum Schalten von Störungsschreibern eine
zu überwachende Spannung mit einer konstanten Hilfsspannung, die über eine Zenerdiode
abfällt, zu vergleichen und bei Auftreten einer vorgebbaren Spannungsdifferenz einen
mit Elektronenröhren oder Transistoren bestückten Verstärker zum Ansprechen zu bringen.
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Endlich ist es bekannt, die Nichtlinearität von Kennlinien von Halbleiterbauelementen
zur Kontrolle bzw. Stabilisierung von Spannungen zu verwenden, gegebenenfalls auch
zum Abschalten beim Auftreten von Überspannungen oder Überströmen.
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Auch ist bereits vorgeschlagen worden, bei Spannungswähleinrichtungen
der im ersten Absatz beschriebenen Art die Umschaltung der Heizelemente in Abhängigkeit
von der Netzspannung durch Leistung schaltende Regelschütze vorzunehmen, die ihrerseits
durch eine elektronisch gesteuerte Relaisschaltung und mittelbar zur Regelung der
Raumtemperatur durch Thermostate geschaltet werden können.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Mehrspannungsheizeinrichtung,
bei der die Umschaltung der Heizelemente in Abhängigkeit von der Netzspannung durch
elektronisch gesteuerte Leistung schaltende Regelschütze erfolgt, insbesondere für
Schienenfahrzeuge, die sich von den bisher bekannten dadurch unterscheidet, daß
die Leistungsschütze über Leistungstransistoren durch Transistortrigger gesteuert
werden, die bei einem bestimmten einstellbaren Spannungsverhältnis zwischen Heiz-
und konstanter Hilfsspannung, d. h. bei Erreichen eines bestimmten Heizspannungswertes,
umkippen.
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Die konstante Hilfsspannung für die Steuereinrichtung wird dabei zweckmäßig
der Fahrzeugbatterie entnommen, und zwar vorteilhaft einem von der Fahrzeugbatterie
gespeisten Gleichspannungswandler, der gleichzeitig die hochspannungsführenden Teile
der Anlage von der Batterie galvanisch trennt. Weiterhin wird den Steuergliedern
die Heizspannung mit Vorteil nicht unmittelbar zugeführt, sondern ein der Heizspannung
entsprechender Meßwert, der beispielsweise durch einen I4llgenerator, einen astabilen
Multivibrator oder einen Transistorzerhacker erzeugt werden kann.
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Die Erfindung sei an Hand der Zeichnung näher erläutert und in ihren
weiteren Einzelheiten beschrieben. In der Zeichnung stellt Fig. 1 schematisch das
Prinzip des Steuergliedes dar, während in Fig. 2 ein Schaltbild der Steuereinrichtung
schematisch wiedergegeben ist; Fig. 3 und 4 geben in Verbindung mit Fig. 2 die Bildung
der Meßwerte, die Möglichkeiten zur galvanischen Trennung der hochspannungsführenden
Teile der Anlage und das Schaltschema zur Umschaltung der Heizelemente schematisch
wieder.
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Die Prinzipschaltung des Steuergliedes nach Fig. 1 zeigt die an der
Heizspannung (Hochspannung) liegende Spannungsteilerkette 1, 2 sowie das aus den
Transistoren 3 und 4 bestehende, an einer konstanten Hilfsspannung liegende Steuerglied.
Liegt keine Hochspannung an der Spannungstelerkette, so hat der Transistor 3 durchgesteuert.
Der Basisstrom fließt von Plus über 5, die Emitterbasis des Transistors 3 und 1
nach Minus. Dadurch ist die Emitter-Basis-Strecke des Transistors 4 durch den Transistor
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kurzgeschlossen. Der Widerstand 5 ist niederohmig, so daß das
Emitterpotential etwa 0,2 bis 0,4 V unter dem Pluspotential liegt. Wird nun an die
Spannungs teilerkette Hochspannung angelegt; so steigt auch das an 1 abgegriffene
Basispotential an, bis es fast gleich dem Emitterpotential wird. Jetzt beginnt der
Transistor 3 zu schließen, und damit bekommt der Transistor 4 über 6 Basisstrom
und läßt über den Widerstand 7 durch. Der Widerstand 7 ist wesentlich niederohmiger
als der Widerstand 6. Der Emitter-Kollektor-Strom wird dadurch größer als beim Transistor
3, und damit wird auch der Spannungsabfall an 5 größer, und das Emitterpotential
sinkt auf etwa 1 bis 2 V unter das Pluspotential. Da die Basis-Emitter-Spannung
zuerst bereits an der Grenze des Durchsteuerns war, kippt die Schaltung durch die
Potentialniederung am Emitter eindeutig vom geöffneten in den geschlossenen Zustand
über.
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Wie aus der Prinziperläuterung hervorgeht, ist für den Ansprechpunkt
maßgebend, daß die Steuerspannung an der Spannungsteilerkette genau so hoch über
den geerdeten Minuspunkt steigt, wie das Basispotential des Transistors 3 über Minus
liegt. Da nun an der Niederspannungsversorgung (Batterie) ziemlich große Spannungsschwankungen
auftreten, muß die Steuerniederspannung an der ersten Stufe (Transistor 3) stabilisiert
werden. Dies kann, wie in Fig. 2 dargestellt, mittels Widerstand 8 und Zelnerdiode
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erfolgen.
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In Fig. 2 ist für jeden Spannungsbereich ein solches Steuerglied vorgesehen,
nämlich die Transistoren 10 und 11, die in ihrer Funktion den Transistoren
3 und 4 nach Fig. 1 entsprechen. Da zur Betätigung der 50-kW-Leistungsschütze 12,
13, 14, 15 und 16 verhältnismäßig große Leistungen notwendig sind und außerdem zwischen
Umsteuern des Steuergliedes und Ansprechen der Schütze eine Verzögerung von etwa
5 Sekunden zweckmäßig ist, wird mit Hilfe des erhöhten Spannungsabfalles am Emitterwiderstand
17 bei Durchsteuerung von Transistor 11 ein Leistungstransistor
18 durchgesteuert, der dann die Schütze betätigt. Der Kondensator
19 zwischen der Basis des Transistors 10 und dem Kollektor des Transistors
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begünstigt den Kippvorgang des Steuergliedes. Die Kondensatoren2L0 im Zeitgliedteil
bewirken, daß zwischen dem Umsteuern des Steuergliedes und dem Ansprechen der Schütze
die vorgesehene Verzögerung eintritt. Im Ruhestand ist der Steuertransistor
21 im Zeitglied durch den Basisstrom geöffnet. Es fließt ein Emitter-Kollektor-Strom,
so daß am Emitterwiderstand 22 ein Spannungsabfall erzeugt wird, der ausreicht,
den Leistungstransistor 23 einwandfrei durchzusteuem, wodurch die Steuertransistoren
18 für die Schütze erst eine Stromzufuhr erhalten. Bei geschlossenem Transistor
11 lädt sich die linke Seite des Kondensators 20 über den Arbeitswiderstand
des Transistors 11 auf das Minuspotential der Steuerspannung auf, wogegen
die rechte Seite das Basispotential erhält, das nahe am Pluspotential liegt. Öffnet
nun einer der Transistoren 11, so wird. die linke Seite, die zuerst Minuspotential
hatte, positiv, und die EMK am Kondensator 20 addiert sich zur Steuerspannung,
so d'aß die Basisspannung über die Emitterspannung am Transistor 21 steigt,
bis sich der Kondensator 20 über den Widerstand 26 entladen hat; solange
ist der Zeitgliedsteuertransistor 21 und damit der Leistungstransistor 23 geschlossen,
und die Schütze können nicht anziehen. Wären die Dioden 27
in Reihe zum Kondensator
20 nicht vorhanden; so wäre die Potentialerhöhung nur ein Drittel; da jeweils
die beiden anderen Transistoren ein Drittel seiner Ladungsmenge aufnehmen würden.
Durch die Dioden 27. wird der Ausgleichsstrom verhindert.
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Die Wirkungsweise der Steuerung macht es notwendig, daß bei Ansprechen
eines Steuergliedes urverzögert das vorhergehende bzw. die vorhergehe.-den Steuerglieder
gesperrt werden. Es wird hierfür wiederum der erhöhte Spannungsabfall am Emitterwiderstand
des angesprochenen Bereiches ausgenutzt und werden damit die Transistoren 24 über
die Vorwiderstände 25 geöffnet, die jeweils die Basen der Transistoren
11 mit Plus verbinden und diese somit sperren.
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Da ferner beim 1000-V-Bereich die Schütze 12 und 13 und das 3000-V-Schütz
16 mit ansprechen muß, aber umgekehrt die 1000-V-Schütze 12 und 13 ini 3000-V-Bereich
nicht ansprechen dürfen, ist eine Sperrzelle (Diode) 28 in die Verbindungsleitung
der 3000-V- und 1000-V-Schütze eingebaut: Die Hochspannung ist einseitig an Erde
gelegt: Wenn aber die Niederspannungsversorgung (Batterie) aus verschiedenen Gründen
nicht geerdet werden darf, sind verschiedene Vorkehrungen, um eine galvanische Trennung
zwischen Spannungsteilerkette und Batterie zu bekommen, notwendig. Dies kann z:
B. auf folgende Weisen erreicht werden: ä) Die Schaltung nach Fig. 3 zeigt die galvanische
Trennung im Niederspannungsteil. Die Batteriespannung wird über einen TransiStorgleichspannnungswandler
29 zugeführt. Der EinwegglGichrichter 30 und der Siebkondensator
31 iii der Spannungsteilerkette für die Anschlüsse 32, 33, 34 (1500 V, 3000
V und Maxima'lspannungsbereich) ermöglichen es, bei Gleich- und Wechselspannung
dieselben Ansprechwerte zu erreichen. Für den 1000- 'V-Bere%h ist eine zusätzliche
kapazitive Spannungsteilung vorgesehen; da der 1000-V-Bereich nur bei Wechselspannung
ansprechen darf.
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b) Die Schaltung nach Fig. 4 zeigt die galvlnische Trennung hinter
der Spannungsteilerkette. Um den Eigätzpunkt und das Umkippen des Steuergliedes
noch zu verbessern, kann noch für jeden Spannungsbereich ein kleiner Sättigungstransformator
35 verwendet werden. Die Wechselspannung wird von einem Transistorzerhacker 36 erzeugt.
Die Wicklungen 'der Transformatoren 35 sind in Reihe geschaltet, so daß sekundär
eine Spannung induziert wird, die gleichgerichtet zur Aussteuerung der Transistoren
10 'verwendet wird. Im Steuerteil nach Fig: 1 entfallen hierbei die Widerstände
5. Wenn nun die aus der Steuer= seite abgegriffene Spannung über die Zehnerspannung
steigt, fließt durch die Vorerregerspule der Transformatoren 35 ein Gleichstrom;
der die Sättigungstransformatoren 35 so vormagnetisiert, daß sekundärseitig keine
Spannung mehr induziert wird. Der jeweilige Transistor 10 wird' dadurch geschlossen
und damit der Transistor 11 geöffnet. Die galvanische Trennung der Hochspannung
und Niederspannung erfolgt hier bereits in der Spannungstelerkette.
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Außerdem kann die galvanische Trennung dadurch erreicht werden, daß
der Meßwert durch einen Hellgenerator oder einen astabilen Multivibrator Übertragen
wird.
Die Fig. 2 und 3 bzw. 2 und 4 sind funktionsmäßig miteinander
im folgenden Sinne zu verbinden: In Fig. 3 ist auf der linken Seite der Heizkreis
mit den Schützen 12 bis 16 und den Heizkörpern 37 dargestellt, die je nach der Netzspannung
durch die Leistungsschütze umgruppiert werden. Die Anschlüsse 32, 33, 34, 38, 39,
40 und 41 sind mit den gleichen bezifferten Anschlüssen in der Fig. 2 zu verbinden.
Das gleiche gilt sinngemäß für die Verbindung der Fig. 2 und 4, die an Stelle der
Verbindung der Fig. 2 und 3 treten kann.