DE1146575B

DE1146575B - Multi-voltage heating device with electronic control

Info

Publication number: DE1146575B
Application number: DESCH28677A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Lerch; Wilhelm Sterff
Original assignee: Schaltbau GmbH
Current assignee: Schaltbau GmbH
Priority date: 1960-10-27
Filing date: 1960-10-27
Publication date: 1963-04-04

Description

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.Multi-voltage heating device with electronic control There are already voltage selection devices for electrical multi-voltage heating systems, in particular for electrically operated rail vehicles, with depending on a relay circuit changeover contactors controlled by the operating voltage are known. At these institutions the relays are generated by one of the operating voltage, but by their Height independent constant voltage and operated by special controls with different response voltage depending on the respective level of the Operating voltage switched on. Cathode glow relays are used as the control unit used, on their ignition anodes via series resistors and adjustable potentiometers the unregulated operating voltage is applied and that depends on the height the operating voltage, switch on the relays used to control the changeover contactors.

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.Furthermore, it is known to switch fault recorders a Voltage to be monitored with a constant auxiliary voltage that is generated via a Zener diode drops, to compare and if a predeterminable voltage difference occurs to make amplifiers equipped with electron tubes or transistors respond.

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.Finally it is known the non-linearity of characteristics of semiconductor components to use to control or stabilize tensions, if necessary also for switching off in the event of overvoltages or overcurrents.

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.It has also already been proposed for voltage selection devices the type described in the first paragraph, the switching of the heating elements depending from the mains voltage through power-switching control contactors, which in turn through an electronically controlled relay circuit and indirectly to regulate the Room temperature can be switched by thermostats.

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.The present invention relates to a multi-voltage heater, in which the switching of the heating elements depends on the mains voltage electronically controlled power switching control contactors takes place, in particular for Rail vehicles, which differs from the previously known in that the power contactors are controlled via power transistors by transistor triggers at a certain adjustable voltage ratio between heating and and constant auxiliary voltage, d. H. when a certain heating voltage value is reached, tip over.

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.The constant auxiliary voltage for the control device is useful here taken from the vehicle battery, advantageously one from the vehicle battery fed DC-DC converter, which simultaneously carries the high-voltage parts galvanically isolates the system from the battery. Furthermore, the control members the heating voltage is advantageously not supplied directly, but rather one of the heating voltage corresponding measured value, which is an astable one, for example by an I4II generator Multivibrator or a transistor chopper can be generated.

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.The invention is explained in more detail with reference to the drawing and in their further details. In the drawing, Fig. 1 schematically represents the Principle of the control member, while in Fig. 2 is a circuit diagram of the control device is shown schematically; Figs. 3 and 4 in conjunction with Fig. 2 give the formation the measured values, the possibilities for galvanic separation of the high-voltage Parts of the system and the circuit diagram for switching the heating elements are schematic again.

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 3 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.The basic circuit of the control member of Fig. 1 shows the on Heating voltage (high voltage) lying voltage divider chain 1, 2 as well as that from the Transistors 3 and 4 existing control element connected to a constant auxiliary voltage. If there is no high voltage on the voltage control chain, the transistor 3 has turned on. The base current flows from plus through 5, the emitter base of transistor 3 and 1 after minus. As a result, the emitter-base path of the transistor 4 is through the transistor 3 shorted. The resistor 5 is low, so that The emitter potential is about 0.2 to 0.4 V below the positive potential. Is now going to the Voltage divider chain high voltage applied; so the tapped at 1 also increases Base potential until it is almost equal to the emitter potential. Now begins the To close transistor 3, and thus transistor 4 receives base current over 6 and lets through the resistor 7. The resistor 7 is significantly lower than the resistor 6. The emitter-collector current is greater than with the transistor 3, and with it the voltage drop across 5, and the emitter potential drops to about 1 to 2 V below the positive potential. Because the base-emitter voltage was already at the limit of full control, the circuit flips through the Low potential at the emitter clearly from the open to the closed state above.

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 9 erfolgen.As can be seen from the explanation of the principle, it is decisive for the response point that the control voltage on the voltage divider chain rises just as high above the grounded minus point as the base potential of transistor 3 is above minus. Since now fairly large voltage fluctuations occur at the low voltage supply (battery), the control low voltage at the first stage (transistor 3) must be stabilized. As shown in FIG. 2, this can be done by means of a resistor 8 and a Zelner diode 9 .

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 11 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.In FIG. 2, such a control element is provided for each voltage range, namely the transistors 10 and 11, which correspond in their function to the transistors 3 and 4 according to FIG. Since relatively high outputs are required to operate the 50 kW power contactors 12, 13, 14, 15 and 16 and, in addition, a delay of about 5 seconds is advisable between reversing the control element and responding to the contactors, the increased voltage drop across the emitter resistor 17 when transistor 11 is turned on, a power transistor 18 is turned on , which then operates the contactors. The capacitor 19 between the base of the transistor 10 and the collector of the transistor 11 favors the tilting process of the control member. The capacitors2L0 in the timing element cause the intended delay to occur between the reversal of the control element and the response of the contactors. At rest, the control transistor 21 in the timer is opened by the base current. An emitter-collector current flows, so that a voltage drop is generated at the emitter resistor 22 which is sufficient to control the power transistor 23 properly, whereby the control transistors 18 for the contactors only receive a power supply. When the transistor 11 is closed, the left side of the capacitor 20 is charged to the negative potential of the control voltage via the load resistance of the transistor 11 , while the right side receives the base potential, which is close to the positive potential. Now opens one of the transistors 11, so is. the left side, which first had negative potential, positive, and the emf on capacitor 20 is added to the control voltage, so that the base voltage rises above the emitter voltage on transistor 21 until capacitor 20 has discharged via resistor 26; as long as the timer control transistor 21 and thus the power transistor 23 are closed, and the contactors cannot pick up. If the diodes 27 in series with the capacitor 20 were not present; so the potential increase would only be a third; since each of the other two transistors would take up a third of its charge. The compensating current is prevented by the diodes 27.

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.The mode of operation of the control makes it necessary that when a control element responds, the previous or previous control elements are blocked with an initial delay. The increased voltage drop at the emitter resistance of the area in question is used for this purpose and the transistors 24 are thus opened via the series resistors 25 , which each connect the bases of the transistors 11 to plus and thus block them.

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.Since the contactors 12 and 13 and the 3000 V contactor 16 must also respond in the 1000 V range, but conversely, the 1000 V contactors 12 and 13 must not respond in the 3000 V range, a blocking cell ( Diode) 28 built into the connecting cable of the 3000 V and 1000 V contactors: The high voltage is connected to earth on one side: However, if the low voltage supply (battery) must not be earthed for various reasons, various precautions must be taken to ensure galvanic isolation to get between voltage divider chain and battery is necessary. This can be achieved, for example, in the following ways: ä) The circuit according to FIG. 3 shows the galvanic separation in the low-voltage part. The battery voltage is supplied via a transistor DC voltage converter 29. The one-way rectifier 30 and the filter capacitor 31 iii of the voltage divider chain for the connections 32, 33, 34 (1500 V, 3000 V and maximum voltage range) make it possible to achieve the same response values for direct and alternating voltages. An additional capacitive voltage division is provided for the 1000 V range; because the 1000 V range may only respond with alternating voltage.

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.b) The circuit according to FIG. 4 shows the electrical isolation behind the voltage divider chain. In order to further improve the etching point and the overturning of the control element, a small saturation transformer 35 can also be used for each voltage range. The alternating voltage is generated by a transistor chopper 36. The windings 'of the transformers 35 are connected in series so that a secondary voltage is induced which is used in a rectified manner to control the transistors 10 '. In the control part according to FIG. 1, the resistors 5 are omitted here. If the voltage tapped from the control side now rises above the tens voltage, a direct current flows through the pre-excitation coil of the transformers 35; which premagnetizes the saturation transformers 35 so that no voltage is induced on the secondary side. The respective transistor 10 is thereby closed and thus the transistor 11 is opened. The galvanic separation of the high voltage and low voltage takes place here in the voltage control chain.

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.In addition, the galvanic separation can be achieved in that the measured value is transmitted by a light generator or an astable multivibrator will. Figs. 2 and 3 or 2 and 4 are functional with one another to be connected in the following sense: In Fig. 3 is on the left side of the heating circuit shown with the contactors 12 to 16 and the radiators 37, depending on the mains voltage be regrouped by the contactors. Connections 32, 33, 34, 38, 39, 40 and 41 are to be connected to the same numbered connections in FIG. The same applies mutatis mutandis to the connection of FIGS. 2 and 4, which in place of the Connection of FIGS. 2 and 3 can occur.

Claims

CLAIMS: 1. Mehrspannungsheizeinrichtung, wherein the switching of the heating elements in dependence on the mains voltage by electronically controlled, power is switched control contactors, in particular for electrically operated rail vehicles, characterized in that the power contactors are controlled by power transistors through transistor trigger, the adjustable at a certain Voltage ratio between heating and constant auxiliary voltage, ie when a certain heating voltage value is reached, tip over.

2. Multi-voltage heater according to claim 1, characterized in that the constant auxiliary voltage for the Control device one fed by the vehicle battery, the high-voltage ones Parts of the system are removed from the DC-DC converter, which is galvanically separated from the battery will.

3. Multi-voltage heating device according to claim 1, characterized in that the control elements a measured value corresponding to the respective value of the heating voltage by a Hall generator, an astable multivibrator or a transistor chopper is fed.

4. Multi-voltage heating device according to claim 1, characterized in that that the respective switching point is activated by a voltage divider lying Zener diodes is achieved, whose current each one from a transistor chopper powered saturation transformer or magnetic amplifier that acts as galvanic separation controls so that the output voltage supplied to the control members collapses and the switchover takes place in the respective area. 5. Multi-voltage heater according to claim 1, characterized in that the power contactors are switched on after reaching the respective response value and thus the response of the control element by a monostable multivibrator with transistor for an adjustable time, z. B.

5 seconds, is delayed.

6. Multi-voltage heating device according to claim 1, characterized in that the transistor groups assigned to the individual voltage range are mutually interlocked without contact by transistors.

7. Multi-voltage heater according to claim 4, characterized in that the voltage divider is via a half-wave rectifier connected to the heating voltage and a filter capacitor with adjustable tap is provided to with direct and alternating voltage at the taps of the voltage divider to get the same voltage values. B. multi-voltage heater according to claim 4, characterized in that by an additional capacitive voltage divider the response of the control element to DC voltage within a voltage range in this area is prevented. Publications considered: German Special publications No. 1059 550, 1084 820, 1085 239.