WALTER, Harald (Köppenzeile 102, Berlin, 12557, DE)
| Patentansprüche 1. Schaltungsanordnung zur Spannungsmessung mit einem elektrischen Antrieb, insbesondere Weichenantrieb, der in einem Antriebsmodus und einem Überwachungsmodus betreibbar ausgebildet ist, wobei mindestens ein Schalter zur Abtrennung des Spannungsmesskreises im Überwachungsmodus vorgesehen ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Schalter als antriebsstromgesteuertes bidirektionales elektronisches Relais ausgebildet ist. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das elektronische Relais mindestens einen MOS-Transistor (Ml, M2, M3) umfasst. 3. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass ein mittels Stromwandler (Wl, W2, W3) von einem Antriebsstromkreis abgegriffenes Signal über eine Verarbeitungseinheit (VE), einem Optokoppler (OS1, OS2, OS3) oder einer Generator/Tranformator-Baugruppe (G/TS1, G/TS2, G/TS3) zur Ansteuerung des elektronischen Relais zugeführt ist. 4. Schaltungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass in den Strompfad zur Ansteuerung des elektronischen Relais ein zusätzlicher Schalter (S) eingeschleift ist. |
SCHALTUNGSANORDNUNG ZUR SPANNUNGSMESSUNG BEI EINEM ELEKTRISCHEN ANTRIEB,
INSBESONDERE WEICHENANTRIEB
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur
Spannungsmessung bei einem elektrischen Antrieb, insbesondere Weichenantrieb, der in einem Antriebsmodus und einem
Überwachungsmodus betreibbar ausgebildet ist, wobei
mindestens ein Schalter zur Abtrennung des
Spannungsmesskreises im Überwachungsmodus vorgesehen ist.
Die nachfolgende Beschreibung bezieht sich im Wesentlichen auf Weichenantriebe der Eisenbahnsicherungstechnik, ohne dass die Erfindung auf diese Anwendung beschränkt sein soll.
Spannungsmessschaltungen der gattungsgemäßen Art sind
beispielsweise auch für elektrische Antriebe in Kraftwerken und Chemieanlagen erforderlich. Zur Erhöhung der Verfügbarkeit und der Gewährleistung
sicherungstechnischer Anforderungen bei Weichenantrieben ist die rechtzeitige Erkennung von Schwergängikeit ,
Wartungsmängeln oder mit Wahrscheinlichkeit eintretender Schäden von entscheidender Bedeutung. Durch die Erfassung, Bewertung und Analyse elektrischer Messgrößen, vorzugsweise Strom und Spannung, kann eine Aussage über den Zustand des Weichenantriebes getroffen werden.
Außerhalb des Antriebsmodus, d. h. des Weichenumlaufes, wird der Weichenstromkreis üblicherweise stellwerksseitig
überwacht. In diesem Überwachungsmodus darf keine
Beeinflussung des Antriebsstromkreises durch weitere
periphere Messstromkreise erfolgen. Prinzipiell wird an die Spannungserfassung in überwachten Antriebsstromkreisen die wesentliche Anforderung gestellt, dass eine rückwirkungsfreie bzw. in vorgegebenen Grenzen eine quasi rückwirkungsfreie Spannungsmessung erfolgen muss. Im Überwachungsmodus bedeutet das, dass der Einfluss der Spannungsmessung derart gering bleiben muss, dass die Stromkreisüberwachung zur Detektion von Betriebszuständen und Kontakt- oder Kabelfehlern zwischen den Adern des Antriebsstromkreises durch die
Spannungsmessschaltung nicht verfälscht werden kann. Der Übergangswiderstand durch die zwischen den Adern des
Antriebsstromkreises parallel geschalteten Messmittel für die Spannungsmessung darf nicht so weit verringert werden, dass ein kritischer Zustand des Weichenantriebes durch die
Überwachung nicht erkannt werden könnte. Da im Überwachungsmodus Schaltstellungen von Kontakten zur Verifizierung der tatsächlichen Weichenendlage überprüft werden, ist die Abtrennung der Spannungsmessung im
Überwachungsmodus nicht nur für Verfügbarkeitsanforderungen, sondern auch für Sicherheitsanforderungen von höchster
Relevanz. Die Spannungsmessung erfolgt nur während des
Antriebsmodus, wobei die Anforderung besteht, dass die
Spannungsmessung nicht zu einer wesentlichen Vergrößerung der Eingangsleistung führen darf. Darüber hinaus muss
sichergestellt sein, dass Fehler in der
Spannungsmessschaltung keine Kurzschlüsse oder
Unterbrechungen im Antriebsstromkreis verursachen können. Grundsätzlich ist die Spannungsmessschaltung derart zu gestalten, dass der Spannungsmesswert über einen Wandler Potential getrennt übertragen wird.
Gegenüber permanent wirkenden Spannungsmessschaltungen haben schaltbare Spannungsmessschaltungen den Vorteil, dass sie niederohmiger ausgelegt werden können und sich damit die Beeinflussung des Spannungsmessstromkreises durch Antriebsströme verringern. Eine Schaltungsanordnung mit abschaltbarem Spannungsmesskreis ist aus der DE 100 23 093 C2 bekannt. Die Abschaltung während des Überwachungsmodus erfolgt dabei mittels elektromechanischer Schalter.
Nachteilig ist vor allem die mangelnde Zuverlässigkeit der elektromechanischen Kontakte. Im Versagensfall mindestens eines Kontaktes kommt es im Überwachungsfall nicht zum
Abschmelzen einer Sicherung im Strompfad des Kontaktes, sondern zu einer unzulässigen Beeinflussung der Adern des Antriebsstromkreises. Bei überwachten, sicherheitsrelevanten Antriebsstromkreisen, beispielsweise bei Weichenantrieben, können derartige Zustände nicht toleriert werden, da ein falscher Antriebszustand, beispielsweise bezüglich der
Weichenlage, vorgetäuscht werden könnte.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
Schaltungsanordnung zur Spannungsmessung bei einem
elektrischen Antrieb der gattungsgemäßen Art anzugeben, welche sich durch verbesserte Verfügbarkeit und
Rückwirkungsfreiheit auf den Antriebsstromkreis auszeichnet.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass der Schalter als antriebsstromgesteuertes bidirektionales
elektronisches Relais ausgebildet ist. Das elektronische Relais ist primärseitig in den Spannungsmesskreis
eingeschleift und bewirkt während der Ruhephase des
Antriebes, also im Überwachungsmodus, eine Abschaltung des Spannungsmesskreises. Eine Beeinflussung des
Überwachungsstromkreises durch den Spannungsmesskreis ist somit ausgeschlossen, d. h. im Überwachungsmodus besteht Rückwirkungsfreiheit. Das Ein- bzw. Ausschalten des
Spannungsmesskreises erfolgt mittels Detektierung der
Stromsignale aus dem Antriebsstromkreis. Im Antriebsmodus, d. h. in der Aktivphase der Spannungsmessung, besteht die Anforderung, dass der Einfluss der Spannungsmessung auf die Stromversorgung keine spürbaren Auswirkungen auf das
Gesamtsystem haben darf. Da die Schalterausprägung als bidirektionales elektronisches Relais die Verwendung
hochohmiger Vorwiderstände im Spannungsmesskreis ermöglicht, ergibt sich eine beliebig skalierbare Entkopplung des
Spannungsmesskreises vom Antriebskreis. Vorteilhaft gegenüber elektromechanischen Relais ist weiterhin die höhere
Zuverlässigkeit, verbunden mit einfachem und kostengünstigem Aufbau des elektronischen Schalters.
Gemäß Anspruch 2 ist vorgesehen, dass das elektronische
Relais mindestens einen MOS-Transistor umfasst. MOS - Metall- Oxid-Semiconducter - Transistoren lassen sich sehr feinfühlig und dauerhaft stabil durch ein aus dem Antriebsstrom
abgeleitetes Signal ansteuern. Besonders vorteilhaft ist, dass durch den Einsatz von MOS-Transistoren keine zusätzliche Energie zur Stromversorgung des Spannungsmesskreises
erforderlich ist. MOS-Transistoren lassen sich direkt
transformatorisch oder optisch ansteuern.
Dazu ist gemäß Anspruch 3 vorgesehen, dass ein mittels
Stromwandler von einem Antriebsstromkreis abgegriffenes
Signal über eine Verarbeitungseinheit einem Optokoppler oder einer Generator/Transformator-Baugruppe zur Ansteuerung des elektronischen Relais zugeführt ist. Der Stromfluss durch den Stromwandler steuert die Verarbeitungseinheit und letztlich die Ein- und Ausschaltung des Spannungsmesskreises. Die
Verarbeitungseinheit erzeugt dabei ein Signal zur
Beaufschlagung des Optokopplers oder des Transformators, welcher den MOS-Transistor mit sehr hoher Zuverlässigkeit durchsteuert oder sperrt. Die erforderliche Potentialtrennung ergibt sich automatisch durch die Isolationsstrecke des
Optokopplers bzw. des Transformators. Um die Zuverlässigkeit noch weiter zu erhöhen, kann in den Strompfad zur Ansteuerung des elektronischen Relais gemäß Anspruch 4 ein zusätzlicher Schalter eingeschleift sein. Durch diesen zusätzlichen Schalter erfolgt eine Abschaltung der Spannungsmessung quasi über einen zweiten Kanal, wobei eventuelle Fehler in der Verarbeitungseinheit, die das
Ansteuersignal für die MOS-Transistoren erzeugt, nicht zu Fehlfunktionen führen können, sondern in jedem Fall eine Stromlosschaltung des Spannungsmesskreises im
Überwachungsmodus sichergestellt ist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand figürlicher
Darstellungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine erste Ausführungsform einer einkanaligen
Abschaltung einer Spannungsmessung bei einem elektrischen Antrieb, Figur 2 eine zweite Ausführungsform einer einkanaligen
Abschaltung einer Spannungsmessung bei einem elektrischen Antrieb,
Figur 3 eine erste Ausführungsform einer zweikanaligen
Abschaltung einer Spannungsmessung bei einem elektrischen Antrieb und
Figur 4 eine zweite Ausführungsform einer zweikanaligen
Abschaltung einer Spannungsmessung bei einem elektrischen Antrieb.
Figur 1 zeigt den grundsätzlichen Aufbau einer
Schaltungsanordnung zur Abschaltung der Spannungsmessung bei einem Weichenantrieb außerhalb des Weichenumlaufes, wodurch in dieser Antriebsruhephase ein externer Überwachungsmodus unbeeinflusst durch die Spannungsmessung erfolgen kann. Der Weichenantrieb wird durch die Adern N, LI, L2 und L3 eines Antriebsstromkreises gespeist. Die Spannung soll nur im
Antriebsmodus in den drei Phasen LI, L2 und L3 gegenüber N gemessen werden. Dazu sind drei Spannungsmesskreise
vorgesehen, die jeweils einen Abgriff in den Adern LI, L2 und L3, eine Sicherung Fl, F2 und F3, einen Vorwiderstand Rl, R2 und R3 zur Entkopplung des Spannungsmesskreises vom
Antriebsstromkreis, einen MOS-Transistor Ml, M2, M3 sowie einen mit der N-Ader verbundenen Spannungsübertrager Tl, T2 und T3 aufweisen. Weiterhin ist in jede der drei Adern LI, L2 und L3 des Antriebsstromkreises ein Stromwandler Wl, W2 und W3 geschaltet, dessen Ausgangssignal mittels Verstärker VI, V2 und V3 konditioniert und einer Verarbeitungseinheit VE zugeführt ist. Die Verarbeitungseinheit VE erzeugt ein
Ausgangssignal BO, das drei seriell geschalteten Optokopplern OS1, OS2 und OS3 zugeführt ist, welche die drei MOS- Transistoren Ml, M2 und M3 ansteuern.
Wird in dem Antriebsstromkreis über die
Stromwandler/Verstärker-Baugruppen Wl/Vl, W2/V2 und W3/V3 von der Verarbeitungseinheit VE ein Stromfluss detektiert, wird das Ausgangssignal BO der Verarbeitungseinheit VE aktiv geschaltet und durch die seriell angeschlossenen Optokoppler OS1, OS2 und OS3 und damit durch die MOS-Transistoren Ml, M2 und M3 fließt Strom. Dabei steuert das durch die Optokoppler OS1, OS2 und OS3 emittierte Licht die MOS-Transistoren Ml, M2 und M3 durch, so dass der Spannungsmesskreis über die
Spannungsübertrager Tl, T2 und T3 geschlossen wird. Die
Spannungsübertrager Tl, T2 und T3 registrieren einen
Spannungswert, der an die Verarbeitungseinheit VE zur
Auswertung und Weiterleitung übertragen wird. Ist der
Weichenumlauf beendet, d. h. erfolgt der Übergang vom Antriebsmodus in den Überwachungsmodus, fließt kein Strom mehr und die Verarbeitungseinheit VE schaltet ihren Ausgang BO ab, wodurch die MOS-Transistoren Ml, M2 und M3 den
Spannungsmesskreis öffnen. Damit ist im Überwachungsmodus garantiert, dass der Spannungsmesskreis keinerlei Rückwirkung auf den Antriebsstromkreis ausüben kann.
Figur 2 zeigt eine Schaltungsanordnung gleicher
Funktionalität wie Figur 1 mit dem Unterschied, dass anstelle der Optokoppler OS1, OS2 und OS3 zur Ansteuerung der MOS- Transistoren Ml, M2 und M3 Transformatoren TS1, TS2 und TS3 eingesetzt werden. In diesem Fall steuert der Ausgang BO der Verarbeitungseinheit VE einen Generator G an, der die für die Transformatoren TS1, TS2 und TS3 notwendige Wechselspannung erzeugt.
Bei erhöhten Anforderungen an die Sicherheit und
Zuverlässigkeit der Abschaltung der Spannungsmessung wird gemäß Figur 3 in die Schaltungsanordnungen der Figuren 1 und 2 ein zusätzlicher Schalter S in den Ansteuerstromkreis der MOS-Transistoren Ml, M2 und M3 eingefügt, wobei dem Schalter S eine Logikschaltung LS & A vorgeschaltet ist. Die
Logikschaltung LS & A erzeugt ein von der
Verarbeitungseinheit VE unabhängiges Signal, das je nach Anforderung ein „verodertes" oder „verundertes" Signal zur Ansteuerung des Schalters S erzeugt. Somit kann auch bei Ausfall des Ausganges BO der Verarbeitungseinheit VE, der Verarbeitungseinheit VE selbst oder eines AnSteuerelementes der MOS-Transistoren Ml, M2 und M3 die Abschaltung des
Spannungsmesskreises sichergestellt werden.
Figur 4 zeigt wie Figur 3 eine derartige zweikanalige
Abschaltung, wobei der Unterschied darin besteht, dass die MOS-Transistoren Ml, M2 und M3 nicht wie bei der Schaltungsanordnung gemäß Figur 3 mittels Optokoppler OSl, OS2 und OS3, sondern mittels Transformatoren TS1, TS2 und TS3 angesteuert werden.