Zngsieherungseinr ichtung. Es ist bereits vorgeschlagen worden, den Bremsmechanismus einer fahrenden Loko motive selbsttätig durch einen elektrischen Apparat zu betätigen, welcher an einer be stimmten Stelle der Strecke eingebaut ist und zugleich mit dem Haltsignal geschaltet wird. Der Grundgedanke einer solchen Ein richtung ist beispielsweise der, dass auf der Lokomotive ein offener Transformator T(siehe die beigefügte Fig. 1) eingebaut ist, dessen magnetischer Widerstand beim Vorbeifahren an einem entsprechenden Schlussjoch T', welches fest auf der Strecke eingebaut ist, geändert wird.
Durch Rückwirkung des in dem Schluss- joch induzierten Sekundärstromes wird der Primärstrom des Transformators, der durch eine geeignete Wechselstromquelle 14T geliefert wird, geändert und durch diese Änderung ein mit dem Bremsmechanismus verbundenes Re lais R betätigt. Der Transformator wird mit Wechselstrom bestimmter Frequenz f gespeist. Um den Wechselstromgenerator nicht unnötig gross machen zu müssen; ist vorgeschlagen worden, die Blindkomponente des den Trans formator und das Relais enthaltenden Strom kreises durch einen Kondensator Ci zu kom pensieren, so dass der Generator nur die Wirkleistung zu liefern braucht.
Der Gene rator arbeitet also auf einen abgestimmten Kreis Ci, Li; die entstandene Stromstärke ist dann dem Verlustwiderstand dieses Kreises umgekehrt proportional.
Ebenso ist vorgeschlagen worden, den sekundären Stromkreis abzustimmen, d. h. die Wicklung des Gleismagnetes L2 über einen Kondensator C2 bestimmter Grösse zu schlie ssen. Wird an einen auf die erregende Fre quenz abgestimmten Kreis ein zweiter ab gestimmter Kreis gekoppelt, so wird der wirksame Verlustwiderstand des Primär kreises vergrössert, der Primärstrom also ver ringert; so dass das Relais jetzt abfällt. Ob wohl dieses Grundprinzip seit langem bekannt war, hat sich keine Ausführung im prak tischen Betrieb bewährt, da insbesondere die erzielten Beeinflussungszeiten zu gering waren, um eine genügende Sicherheit für den Betrieb zu geben.
Durch die Einrichtung gemäss vorliegender Erfindung wird dieser Nachteil behoben, in dem zwischen den Konstanten der verwand ten elektrischen Anordnung, sowie den räum lichen Grössen der Beeinflussungseinrichtung und der Geschwindigkeit des Zuges eine einfache Beziehung hergestellt wird.
Im folgenden ist anhand der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegen standes erläutert.
Bezeichnen di <I>=</I> 7r Rrlai Li, ferner (1@ <I>=</I> 7r Rt;1cu L2 die Dämpfungen der beiden Stromkreise, wobei R der) ohmschen Wider stand darstellt und
EMI0002.0013
worin :
7/I die gegenseitige Induktivität ist, den Kopp lungskoeffizienten der beiden Kreise im Be- einflussungszustande, so ergibt, wie bekannt, eine einfache theoretische Betrachtung, dass die primäre Dämpfung di im unbeeinflussten Zustande, d. h. bei vollkommenem Fehlen des sekundären Kreises bei Ankopplung des letzteren, d. h. im Beeinflussungszustande, auf den Wert
EMI0002.0022
erhöht wird.
Durch diese resultierende Dämpfung d,' ist nun die Höhe der verwendeten Frequenz und die Länge der Magnetpole begrenzt. Bei einem Schwingungsvorgang bedeutet ja be kanntlich die Dämpfung d den natürlichen Logarithmus aus dem Verhältnis zweier auf einanderfolgenden Schwingungsamplituden. Bei einem Einschaltvorgang hat nach
EMI0002.0025
Schwingungen die Stromamplitude bis auf
EMI0002.0026
d. h. bis aus 13 % ihren Endwert erreicht. Die Beeinflussungsdauer muss also minde stens, um genügend Sicherheit zu geben, die Zeit von 2 yt-Schwingungen betragen, also mindestens
EMI0002.0028
Sekunden, wenn die Dauer
EMI0002.0029
einer Schwingung ist.
Die Höchstgeschwin digkeit v eines Zuges liegt bei etwa 120 km in der Stunde, d. h. v = 33 m in der Sekunde. Wenn man nicht zu unförmig langen Magrie- ten kommen will und die Längenausdehnung etwa mit 1 m in der Fahrtrichtung be schränkt, so bleibt unter Berücksichtigung der Bedingung, dass der kürzeste Abstand zwischen der) Polen eines Magnetes grösser als der doppelte Abstand zwischen Fahr- und Gleismagnet, also mindestens 40 bis<B>50</B> cm sein soll - da sonst die Mehrzahl der Kraft linien sich auf dein kürzeren direkten Luft weg von Pol zu Pol eines Eisenkernes schlie ssen würden,
ohne durch den andern Eisen kern zu laufen - für die Pole eine Länge 1 (Fig. 1) in der Fahrtrichtung von je<B>25</B> bis 30 cm übrig. Diese Länge von 1= 0,25 m wird in
EMI0002.0038
Sekunden durchfahren. Es muss also
EMI0002.0039
sein, oder
EMI0002.0040
oder in dem angenommenen Fall
EMI0002.0041
Nimmt man beispielsweise di = 0,3, dz = 0,3 und k = 0,1 an, so ergibt sich eine resul tierende Dämpfung
EMI0002.0044
EMI0002.0045
und daraus als untere Frequenzgrenze f = 830 Hertz. Nach oben ist die Frequenz durch die Verwendung von Eisen begrenzt dadurch, dass die Eisenverluste und damit die Dämpfungen mit zunehmender Frequenz steigen.
Es ist nicht zweckmässig; die Fre quenz höher als etwa 2000 Hertz zu wählen. Nach unten liegt eine weitere Begrenzung der Frequenz noch in der Trägheit des Relais. Das Relais braucht eine mindeste Beein flussungsdauer von etwa 0,002 Sekunden) zur Überwindung der mechanischen Trägheit.<B>Um</B> genügend Sicherheit zu haben, wird man mit der Beeinflussungsdauer aus diesem Grunde nicht unter 0,004 Sekunden heruntergehen.
Ist aber während einer Periode des Wechsel stromes die Zeit, während welcher die Strom stärke kleiner als etwa die Hälfte des Maxi malwertes ist, also die Dauer von etwa einer Viertelsperiode grösser als 0,002 Sekunden, so besteht die Gefahr, dass das Relais bei jedem Stromdurchgang durch Null abfällt. Aus diesem Grunde muss
EMI0002.0054
sein, also wesentlich grösser als 125 Perioden. Die tatsächliche Grenzfrequenz dürfte etwa bei <B>250</B> Perioden liegen.
Weiterhin hat sich mit Rücksicht auf die Betriebssicherheit, abgesehen von der bereits erwähnten Einwirkungsdauer, eine gewisse Mindeststromänderung zwischen unbeeinfluss- tem und beeinflusstem Zustande als wünschens wert ergeben, um genügend unempfindliche und daher sicher arbeitende Relais verwenden zu können. Als praktisch hat sich dabei ein Stromänder ungswert zwischen beeinflusstem und unbeeinflusstem Zustande von zirka 1 : 2 als ausreichend für eine genügende Betriebs sicherheit im Eisenbahnbetrieb ergeben.
Eine derartige 14lindeststromänderung kann erreicht werden, nachdem die Anlage eine Gesamt- dimensionierung erfahren hat, die sich aus den folgenden theoretischen Überlegungen ergibt.
Es mögen in bekannter Weise U die Klemmenspannung, J den Strom, R den ohmschen Widerstand, L die Selbstinduktion C die Kapazität, m <I>= 2 x f</I> die Kreisfrequenz
EMI0003.0014
die resultierende Reaktanz, <I>d</I> die Dämpfung<I>=</I> 7c Rlo) <I>L</I> und fc die Kopp lung
EMI0003.0019
worin M die gegenseitige Induktivität ist, bedeuten; ferner bezeichne der Index 1 den Primärkreis, der Index 2 den Sekundärkreis (Fig.1). Im Falle der Abstimmung ist Z, = 0 und Z = 0.
Es gilt dann für den Primärkreis allein:
EMI0003.0022
Wird nein der Sekundärkreis angekoppelt, d. h. fährt der Zug, auf welchem der Primär kreis aufgebaut ist, an dem Gleismagnet vorüber, so dass die Kraftlinien des Fahr magnetes sich teilweise über den Gleismagne ten schliessen und in dessen abgestimmten Sekundärkreis einen Strom J2 induzieren, so gelten die Gleichungen (2) U = Ji' (R i + j Zi)
+ .j oi M Jz (ä) o = J2 (R2 + <I>j</I> Z2) + <I>j</I> a) M <I>J'</I> Daraus folgt die auf das Primärsystem redu- zierte Gleichung unter Berücksichtigung von Zi=0 und Z2=0.
EMI0003.0046
Führt man hierin die oben bezeichneten Grö ssen !c und d ein,
so erhält man
EMI0003.0047
Das Verhältnis zwischen Ruhestrom J und Betätigungsstrom J'i wird also umso grösser, je grösser die Kopplung k zwischen Primärkreis und Sekundärkreis und je kleiner die Dämpfung des Primär- und Sekundär kreises ist. Es hat also keinen Sinn, die Kopplung zu vergrössern, wenn gleichzeitig die Dämpfung steigt oder umgekehrt die Dämpfung herabzusetzen, wenn damit die Kopplung geringer wird. Der Ausdruck
EMI0003.0050
muss grösser oder mindestens gleich 1 sein, wenn man eine genügende Betriebssicherheit erreichen will.
Die Primärdämpfung di kann dabei allerdings gerade mit Rücksicht auf die Betriebssicherheit nicht beliebig klein gemacht werden, da. sonst, wie später noch näher auseinandergesetzt wird, die Schärfe der Resonanz zu gross wird und dadurch eine neue Gefährdung der Sicherheit auftritt.
Das Einflussverhältnis Ji <I>:</I> Ji' wird umso günstiger, je fester die Kopplung wird. In dem Ausdruck
EMI0003.0055
darf die Kopplung 7c ein gewisses Mass nicht unterschreiten, da sonst die Dämpfungen di und d2 zu klein werden müssten, um der Bedingung
EMI0003.0058
zu genügen.<I>7c</I> soll daher auf alle Fälle grösser als 0,05 sein.
Für die Kopplung ist einmal der Abstand der Pole der beiden Eisenkerne massgebend. Dieser Abstand ist als gegeben zu betrachten. Er kann aus Sicherheitsrücksichten nicht be liebig verkleinert werden und wird praktisch in der Grössenordnung von etwa 15 cm ge halten. Damit nun beim Vorüberfahren des Fahrmagnetes am Gleismagnet ein genügen der Teil der Kraftlinien des Primärmagnetes die Sekundärspule durchsetzt, ist es nötig, was bei den bisherigen Ausführungen nicht beachtet worden ist, dass der kürzeste Ab stand a der Pole des Fahrmagnetes bezw. des Gleismagnetes nicht kleiner ist als der dop pelte Abstand 8 zwischen Fahrmagnet und Gleismagnet,
da sonst die überwiegende Zahl der Kraftlinien sich auf dem kürzeren direk ten Luftweg von Pol zu Pol eines Eisen kernes schliessen würden, ohne durch den andern Eisenkern zu laufen.
Wie oben gezeigt, wird die Rückwirkung des Sekundärkreises umso stärker, je kleiner die Dämpfung des Primär- und Sekundär kreises ist. Durch andere Bedingungen sind jedoch hierfür gewisse Beschränkungen ge geben. Sehr kleine Dämpfung in einem auf Resonanz abgestimmten Kreis bedeutet sehr scharfe Resonanzkurve. Dies ist jedoch für einen in verhältnismässig rauhem Betrieb ver wendeten Apparat unerwünscht, da jede ge ringe Veränderung der Bestimmungsgrössen des Resonanzkreises, Selbstinduktion, Kapazität oder Frequenz bereits einen merklichen Ab fall des Stromes hervorrufen würde, so dass durch derartige Störungen der Betrieb ge fährdet wäre.
In der Praxis des Eisenbahn betriebes kommt nun als Antriebsenergie quelle für die zur Speisung der Beeinflus sungseinrichtung dienende Wechselstrom dynamo aus Gründen der Einfachheit und Billigkeit die vorhandene Energiequelle für den Bahnbetrieb in Frage, also beispielsweise bei Dampflokomotiven eine Speisung der Antriebsmaschine für die Wechselstrom dynamo aus dem Dampfkessel durch Ver wendung einer kleinen Antriebsdampfturbine. Da es nun -das Wesen des Bahnbetriebes mit sich bringt, dass die verwendeten Betriebs energiequellen, d. h.
im erwähnten Beispiele der Dampfdruck des Dampfkessels, verhält nismässig starken Schwankungen und Be lastungsänderungen ausgesetzt sind, so muss man eine gewisse Drehzahlschwankung der erregenden Wechselstrommaschine, praktisch von -E- 2%, zulassen. Dann geht zum Bei- spiel bei einer Dämpfung von 0,
12 der Strom bereits auf 70 % des normalen Ruhestromes zurück. Mehr Abfall würde schon schädlich für die Sicherheit des Arbeitens der Apparatur sein.
Die Primärdämpfung soll daher im Leerlauf mindestens so gross sein, dass bei den Grenzen der möglichen Frequenzschwankung kein grösserer Abfall des Stromes als etwa 30 % eintritt; die Primärdämpfung soll zur Er zielung eben dieses Zweckes nicht kleiner als etwa 0,10 sein. Um eine geringe Primär dämpfung verwenden zu können, ist es zweck mässig, die Wechselstrommaschine mit einem Drehzahlregler zu versehen.
Wird der Sekundärkreis an den Primär kreis gekoppelt, so wird dadurch die Primär dämpfung dl erhöht auf
EMI0004.0037
d. h. sie wird bei einer bestimmten Kopplung umsomehr erhöht, je kleiner d2 ist. Das Be einflussungsverhältnis des Primärstromes ist dann
EMI0004.0040
d. h. wenn
EMI0004.0041
gerade gleich 1, so wird J' : J = 1 : 2 und umso günstiger, je grösser
EMI0004.0042
Dies gilt aber nur für den Resonanzpunkt. Weicht die Frequenz des erregenden Wechselstromes etwas von der genauen Abstimmungsfrequenz ab, so steigt unter Umständen der Primär strom an. Diese Verhältnisse sind an sich aus der Theorie gekoppelter Schwingungs kreise bekannt.
Die graphische Darstellung der Primärstromstärke als Funktion der Ver stimmung x gibt bekanntlich die Resonanz kurve. Diese hat für einen einzelnen Kreis die Form der ausgezogenen Kurve der beigefügten Fig. 2. Wird ein zweiter abgestimmter Kreis an gekoppelt, so verändert sich die Resonanzkurve des Primärkreises je nach der Grösse von Kopplung und Dämpfung. Bei einigermassen fester Kopplung entsteht am Abstimmungs punkt x = o eine Einsattelung, während bei einer Verstimmung von<I>x =</I> -i- k12 ein Strom maximum entsteht, wie in Fig. 2 durch die gestrichelte Kurve dargestellt.
Die Resonanz stromstärke an diesen Punkten ist ungefähr
EMI0005.0004
kommt also bei sehr kleiner Sekundärdämpfung der Leerlaufstromstärke J sehr nahe. lacht man d2 sehr klein, um einen möglichst tiefen Sattel bei x = o zu erreichen, so muss k/2 grösser sein als die zulässige Verstimmung, oder I, selbst grösser als das doppelte der grössten zulässigen pro zentualen Frequenzschwankung, mit der man im Betriebe rechnen muss, so dass auch an den Grenzen des Frequerrzschwarrkurigsge- bietes (in Fig. 2 schraffiert)
der Strom im Primärkreis noch so klein ist; dass die Be tätigung sichergestellt ist.
Dieser Weg - kleine Sekundärdämpfung - hat ehre gewisse Gefahr, dass durch irgend einen Zufall beim Vorüberfahren des Zuges die Drehzahl der Wechselstrommaschine ge rade um k/2 von der normalen abweicht, so dass der Primärstrom sich zu wenig ändert, um das Relais zu betätigen. Wem) ein solcher Fall auch nur äusserst geringe Wahrschein lichkeit für sich hat, so kann man diese Gefahr doch vermeiden, indem man die Sekundärdämpfung so gross macht, dass auch auf diesen beiden Resonanzpunkten der Strom höchstens halb so gross als im Leerlauf ist, so dass sicher noch eine Betätigung eintritt, d. 1r. indem man die Sekundärdämpfung min destens gleich der Primärdämpfung macht.
Die Verwendung geringer Dämpfung ver langt, dass die Abstimmung möglichst kon stant bleibt. In der Praxis ist nun der Sekun därkreis auf der Strecke irgendwie mit dem Fahrtsignal in Verbindung gebracht und wird mit der Stellung dieses letzteren so geschaltet, dass beispielsweise bei offenem Signal die Sekundärwicklung kurzgeschlossen ist und daher keine Beeinflussung des Primärkreises eintritt, während bei offenem Signal dieser Kurzschluss aufgehoben, d. h. die Wicklung über den Kondensator geschlossen und ab gestimmt ist, so dass eine Beeinflussung im beschriebenen Sinne stattfindet;
mit andern Worten, die Wirksamkeit der Übertragungs einrichtung ist in Abhängigkeit gebracht von der Stellung des Fahrtsignals, was ja auch dem wesentlichen Zweck der ganzen Einrichtung entspricht. Gewöhnlich ist daher an die Enden der sekundären Beeinflussungs wicklung eine längere Leitung angeschlossen, die zum Fahrtsignal hinführt und an deren Enden beispielsweise ein Kurzschlussschalter liegt. Da diese Leitung, welche unter Um ständen mehrere Kilometer. lang sein kann, eine nicht unbeträchtliche Eigenkapazität be sitzt, so rnüsste diese Leitungskapazität in die Abstimmung des Sekundärkreises mit einbezogen werden.
Dies ist jedoch einmal für die fabrikmässige Herstellung der Geräte unbequem, da jedesmal an Ort und Stelle die Abstimmung, und zwar jedesmal in anderer Weise vorgenommen werden müsste. Über dies hinaus ändert sich auch unter Umständen die Leitungskapazität in Ab hängigkeit von Witterungseinflüssen, so dass auch während des eigentlichen Betriebes Ver änderungen, die zu Verstimmungen des Sekun därkreises und damit Verringerung der Be triebssicherheit Anlass geben, auftreten können.
Diese Nachteile können dadurch aufgehoben werden, dass entweder die Abstimmkapazität des Gleismagnetes gross gegenüber der Lei tungskapazität gewählt wird, so dass das Anschliessen der Leitung oder Veränderung der Leitungskapazität keine merkliche Ver stimmung des Sekundärkreises ergibt, oder dadurch, dass die Leitungskapazität durch in die Leitung eingeschaltete Spulen in an sich bekannter Weise für die erregende Frequenz kompensiert wird.
Ein weiteres Mittel, den Einfluss der Leitung auf die Abstimmung des Sekundärkreises auszuschalten, besteht darin, die Leitung vom Fahrsignal nach dem Be- einflussungsmägneten nicht an dessen Wick lung unmittelbar anzuschliessen, sondern sie zur Betätigung eines am Gleismagneten ein gebauten Relais zu benutzen, welches seiner seits die Kurzschliessung der Gleiswicklung übernimmt. Diese beiden letzten Mittel haben den weiteren Vorteil; dass im Falle offener Fahrt ein wirklich vollkommener Kurzschluss des Gleismagnetes zustande kommt; ohne dass die Leitung als kapazitive Belastung auftritt.