CH658837A5 - Circuit arrangement for driving a current load in a failsafe fashion in terms of signalling technology - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur signal- auf Fehler überprüft und damit signaltechnische Sicherheit ertechnisch sicheren Ansteuerung eines Stromverbrauchers. reicht.

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Die Ausführung des elektronischen Wechselrichters ist Gegenstand des Anspruchs 4, während die Ansprüche 5 und 6 verschiedene Ansteuerungsarten des elektronischen Wechselrichters betreffen. Hierbei eignet sich die in Anspruch 5 beschriebene Ansteuerungsart vor allem für die Verwendung zusammen mit Wechselrichtern mit Löschkondensatoren, während die in Anspruch 6 beschriebene Ansteuerungsart vorteilhaft bei Wechselrichtern mit Löschthyristoren angewandt werden kann.

Bei Wechselrichtern mit Löschthyristoren lassen sich Signale ohne Sicherheitsverantwortung, z.B. Steuerimpulse für die Löschthyristoren, über Oder-Glieder eingeben, was zur Erhöhung der Betriebszuverlässigkeit beiträgt.

Ausgestaltungen der erfindungsgemässen Schaltungsanordnung, die in den Ansprüchen 8 und 9 beschrieben sind, betreffen die Sperr- und Unterbrechungsmittel, die im Fehlerfalle Betrieb oder Betätigung der zu steuernden Stromverbrauchers unterbinden. Damit kann die Schaltungsanordnung der jeweils zu steuernden Last angepasst werden. Anspruch 10 betrifft die Verarbeitung von Rückmeldesignalen der zu steuernden Stellglieder.

Anhand dreier Schaltbilder sollen nun Ausführungsbeispiele der Schaltungsanordnung nach der Erfindung eingehend beschrieben und ihre Wirkungsweise erklärt werden.

Fig. 1 zeigt das Prinzip der Schaltungsanordnung;

Fig. 2 zeigt die Ansteuerung eines einphasigen Wechselrichters mit Löschthyristoren;

Fig. 3 zeigt eine Schaltungsanordnung zur Steuerung eines Weichenantriebes.

In Fig. 1 sind dargestellt zwei Stromverbraucher, ein Asynchronmotor 7 in Dreieckschaltung und eine Lichtquelle 8 einer Signallaterne. Diese Stromverbraucher sind zu einer Stellgliedeinheit 1 zusammengefasst und werden über eine gemeinsame Datenleitung 10 angesteuert. Die elektrische Leitung wird dabei einem dreiphasigen Versorgungsnetz 13 entnommen.

Die Stellgliedeinheit enthält einen Gleichrichter 2, der auf zwei Ausgangsleitungen 11,12 zwei zueinander entgegengesetzt gepolte Gleichspannungen gegenüber einem gemeinsamen Erdpotential (z. B. Schienenpotential) zur Verfügung stellt. Der so geschaffene Gleichstrom-Zwischenkreis speist über Sicherungselemente 14,15 bzw. 16,17 zwei steuerbare Wechselrichter 3,4, welche die beiden Stromverbraucher mit Wechselstrom versorgen. Hierbei ist der Wechselrichter 3 dreiphasig ausgeführt und versorgt direkt den Asynchronmotor 7, der beispielsweise ein Weichenantriebsmotor sein kann. Der Wechselrichter 4 ist einphasig und gibt seinen Wechselstrom über einen Transformator 9 an die Lichtquelle 8 ab. Es können j e nach Auslegung des Gleichrichters auch mehr als zwei Stromverbraucher an einen Gleichstromkreis angeschlossen sein. Die Ansteuerung der Wechselrichter geschieht durch redundant ausgebildete Steuerschaltungen 5,6, welche über die Datenleitung 10 in Form von Datentelegrammen eintreffende Stellbefehle in Steuerimpulse zur Durchschaltung bzw. Löschung der in den Wechselrichtern enthaltenen Halbleiterschalter (Thyristoren oder Transistoren) umsetzen. Die signaltechnische Sicherheit, vor allem hinsichtlich Fehlern der in den Wechselrichtern enthaltenen Halbleiterbauelemente, wird, wie noch gezeigt werden soll, durch die Sicherungselemente , bei ohmscher Last durch zusätzlich eingefügte Sperrmittel (z. B. Transformator 9), welche einen Gleichstrom-fluss durch den Stromverbraucher unterbinden, gewährleistet.

Die Ansteuerung eines Wechselrichters für einen einphasigen Stromverbraucher zeigt Fig. 2. Der Wechselrichter 4 enthält als Halbleiterschalter zwei Hauptthyristoren 18, welche den Wechselspannungsausgang 22 über Kommutierungsdrosseln 20 und Sicherungen 16,17 abwechselnd mit dem positiven Ausgang 11 und dem negativen Ausgang 12 des in Fig. 2 nicht dargestellten Gleichstrom-Zwischenkreises verbinden. Die Durchschaltung der Hauptthyristoren erfolgt über Und-Glieder 24 durch Steuerimpulse, welche von zwei Mikrorechnern 25,26 gleichzeitig auf die Eingänge der einzelnen Und-Glieder ausgegeben werden.

Werden, wie in Fig. 2 dargestellt, Thyristoren verwendet, so muss zumindest bei jedem Phasenwechsel der zuvor stromführende Thyristor gelöscht werden. Dies geschieht in der in Fig. 2 dargestellten Schaltung mittels eines Kommutierungskondensa-5 tors 21 und zwei Löschthyristoren 19. Hierbei werden die Löschthyristoren über Oder-Glieder 23 ebenfalls von den Mikrorechnern angesteuert. Oder-Glieder können hier verwendet werden, da das Ausbleiben der Löschung - im Gegensatz zu einem fälschlichen Durchschalten der Hauptthyristoren - nicht zu 10 einem sicherheitsgefährdenden Zustand führen kann. Es kann allenfalls zu einem Kurzschluss kommen, der die Sicherungen 16 und 17 auslöst und mit Sicherheit erkannt wird. Die Verwendung der Oder-Glieder hat andererseits den Vorteil, dass ein Defekt, der einen mit dem betreffenden Oder-Glied verbundenen Aus-!5 gang eines Mikrorechners ausser Funktion setzt, noch nicht zu einem Ausfall der gesamten Ansteuerung führt, da der zweite Mikrorechner noch Steuerimpulse für die Löschthyristoren ausgibt.

Die Mikrorechner 25,26 erhalten ihren Arbeitstakt von 20 einem Taktgeber 27 über einen Taktimpulseingang 30. Steuerbefehle erhalten sie über eine gemeinsame Datenleitung 29. Die Sicherheit der Verarbeitung der Steuerbefehle wird durch einen Ergebnisvergleich erreicht, der nach gegenseitigem Datenaus-25 tausch über eine Datenverbindung 28 in beiden Rechnern unabhängig durchgeführt wird und zu einer Einstellung der Steuerimpulsausgabe führt, falls ein Verarbeitungsfehler festgestellt wird.

Die Mikrorechner können auch zusätzlich dazu benützt werden, Statusmeldungen des Stellgliedes in Datentelegramme 30 umzusetzen und über die Datenleitung 29 oder eine andere, nicht dargestellte Datenleitung an eine zentrale Überwachungsstelle, z. B. ein Stellwerk, zu übermitteln.

In der Schaltung nach Fig. 2, die beispielsweise eine Signallaterne mit Strom versorgen soll, ist neben durch Halbleiterausfälle 35 bedingten Fehlern, die zum Ausbleiben der Wechselspannung oder zum Auslösen der Sicherungen führen und keinen sicherheitsgefährdenden Zustand herbeiführen können, auch ein Fehler möglich, der zur Ausgabe von Gleichstrom über den Ausgang 22 führt. Da eine Signallaterne auch mit Gleichstrom betrieben 40 werden kann, ist es in diesem Falle notwendige. B. durch Vorschalten eines Transformators (wie in Fig. 1), einen Gleich-stromfluss durch den Stromverbraucher zu verhindern.

Die Ansteuerung von Signallaternen mit der erfindungsgemässen Schaltungsanordnung macht es möglich, zur Anpassung « der Helligkeit der Signallaterne an die Umgebungshelligkeit die Spannung zu regeln. Dies kann dann entweder über besondere Datentelegramme, die eine andere Steuerimpulsfolge vorgeben, oder automatisch, mittels einer nicht dargestellten, mit den Mikrorechnern verbundenen Sensorschaltung erfolgen. Eine so besondere Tag/Nacht-Umschaltung kann dann entfallen.

In Fig. 3 ist eine Schaltungsanordnung nach der Erfindung für einen Asynchronmotor 38 in Dreieckschaltung dargestellt. Dieser kann z. B. in einem Weichenantrieb 37 eingesetzt sein. Die zum Betrieb notwendige Leistung wird hier einem Gleichstrom-55 Zwischenkreis entnommen, der durch einen Gleichrichter 35 versorgt und mittels einer Sicherung 36 gegen Überstrom abgesichert ist. Die Steuerbefehle werden wie bei dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel über eine Datenleitung 33 in Form von Datentelegrammen auf zwei Mikrorechner 31,32 60 gegeben, die alle Datentelegramme parallel verarbeiten und nach Datenaustausch und Ergebnisvergleich (über die Datenverbindung 34) die entsprechenden Steuerimpulsfolgen direkt auf die Steuerelektroden von sechs Hauptthyristoren 39 ausgeben. Da die Schaltung nach Fig. 3 keine Löschthyristoren enthält, 65 kann sie nicht zur Spannungsregelung verwendet werden. Es lässt sich jedoch die Frequenz der Ausgangsspannung in weiten Grenzen variieren. Dies ermöglicht ein langsames Anfahren des Asynchronmotors in Dreieckschaltung, so dass eine Stern-Drei

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eck-Umschaltung zur Erhöhung des Anfahrdrehmomentes entfallen kann.

Die Kommutierung erfolgt hier über Kommutierungskondensatoren 41, wobei die Funktion des Löschthyristors von demjenigen Hauptthyristor mit wahrgenommen wird, der gerade zur Stromdurchschaltung an der Reihe ist. Dioden 40 dienen der Entkopplung der einzelnen Thyristorventile und dem Schutz der Thyristoren durch in der Motorwicklung induzierte Spannungsspitzen.

Es lässt sich anhand der Figur leicht erkennen, dass j eder Halbleiterausfall bereits nach kurzer Zeit zu einem Kurzschluss und damit zum Ansprechen der Sicherung führen muss. Lässt sich ein Thyristor z.B. nicht mehr löschen, so tritt ein Kurzschluss auf, sobald nach Durchsteuern des mit Gegenspannung verbundenen Thyristors Gegenspannung an den entsprechenden Anschluss des Asynchronmotors gelegt wird. Lässt sich ein Thyristor nicht mehr durchschalten, so wird der zuvor leitend gewesene Thyristor nicht gelöscht, und es kommt aus diesem 5 Grunde zu einem Kurzschluss. Ein Kurzschluss entsteht auch in jedem Fall, wo einer der Thyristoren, ohne einen Steuerimpuls erhalten zu haben, ausserhalb des vorgesehenen Zeitintervalls durchschaltet.

Auch bei dieser Schaltung lassen sich Statusmeldungen, z. B. 10 die Weichenlage, über die Mikrorechner und die Datenleitung 33 mit signaltechnischer Sicherheit an das zugehörige Stellwerk übermitteln, sofern entsprechende Vorkehrungen (Anschluss der Prüfkontakte an die Mikrorechner, entsprechend ausgelegte Software) getroffen werden.

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3 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

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   PATENTANSPRÜCHE Solche Schaltungen werden vor allem in Eisenbahnsignalan-

   1. Schaltungsanordnung zur signaltechnisch sicheren lagen, aber auch in anderen technischen Einrichtungen, wo es auf Ansteuerung eines Stromverbrauchers, insbesondere für Eisen- grösstmögliche Sicherheit des Betriebes ankommt, benötigt. Sie bahnsignaleinrichtungen, dadurch gekennzeichnet, dass ein über unterscheiden sich von gewöhnlichen Schaltungen dadurch, dass eine redundant ausgebildete Steuerschaltung (5,6) ansteuerba- 5 sie zwei wichtige F orderungen erfüllen: Eine Störung, z. B. ein rer elektronsicher Wechselrichter (3,4) vorgesehen ist, über den Bauelementeausfall, darf niemals zu einem sicherheitsgefähr-der Stromverbraucher (7,8) die zum Betrieb notwendige Lei- denden Schaltzustand führen. Jede Störung muss unmittelbar stung aus einem Gleichstromkreis (11,12) bezieht und dass dem nach ihrem Eintritt erkannt werden. Bisher bekannte sichere Stromverbraucher Sperrmittel (9) oder Unterbrechungsmittel Ansteuerschaltungen wie solche für elektrisch betriebene Wei-(14,15,16,17,36) vorgeschaltet sind, die, je nach Art der vom 10 chen oder Signale verwenden sogenannte Signalrelais, d.h. Stromverbraucher gebildeten Last, einen Gleichstromfluss durch Relais, deren Kontakte rückgeprüft werden und die nur unter den Stromverbraucher verhindern oder bei auftretendem Über- Energiezufuhr geschaltet werden können. Diese Signalrelais sind ström für eine Unterbrechung der Leistungszufuhr sorgen. innerhalb eines Stellwerks vor Witterungseinflüssen geschützt
2. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn- untergebracht und schalten von dort aus den Betriebsstrom des zeichnet, dass die redunant ausgebildete Steuerschaltung (5,6) 15 jeweiligen Stromverbrauchers. Aufgrund des Spannungsabfalles zwei Mikrorechner (25,26 oder 31,32) enthält, welche Steuersi- in der Kabelzuleitung ist dabei die Stellentfernung begrenzt, und gnale mit Sicherheitsverantwortung zur Ansteuerung des elek- die Kosten für die niederohmige Kabelzuleitung sind hoch. Eine tronischen Wechselrichters (3,4,42) parallel erarbeiten, mitein- Unterbringung der Signalrelais in der Nähe der Stellglieder, z.B. ander vergleichen und nur bei Übereinstimmung an den elektro- an einer Weiche, würde zwar eine Ansteuerung über Signaladern nischen Wechselrichter weitergeben. 20 geringen Querschnitts und damit eine Herabsetzung der Kosten
3. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekenn- für die Zuleitung ermöglichen, wäre aber wegen der dort sehr zeichnet, dass die Mikrorechner der redundant ausgebildeten harten Umweltbedingungen (aggressive Dämpfe, Betauung, Steuerschaltung einen gemeinsamen seriellen Eingang (10,29) grosse Temperaturschwankungen) problematisch. Ein Einsatz zum Empfang von Datentelegrammen und einen Datenkanal von Halbleiterbauelementen anstelle der Signalrelais wurde bis-(28,34) zum Austausch ihrer Ergebnisse zum Vergleich auf- her vermieden, da bei diesen Bauelementen kein sicherer weisen. Zustand bekannt ist. Ein Transistor oder Thyristor kann im
4. 4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, Fehlerfall entweder elektrisch undurchlässig werden oder aber dadurch gekennzeichnet, dass der elektronische Wechselrichter einen Kurzschluss bilden. Auch ein plötzliches Leitendwerden (3,4,42) zur Steuerung seines Ausgangsstromes steuerbare ohne Ansteuerung ist nicht auszuschliessen.

   Halbleiter wie Thyristoren (18,19,39) oder Transistoren auf- 30 Die Erfindung ermöglicht eine solche signaltchnisch sichere weist. Ansteuerung von Stromverbrauchern ohne Relais mit einer rein
5. 5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekenn- elektronischen Schaltungsanordnung. Sie ist im kennzeichnenzeichnet, dass die Ansteuerung des elektronischen Wechselrich- den Teil des Anspruchs 1 beschrieben.

   ters (42) durch die Mikrorechner direkt über die Steuerelektro- Die in der erfindungsgemässen Schaltungsanordnung Verden der steuerbaren Halbleiter (39) erfolgt. wendeten steuerbaren Wechselrichter sind dabei für sich
6. 6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekenn- bekannt. Sie werden u. a. zur Regelung von Asynchronmotoren zeichnet, dass die Ansteuerung des elektronischen Wechselrich- verwendet (siehe hierzu W. Leonhard, «Regelungin der elektri-ters (4) durch die Mikrorechner über Und-Glieder (24) erfolgt, sehen Antriebstechnik», Seite 154-157, Teubner-Verlag, Stutt-derenEingänge jeweils mit Ausgängen beider Mikrorechner (25, gart).

   26) und deren Ausgänge mit den Steuerelektroden der steuerba- 40 Die erfindungsgemässe Schaltungsanordnung lässt sich ohne ren Halbleiter (18) verbunden sind. besondere Zusatzmassnahmen in der Nähe der Stellglieder
7. 7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekenn- unterbringen, da die verwendeten Bauelemente, insbesondere zeichnet, dass die Mikrorechner Steuersignale ohne Sicherheits- wenn sie in Kunststoff eingegossen werden, weitgehend unemp-verantwortung über Oder-Glieder (23) an den elektronischen . findlich gegen schädliche Umwelteinflüsse sind. Neben den Wechselrichter (4) geben, deren Eingänge jeweils mit Ausgän- 43 Vorteilen, die eine indirekte Steuerung der Stellglieder mit sich gen beider Mikrorechner und deren Ausgänge mit Steuerelektro- bringt, werden noch weitere Vorteile durch die Verwendung des den steuerbarer Halbleiter (19) verbunden sind. steuerbaren Wechselrichters erzielt, die mit Relais entweder
8. 8. Schaltungsanordnung nach einem der vorstehenden überhaupt nicht oder nur mit zusätzlichem Aufwand erreicht Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Ansteuerung werden können. So kann jetzt z. B. anstelle einer Tag/Nachteines Stromverbrauchers (8), der eine im wesentlichen ohmsche 50 Helligkeitsumschaltung von Signallaternen eine Spannungsrege-Last darstellt, ein Transformator (9) zwischen steuerbaren lung vorgenmommen werden, die zeitabhängig oder abhängig Wechselrichter (4) und Stromverbraucher (8) geschaltet ist. von der Umgebungshelligkeit erfolgt. Weichenantriebsmotoren
9. 9. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, können mit niedriger Frequenz in Dreieckschaltung angelassen dadurch gekennzeichnet, dass bei Ansteuerung eines Stromver- werden, die bisher übliche Stern-Dreieck-Umschaltung kann brauchers (7), der eine im wesentlichen induktive Last darstellt, 55 entfallen.

   eine Sicherung (14,15) oder ein Überstromschutzschalter im Besonders vielseitig kann die Schaltungsanordnung nach der

   Gleichstromkreis liegt. Erfindung eingesetzt werden, wenn die redundant ausgebildete
10. 10. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 9, Steuerschaltung, wie in Anspruch 2 angegeben, zwei Mikrorech-dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrorechner zusätzliche Ein- ner enthält, welche alle Steuersignale parallel erarbeiten und gänge für Statusmeldungen der zu steuernden Stromverbraucher 60 miteinander vergleichen. Es ist dann möglich, mehrere Stellglie-besitzen und in der Lage sind, diese Statusmeldungen in Datente- der gemäss Anspruch 3 über einen gemeinsamen Datenkanal legramme umzusetzen und über eine Datenleitung an eine anzusteuern. Sämtliche Stellglieder einer Strecke lassen sich zentrale Steuerstelle auszugeben. dann mit einer einzigen Datenleitung und unter Versorgungsleitung betreiben. Durch Vergleich der erarbeiteten Steuersignale,

    65 der nach gegenseitigem Datenaustausch in beiden Mikrorechnern durchgeführt wird, wird dabei das Verarbeitungsergebnis