DE2616794C2

DE2616794C2 - Schaltungsanordnung zur Verhinderung von Störungen an einer elektronischen Gleitschutzvorrichtung von Fahrzeugen

Info

Publication number: DE2616794C2
Application number: DE19762616794
Authority: DE
Inventors: Artur Dipl.-Ing. 8034 Germering Hamacher
Original assignee: Knorr Bremse AG
Current assignee: Knorr Bremse AG
Priority date: 1976-04-15
Filing date: 1976-04-15
Publication date: 1985-03-21
Also published as: ES457853A1; DE2616794A1; FR2348080A1; FR2348080B1

Description

'ß Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

f| Eine derartige Schaltungsanordnung ist aus der DE-AS 15 16 622 bekannt Dort wird zwischen einem Lade-

§ 20 gleichrichter ζώα Aufladen einer Batterie und dem Meßgenerator ein Transformator zwischengeschaltet, der §| somit Batterie üüd Meßgenerator galvanisch trennt Diese Funktion des Transformators ist dort jedoch von

|i untergeordneter Bedeutung, da zwischen dem Meßgenerator und der Batterie ohne irgendeine galvanische

P Trennung ein Gleitschutzgerät geschaltet ist, das somit parallel zu dem Transformator und dem Ladegleichrich-

i^;; ter liegt Hieraus läßt sich schließen, daß der Transformator primär die Funktion einer Spannungsübersetzung

jM 25 durchführt

-■( Ähnlich ist es aus der DE-OS 23 48 747 bekannt bei einer Blockierschutzschaltung, bei der die Stromversorgung eines Zählers aus einer Batterie über einen zwischengeschalteten Zerhacker, einen Trenntransformator ί; und einen Gleichrichter erfolgt, durch den Trenntransformator eine galvanische Trennung von Batterie und

;S Zähler vorzunehmen. Obwohl dort nicht ausdrücklich beschrieben, läßt sich vermuten, daß das Problem der

' 30 ausreichend hohen Versorgungsspannung des Zählers durch den Transformator gelöst werden soll. Hierzu ist es ■ i zweckmäßig, die OSeichspannung der Batterie hoch zu transformieren, wofür ein an der Primärseite des Trenn-

!*· transformator vorgesehener Zerhacker und ein an der Sekundärscite des Trenntransformators vorgesehener

,-.·; Gleichrichter mit Stabilisierung sprechen.

% Aus der Siemens-Zeitschrift (197»), Heft 10, S. 744—747, ist ein potentialtrennender Analogwertgeber für

^!' 35 Strom und Spannung bekannt, der auch in Fahrzeugen eingesetzt werden kann. Dort ist zu entnehmen, daß eine 'i Potentialtrennung immer dann eine Grundforderung ist, wenn ein Lastkreis mit einem Starkstromnetz potential-

' mäßig verbunden ist und dieses Netz eine höhere Spannung hat als 65 V. Zusätzlich dient die dortige Potential-

;^: trennung auch der Fehlerunterdrückung. Wie das dortige Bild 1 auf Seite 745 zeigt, sind Eingangsseite (Spannungsteiler und Modulator) einerseits und Ausgangsseite einschließlich Stromversorgung andererseits vollstän- ; 40 dig voneinander galvanisch getrennt. Die Trennlinie geht sozusagen als Schnitt durch das gesamte Gerät.

Schließlich zeigt die DE-OS 23 33 907 einen ähnlichen Meßwertwandler wie die Siemens-Zeitschrift, wobei auch hier die Potentialtrennung als Schnittlinie durch den gesamten Meßwertwandler geht.

Generell werden elektronische Gleitschutzvorrichtungen neben anderen Verbrauchern aus einer Fahrzeug-Batterie versorgt die im Normalfall gegenüber der Fahrzeugmasse elektrisch isoliert ist. Zwischen Versorgungs-45 und Steuerleitungen der elektronischen Gleitschutzvorrichtung und der Fahrzeugmasse können im Ersatzschaltbild konzentrierte Störimpedanzen angenommen werden, die sich aus stetig verteilten Leitungsbelegen und Isolationswiderständen der entsprechenden Leitungen ergeben. Diese Impedanzen werden in der Regel aus einer Parallelschaltung von Isolationswiderständen und Koppelkapazitäten der entsprechenden Leitungen gebildet. Die Koppelkapazität wird ausschließlich von der Kabelausführung und -Verlegung im Fahrzeug bestimmt 50 und bleibt während der Betriebszeit des Fahrzeugs nahezu konstant.

Der Isolationswiderstand kann jedoch, wie die Praxis zeigt, durch Feuchtigkeitseinflüsse, Defekte an fremden Verbrauchern und mangelhafte Installation jeden beliebigen Wert zwischen Null und Unendlich annehmen und damit zu Funktionsstörungen oder zur Zerstörung des elektronischen Gleitschutzes führen.

Zur Beseitigung dieser Fehler kann man dem oben abgehandelten Stand der Technik entnehmen, eine

55 galvanische Trennung vorzusehen. Um ganz sicher zu gehen, hätte es nahegelegen, in Anlehnung an die Lehre der Siemens-Zeitschrift bzw. der DE-OS 23 33 907 die gesamte elektronische Gleitschutzvorrichtung gegenüber der Energieversorgung galvanisch zu trennen. Damit müßte die galvanische Trennung jedoch relativ große

Leistungen übertragen und wäre dementsprechend aufwendig und voluminös.

Die DE AS 15 13 622 und die DE-OS 23 48 747 zeigen dagegen den Weg, nur eine Baugruppe galvanisch 60 gegenüber dem übrigen Gerät zu trennen, wodurch jedoch keine sichere Störunterdrückung erreicht werden kann.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, die Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß mit geringem Aufwand für eine galvanische Trennung gleichwohl ein sicherer Schutz gegen Störungen erhalten wird.

t>5 Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Eine vorteilhafte Weiterbildung ist dem Patentanspruch 2 zu entnehmen. Kurz zusammengefaßt werden bei der Erfindung ganz bestimmte galvanische Trennungen vorgenommen: Zum einen ist die Auswerteelektronik über eine erste galvanische Trennung gegenüber dem Netzteil getrennt, zum anderen ist sie über eine zweite

galvanische Trennung gegenüber dem Endverstärker galvanisch getrennt. Ein und dieselbe Baueinheit ist somit in zwei Richtungen gegenüber bestimmten anderen Baugruppen getrennt, während für den Rest der Baugruppen keine galvanische Trennung erforderlich ist

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den Figuren ausführlicher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein Prinzipschaltbüd einer elektronischen Gleitschutzvorrichtung im Fahrzeug nach herkömmlicher Art.

F i g. 2 eine elektronische Gleitschutzvorrichtung mit galvanischer Trennung der Gesamteiektronik,

F i g. 3 eine oiektronische Gleitschutzvorrichtung mit galvanischer Trennung nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig.4 eine elektronische Gleitschutzvorrichtung mit galvanischer Trennung nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung.

In F i g. 1 ist ein Prinzipschaltbild einer elektronischen Gleitschutzvorrichtung im Fahrzeug nach herkömmlicher Art dargestellt. Die elektronische Gleitschutzvorrichtung 1 besteht aus einer Serienschaltung der Unterbaugruppen Gleichrichter 2, Generatoranpassung 3, Auswerteclektronik 4, Endverstärker 5 und Endstufentransisior 6. Die Auswerteelektronik 4 und ggf. der Endverstärker 5 wird über ein spannungsgeregeltes Netzteil 7 von einer Fahrzeugbatterie 10 mit Energie versorgt.

Ein Radgenerator 8, dessen Ausgangsspannung proportional der Drehzahl eines überwachten Rades ist, ist über Steuerleitungen 11 bzw. 12 mit dem Gleichrichter 2 verbunden.

Ein Magnetventil 9 ist über Leitungen 13 bzw. 14 mit einem Eingang des Netzteiles 7 bzw. dem ^rTidstufentransistor ο verbunden. Die Auswerieelekironik 4 ist über eine Leitung 17 und einen Schalter 19 und das Netzteil 7 über eine Leitung 15 mit einem Pol der Fahrzeugbatterie 10 verbunden. Die Unterbaugruppen sind weiterhin über eine Leitung 16 mit dem anderen Pol der Fahrzeugbatterie verbunden.

Die Leitungen 11 bis 17 sind nun über als konzentrierte Störimpedanzen Z1 bis Z 7 dargestellte Isolationswiderstände Ris und Koppelkapazitäten C_x an Impedanzbezugspunkten A bis G mit der Fahrzeugmasse 18 verbunden. In den Impedanzen Z 5 und Z 6 seien auch weitere an der Fahrzeugbatterie 10 angeschlossene Verbraucher (Spannungswandler, Thermofach etc.) mit einbezogen.

Bei elektrischen Triebzügen, Speisewagen mit Fahrdrahtbügel muß ein Rückstrom über die Fahrzeugmasse 18 angenommen werden, dessen Größe und Verteilung während der Fahrt auf Grund star« wechselnder Übergangswiderstände zwischen Rad und Schiene sehr großen Schwankungen unterworfen ist Dieser Rückstrom führt zu störenden Potentialdifferenzen zwischen den Impedanzbezugspunkten A bis G.

Kann bei allen Impedanzen Zl bis Z7 der Isolationswiderstand R₁₅ als Unendlich angenommen werden, so bleiben allein die Koppelkapazitäten C_x bestehen. Setzt man einen Mittelwert für verrohrte Kabel von 50 pF/m an. so können bei den vorliegenden Fahrzeuglängen die Koppclkapazitäten einen Maximalwert von 1 bis !,5 nF nicht übersteigen, so daß die Funktion des Gleitschutzes bei Störquellen mit einem Frequenzspektrum zwischen 0 und 1 kHz nicht spürbar gestört wird. Bei Störquellen mit einer Frequenz größer I kHz ergeben sich Störungen über eine Einkopplung über die Generatorleitungen, in der Auswerteelektronik, die durch Zwischenschalten eines Filters zwischen Generator 8 und Gleichrichter 2 behoben werden können.

Bei einem Masseschluß des Batteriepluspoles (Z5 = 0 bzw. Z3 = 0) tritt noch keine Störung auf, wenn die übrigen Isolationswiderstände hinreichend hochohmig bleiben. Bei einem zusätzlichen Masseschluß ergibt sich folgendes Störungsbild:

Masseschluß Folge des Masscschlusscs Bemerkung

Z6 = 0 Kurzschluß Batterie 10

Z 7 = 0 Magnetbremse dauernd erregt

Z4 = 0 — nicht kurzschlußfeste Endstufe wird zerstört

Z2 = 0 Spannungan Auswerteelektronik 4 f Gleitschutz für Uccncmor = t//Mraußer Funktion.

Zl=O Spannungan Auswerteelekironik 4 \ Bei intermittierendem Schluß löst Gleitschutz aus.

Da der Isolationswidcrstand beliebige Werte annehmen kann, ergeben sich entsprechende Zwischenstufen der Störbeeinflussung.

Bei einem Masseschluß des Battericminuspols(Z6 = 0) ergibt sich folgendes Fehlerbild:

MasscscliluU Folge des Masscschlusses Bemerkung

Z5 = 0 Kurzschluß Batterie 10

Z7 = 0 — Kurzschluß der Batterie beim Ansteuern ω

der Magnetbremse

Z4 = 0 Magnetventil 9 dauernd erregt

Z3 = 0 Kurzschluß Batterie 10

Z2 = 0 Diode in Gleichrichter 2 kurzgeschlossen Gleitschutzfunkiinn gestört

Zl=O Diode in Gleichrichter 2 kur/gcschlcsscr; Glcitschuizfunktion gestört t,5

Auch hier können sich beliebige Zwischenstufen ergeben.

Die obigen Betrachtungen lassen erkennen, daß Masscschlüssc· der Battcricanschlüssc (in Verteilerdosen.

durch defekte Zusatzverbrauchcr, wie Heizung, Thermofach) in manchen Fällen durch Rückströme über die Gleitschutzelektronik zur Zerstörung von Halbleiterbauelementen führen. Dies kann auch aus der Ausfallstatistik für elektronische Gleitschutzvorrichtungen entnommen werden.

In Fig.2 ist eine elektronische Gleitschutzvorrichtung mit galvanischer Trennung der Gcsamtelcktronik dargestellt.

Die Vorrichtung nach F i g. 2 stimmt in ihren Grundzügen mit der in F i g. 1 dargestellten überein. Jedoch ist hier die gesamte Elektronik einschließlich des Endverstärkers 5 und der Ansteuerung des Magnetventils 9 über eine galvanische Trennung von der Fahrzeugbatterie 10 abgetrennt. Die galvanische Trennung ist hierbei in dem Netzteil T ausgangsseitig durchgeführt. Hieraus ergibt sich, daß die Leitung 13 ebenfalls ausgangsscitig an dem

ίο Netzteil 7' angeschlossen ist. Eine solche galvanische Trennung wird in Wechselspannungsnetzen üblicherweise durch Trenntransformaloren erreicht. Masseschlüsse auf der Batlericseite (Z5 - 0 bzw. Z% - 0) und ein zusätzlicher Masseschluß in der Gleitschutzvcrdrahtung haben keinen Einfluß auf die Funktion der Gleitschutzvorrichtungen. Bei hinreichend kleiner Koppelkapazität des Energieübertragers entfallen auch hochfrequente Störungen, so daß auf ein Filter verzichtet werden kann. Für die galvanische Trennung der Stromversorgung kommen grundsätzlich nur Wandlernelzteile in Frage.

Da bei dieser Art der galvanischen Trennung die gesamte Energieversorgung über den Wandler erfolgt, muß insbesondere für den Endverstärker und die Ansteuerung des Magnetventils 9 eine große Leistung bereitgestellt werden. Hierdurch bedingt muß vor allem der Übertrager entsprechend groß dimensioniert sein, was wirtschaftlich nicht vertretbar ist.

Μ In F i g. 3 ist eine elektronische Gleitschutzvorrichtung mit galvanischer Trennung nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Der grundsätzliche Aufbau dieser Gleitschutzvorrichtung stimmt mit denen der F i g. 1 und 2 überein. Unterschiedlich hierzu ist jedoch, daß das Netzteil 7" über eine erste galvanische Trennung 20 mit der Auswerteelektronik 4 und die Auswertceiektronik 4 über eine zweite galvanische Trennung (2t) mit dem Endverstärker 5" verbunden ist.

Nach einer vorteilhaften Variante besteht die erste galvanische Trennung 20 aus einem Spannungswandler mit Übertrager. Nach einer weiteren vorteilhaften Variante besteht die zweite galvanische Trennung 21 aus einem Optokoppler, einem Übertrager oder einem Reed-Relais.

Die geregelte Ausgangsspannung des Netztciles 7 wird also galvanisch getrennt der Auswertceiektronik 4 zugeführt, und das Ausgangssignal der Auswerteelektronik wird galvanisch getrennt dem Endverstärker S" zugeführt. Das Magnetventil 9 und der Endstufentransistor 6 sind also galvanisch mit der Fahrzeugbatterie 10 verbunden. Die galvanische Trennung 20 kann mit einem kleinen Übertrager aufgebaut werden, da nur noch die geringe für die Auswerteelektronik erforderliche Leistung übertragen werden muß. Sie beträgt ca. I Watt.

Die galvanische Trennung 21 kann ebenfalls für eine geringe Leistung dimensioniert werden, da hier nur Steuerimpulse geringer Leistung übertragen werden müssen. Dies kann z. B. auch über ein Reed-Relais mit kleinen An-/Abfallzeiten erreicht werden. Für Z 5 — 0 ergibt sich folgendes Fehlerbild:

MassescniuS roigcdcs rviasscscniusscs Bemerkung Z6 - 0 Kurzschluß Batterie 10 Z4 = 0 — nicht kurzschlußfeste Endstufe wird zerstört

Z6 = 0 Z2 = 0 Zl =0

Für Z6 = 0 ergibt sich folgendes Fehlerbild: Masseschluß Folge des Masseschlusses Bemerkung Z5 = 0 KMrzschluß Batterie 10 Z4 = 0 Magnetventil 9 dauernd erregt Gleitschutz mit Sicherheitskarte schaltet ab Z3 = 0 Kurzschluß der Batterie

Z2 = 0 ZI = 0

Störungen durch höherfrequente Störqueilen treten auch ohne Filter nicht mehr auf.

In Fig.4 ist eine elektronische Gleitschutzvorrichtung mit galvanischer Trennung nach einem weiteren Ausführungsbeispie! der Erfindung gezeigt

ω Der grundsätzliche Aufbau der Gleitschutzvorrichtung entspricht den oben beschriebenen Figuren. Im Unterschied hierzu ist jedoch der Gleichrichter 2 von der Generatoranpassung 3 durch eine dritte galvanische Trennung 22 getrennt. Funktionsstörungen für Zl = 0 bzw. Z2 = 0 als auch Fehler durch hochfrequente Störquellen können auch ohne Filter nicht mehr auftreten. Obwohl für den elektronischen Gleitschutz ein Wechselspannungsgenerator verwendet wird, ist eine einfache galvanische Trennung mit einem Übertrager

ohne starke Verfälschung der Generalorkennlinie auf der galvanisch getrennten Seite problematisch, da Übertrager mit stark linearer Kennlinie nur mit großem Aufwand zu verwirklichen sind. Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird deshalb eine galvanische Trennung mit einem Chopperverstärker vorgeschlagen. Die Leistung, die bei dieser Schaltungsanordnung übertragen werden muß, ist ebenfalls sehr klein, so daß

auch kleine Ferritübertrager verwendet werden können. Es versteht sich, daß die dritte galvanische Trennung nicht zur zwischen den Gleichrichter 2 und die Generatoranpassung 3 geschaltet werden kann, sondern ebenso zwischen den Generator 8 und den Gleichrichter als auch zwischen die Generatoranpassung 3' und die Auswerteclektronik4.

Es sei darauf hingewiesen, dal} auch bei einer vollen galvanischen Trennung bei zwei oder mehr Masseschlüs- 5 sen innerhalb des getrennten Systems Funktionsstörungen der Gleitschutzclektronik auftreten können. Selbst wenn für die Verdrahtung der Gleitschutzvorrichtung die gleiche Ausfallrate angesetzt wird wie für die restliche Insolation, so dürfte doch wegen der großen Anzahl von zusätzlichen Verbrauchern und elektrischen Ausrüstungen ein MasseschluB mit hinreichend kleiner Impedanz zwischen Fahrzeugmasse und den Batterieklemmen am häufigsten auftreten. io

Das Grundprinzip der Erfindung liegt also darin, den Rückstromkreis zur Batterie in der Elektronik an einer oder mehreren Stellen zu unterbrechen. Einer vollständigen galvanischen Trennung der Gesamtelektronik bedarf es also nach der Erfindung nicht.

Abschließend sei noch bemerkt, daß für die galvanische Trennung allgemein bekannte Spannungswandler (auch mit Chopperverstärker), Optokoppler oder Reed-Relais, die für die jeweils benötigte (geringe) Leistung 15 ausgelegt sind, verwendet werden können.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schaltungsanordnung zur Verhinderung von Störungen an einer elektronischen Gleitschutzvorrichtung von Fahneugen, insbesondere Schienenfahrzeugen, verursacht durch Störimpedanzen zwischen Versor-

5 gungs- und/oder Steuerleitungen Jer elektronischen Gleitschutzvorrichtung bzw. fremden, an eine Fahrzeugbatterie angeschlossenen Verbrauchern und einer Fahrzeugmasse, wobei die elektronische Gleitschutzvorrichtung wenigstens die Funktionseinheiten Gleichrichter, Auswerteelektronik, spannungsgeregeltes Netzteil und Endverstärker enthält, dadurch gekennzeichnet, daß das Netzteil (7, T₁ 7") Ober eine erste galvanische Trennung (20) mit der Auswerteeiektronik (4) und die Auswerteelektronik (4) über el;e

ίο zweite galvanische Trennung (21) mit dem Endverstärker (5") verbunden ist

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 mit einer Generatoranpassung als zusätzliche Funktionseinheit, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichrichter (2) über eine dritte galvanische Trennung (22) mit der Generatoranpassung verbunden ist