Ausführung

DIE MEGAPOINT-EINHEITEN 750 VDC FÜR EISENBAHNWEICHEN 12, 50 UND 80A GESICHTSPUNKTE ZUR AUSFÜHRUNG

Erwärmung von Schienen durch Stromversorgung (DC) mittels Leitungsschiene

Allgemeine Gesichtspunkte

Heizelemente für Schienen bestehen normalerweise aus Heizkabeln oder Heizbändern, die an die Schienen festgeklemmt werden. Es gibt verschiedene Methoden für eine gesteuerte Stromversorgung durch Leitungsschienen, wenn es darum geht, eine Schienensektion oder die Schienen einer Weiche zu erwärmen. Es gibt zwei Grundtypen: die Elemente können eine Nennspannung haben, die dem Spannungsunterschied zwischen Leitungsschiene und Gleisen entspricht, oder sie können auch eine andere Spannung haben.

Niedrigsspannungselemente

Wenn die Elemente für eine andere Spannung konstruiert wurden als die zwischen Leitungsschiene und Gleisen, so muß ein Typ von Umformer mit Schalter direkt von den Schienen betrieben werden. Es mag schon sein, daß Niedrigspannungselemente billiger sind als solche für die Spannung zwischen Leitungsschiene und Gleisen, aber ein Umformer, der jederzeit zuverlässig ist und keine Stromstörungen auf das Schienensystem überführt, wird teuer.

Elemente für Nennspannung Leitungsschiene – Gleise

Im Grunde wird lediglich ein Schalter benötigt, der von einem Temperatursensor an der erwärmten Schiene gesteuert wird. Wie immer ist es nicht ganz so einfach; aber es ist viel einfacher als einen schaltenden DC/AC-Wechselrichter zu verwenden.

Die Wahl des Grundsystems:

Jede einigermaßen effektive Anordnung, die Gleichstrom mit der Spannung 750V in beispielsweise 110V umwandeln kann, muß einen raschen Schaltungsprozeß verwenden. Das selbstverständliche Arrangement verwendet einen Schalt-Transistor zum Einschalten eines Induktors zwischen Spannungszufuhr und Last, bis ein bestimmtes Stromniveau erreicht ist. Dann unterbricht der Schalter und eine sog. “flywheel”-Diode läßt den Induktor weiter Strom in die Last pressen, bis deren Magnetfeld zusammenbricht. Nach einer gewissen Verzögerung beginnt der Prozeß von neuem. Die Ausgangsspannung (und damit die Wärmezufuhr) wird durch die Steuerung der Verzögerung variiert.

Wie auch immer das Arrangement sein mag, so ist die Schaltanordnung von der Spannungszufuhr lediglich durch die Filterung abgeschieden, die zur Regelung des unerwünschten Energieflusses in beiden Richtungen erforderlich ist. Abhängig vom Typ des Umformers muß der Schalter für mindestens den doppelten Nutzstrom dimensioniert sein oder für eine Zufuhr mit mindestens doppelt so hoher Spannung wie sie im denkbar schlimmsten Fall möglich wäre. Wenn man andererseits Elemente verwendet, deren Nennspannung dem Spannungsunterschied zwischen Leitungsschiene und Gleisen entspricht, so kann die Schaltanordnung durch das Heizelement selbst von der Spannungszufuhr getrennt sein. Eine solche Anordnung begrenzt nicht nur den möglichen Stoßstrom in den Schalter, sie ist ein Teil des Systems zur Unterdrückung von unerwünschter Energie in beiden Richtungen. Die Anordnung muß für den denkbar schlimmsten Fall von Nutzstrom und Zuleitungsspannung dimensioniert werden.

Die Unterdrückung von unerwünschter Energie ist viel einfacher. Der Schaltungsverlauf wird eher in Sekunden als Mikrosekunden gemessen. Deshalb muß viel weniger Energie absorbiert werden, und dies kann leicht ohne Störung der Systemfunktion geschehen, Da Elemente mit einer Nennspannung entsprechend dem Spannungsunterschied zwischen Leitungsschiene und Gleisen leicht zugänglich sind – so muß die Wahl des Grundsystems auf den gewöhnlichen einfachen Schalt-Transistor fallen.

Stromrichter.

Da Elemente mit einer Nennspannung entsprechend dem Spannungsunterschied zwischen Leitungsschiene und Gleisen leicht zugänglich sind, wird man das System mit einem temperaturgesteuerten Schalter zum schnellen Ein- und Ausschalten wählen.

Die Geschichte zeigt, daß viele verschiedene Anordnungen zum Umrichten von Gleichstrom eingesetzt worden sind. Heutzutage ist die realistische Wahl einer Anordnung zum Umrichten an sich entweder ein IGBT (Isolated Gate Bipolar Transistor) oder ein Kontaktor.

mp-dcs1

mp-dcs2

Flüchtig besehen ist ein Kontaktor einfacher anzuwenden. Er braucht weniger Schutz vor ankommenden Störungen und Strom-/Spannungsstößen. Aber eine hohe Kopplungsfrequenz mit Gleichstromunterbrechung von 50A (beachten Sie, daß es keinen Nulldurchgang zum Auslöschen des Lichtbogens gibt) und eine Spannungszufuhr bis zu 1kV deuten ein ernstes Problem betreffs Lebensdauer an – oder aber große Ausgaben.

Ein IGBT mit passender Kapazität hat keine Schwierigkeiten mit einer hohen Kupplungsfrequenz. Er muß nur richtig betrieben und vor ankommenden Störungen geschützt werden.

In der Praxis sind die Anordnungen, die gebraucht werden, um einem Kontaktor eine angemessene Lebensdauer zu geben, denjenigen zum Schutz von einem IGBT sehr ähnlich. Die Anordnungen, die man braucht, um Störungen an den Gleisen zu unterbinden, sind wahrscheinlich auch sehr ähnlich; doch muß man damit rechnen, daß die Lichtbogen des Kontaktors sich verschlimmern, je mehr seine Kontakte verbrannt und verformt werden.

Eine weitere Überlegung ist, daß die Elektronik für Temperaturmessung und Schaltsteuerung mit Strom versorgt werden muß. Dieser Strom mit niedriger Spannung hat eine etwas ermüdende Seite. Zum Beispiel kann man eine Stromversorgung von 30mA und 24V dadurch erhalten, daß man eine 24V-Zenerdiode und ein Widerstandsgerät von 22 Kilo-ohm verwendet. Das Problem mit dem Widerstandsgerät ist, daß es für einen kontinuierlichen Leistungsverlust von 37W spezifiziert werden muß.

In der Praxis wird ein gewisser Strom für Hilfseinrichtungen wie beispielsweise Anrufe benötigt. Deshalb steht Strom für Steuerausrüstungen hoch im Kurs. IGBT-Steuerkreise verbrauchen im Durchschnitt fast keinen Strom. Spezifikationen für Relais, die es vermögen, 50A von einer Spannungszufuhr von bis zu 1kV DC wiederholt zu schalten, stehen nicht zur Verfugung – aber der Solenoid wird bestimmt sehr viel Strom verbrauchen.

Der Schlußsatz ist ganz klar. Unter der selbstverständlichen Voraussetzung, daß ankommende Geräusche unter Kontrolle gehalten werden können, ist die einzig vernünftige Wahl ein IGBT.