AT513095B1 - Elektrisch angetriebenes Schienenfahrzeug - Google Patents

Abstract

Elektrisch angetriebenes Schienenfahrzeug (1), umfassend mindestens einen, im Fahrwerkbereich angeordneten Stromabnehmer (2,3,4,5) und eine elektrische Leitung (9,10) zwischen dem Stromabnehmer (2,3,4,5) und einem Anschlußkasten (11), wobei im Verlauf der elektrischen Leitung (9,10) jeweils eine Strommeßeinrichtung (6,7) angeordnet ist, welche den in der Leitung (6,7) fließenden Strom (i1,i2) bestimmt und ein der Stromstärke (i1,i2) entsprechendes Signal an eine Auswerteeinrichtung (8) übermittelt.

Description

Beschreibung

ELEKTRISCH ANGETRIEBENES SCHIENENFAHRZEUG TECHNISCHES GEBIET

[0001] Die Erfindung betrifft ein elektrisch angetriebenes Schienenfahrzeug.

STAND DER TECHNIK

[0002] Nahverkehrsschienenfahrzeuge, insbesondere U-Bahnen beziehen elektrische Energie sehr häufig über in Fahrgestellnähe angeordnete Stromabnehmer, welche mittels gefederter Gleitstücke die Energie von neben den Gleisen angeordneten Stromschienen („3. Schiene") abnehmen. Bei diesen Schienenfahrzeugen mit Stromabnehmern im Fahrgestellbereich sind sehr häufig mehrere dieser Stromabnehmer vorgesehen, da einerseits die elektrische Leistung dadurch verteilt wird und die einzelnen Stromabnehmer jeweils eine geringere Leistung übertragen müssen, andererseits ist es wegen der im Allgemeinen unterbrechungsbehafteten Stromschiene erforderlich mehrere Stromaufnahmestellen vorzusehen um diese Lücken überbrücken zu können, sodass ein Fahrzeug auf der gesamten Strecke elektrisch versorgt wird. Dadurch kann ein Fahrzeug auch weiterbetrieben werden, wenn ein Stromabnehmer fehlt (beispielsweise abgebrochen oder anderwärtig beschädigt ist). Dabei wird die elektrische Energie über die verbleibenden Stromabnehmer zugeführt. Dieser Betriebszustand ist für die elektrischen Einrichtungen, insbesondere die Leitungen von den Stromabnehmern zu der Sammelschiene nachteilig, da sie einer dauerhaft erhöhten Belastung ausgesetzt sind. Dem Fahrpersonal ist dieser Betriebszustand nicht ohne Weiteres ersichtlich, da sich die Fahreigenschaften dadurch nicht ändern und es derzeit keine Warneinrichtungen für diesen Mangel gibt.

[0003] Eine weitere Problematik, welche insbesondere bei U-Bahnen besteht darin, das U-Bahnnetze üblicherweise mit Gleichstrom betrieben werden. Dieser Gleichstrom wird mittels elektronischer Gleichrichter aus dem allgemeinen Energieversorgungsnetz erzeugt, wobei diese Gleichrichter im Allgemeinen nicht rückspeisefähig sind. Werden auf einer solchen U-Bahnstrecke moderne, rückspeisefähige Fahrzeuge betrieben, so kann dann nur ein Vorteil bezogen werden wenn gleichzeitig Verbraucher aktiv sind, die die rückgespeiste Energie verbrauchen können. Überschüssige, durch Bremsvorgänge erzeugte elektrische Energie muß im Fall, das sie nicht von einem im selben Moment beschleunigenden Fahrzeug benötigt wird, in Bremswiderständen in Wärme umgewandelt werden. Diese Ineffizienz führt zu weiteren Nachteilen wie der übermäßigen Erhitzung der Tunnel und einem erhöhten Kühlungsbedarf für den Passagierraum, bzw. die Stationen. Teilweise gelingt es diese Nachteile zu reduzieren, wobei eine Gesamtsteuerung des Fährbetriebs darauf Rücksicht nehmen kann. Beispielsweise kann dabei ein Anfahren eines Fahrzeugs verzögert werden bis ein anderes Fahrzeug bremst um solcherart den Gesamtenergiebedarf zu reduzieren. Allerdings ist es nicht möglich, genaue Leistungswerte einzelner Fahrzeuge im Fährbetrieb zu erheben, allenfalls können die Antriebsstromrichter ihren aktuellen Leistungswert an eine Fahrzeugsteuerung melden. Dies ist für eine Optimierung des gesamten Fährbetriebs allerdings nicht ausreichend.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

[0004] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein elektrisch angetriebenes Schienenfahrzeug anzugeben, dessen gesamter Energieverbrauch bzw. Energieerzeugung im Fährbetrieb bestimmbar ist und welches eine Stromabnehmerausfallwarnung bietet.

[0005] Die Aufgabe wird durch ein elektrisch angetriebenes Schienenfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand untergeordneter Ansprüche.

[0006] Dem Grundgedanken der Erfindung nach wird ein elektrisch angetriebenes Schienenfahrzeug beschrieben, welches mindestens einen, im Fahrwerksbereich angeordneten Strom abnehmer und eine elektrische Leitung zwischen dem Stromabnehmer und einem Anschlusskasten umfasst, wobei im Verlauf der elektrischen Leitung eine Strommesseinrichtung angeordnet ist, welche den in der Leitung fließenden Strom bestimmt und ein der Stromstärke entsprechendes Signal an eine Auswerteeinrichtung übermittelt.

[0007] Dadurch ist der Vorteil erzielbar, die aktuelle Strom, und damit die Leistungsaufnahme bzw. Leistungsabgabe eines Schienenfahrzeugs während dessen Betriebs kontinuierlich bestimmen zu können. Dabei ist insbesondere vorteilhaft, dass die elektrische Leistung durch Messung an der, bzw. den Einspeisestellen erfolgt wodurch eine wesentlich höhere Erfassungsgenauigkeit erzielbar ist als über die üblicherweise vorhandene Strommessung an dem Antriebsstromrichter. Durch die Erfassung an der Einspeisestelle kann auch die Leistungsaufnahme der Nebenantriebe (z.B. Klima- oder Pressluftkompressoren) und der Fahrzeugsbeleuchtung erfasst werden.

[0008] Erfindungsgemäß ist eine Strommesseinrichtung in die elektrische Leitung zwischen einem Stromabnehmer und einem Anschlusskasten (bzw. Anschlusspunkt) angeordnet, welche den in dieser Leitung fließenden Strom detektiert. Dazu können einerseits gebräuchliche, für Schienenfahrzeuge geeignete Stromwandler eingesetzt werden, andererseits sind für gleichspannungsbetriebene Bahnen (z.B. U-Bahnen) Gleichspannungswandler erforderlich. Es ist wesentlich, diese Strommesseinrichtung an dieser Position vorzusehen, um die gesamte Energieaufnahme, bzw. Energieabgabe dieses Schienenfahrzeugs bestimmen zu können. Solcherart ist sichergestellt, dass weitere elektrische Verbraucher an Bord des Schienenfahrzeugs in die Messung einbezogen werden.

[0009] Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, jedem Stromabnehmer jeweils eine Strommesseinrichtung zuzuordnen, welche den durch den jeweiligen Stromabnehmer fließenden Strom bestimmt.

[0010] Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, jeweils fahrzeuglängsseitig gegenüberliegende Stromabnehmer mit einer gemeinsamen Leitung auszustatten und den in dieser gemeinsamen Leitung fließenden Strom mit einer Strommesseinrichtung zu bestimmen. Dadurch ist der Vorteil erzielbar, eine Einsparung an Bauteilen realisieren zu können. Dies ist insbesondere bei der Anordnung von Stromabnehmern an Drehgestellen vorteilhaft, da solcherart nur eine flexible Leitungsverbindung zwischen dem beweglichen Drehgestell und dem am Wagenkasten fest montierten Teil der elektrischen Leitung erforderlich ist.

[0011] Die von der, bzw. den Strommesseinrichtungen erfassten elektrischen Ströme werden an eine Auswerteeinrichtung geleitet, wobei ein der erfassten Stromstärke proportionales Signal an diese Auswerteeinrichtung übermittelt wird. Die dabei im Allgemeinen erforderliche Potentialtrennung und ausreichende Isolierung ist durch die Auslegung der bahngeeigneten Strommesseinrichtung (Stromwandler) gewährleistet.

[0012] Die Auswerteeinrichtung bestimmt aus den an sie übermittelten Strommesswerten sowie dem aktuellen Spannungswert der Bahnenergieversorgung die momentane elektrische Leistungsaufnahme des Schienenfahrzeugs bzw. die elektrische rückgespeiste Bremsenergie des Fahrzeugs.

[0013] In weiterer Fortbildung der Erfindung ist eine Fahrzeugssteuerung vorgesehen, welche übergeordnete Steuerungsaufgaben vornimmt. Diese Fahrzeugssteuerung ist in ein Betriebssteuersystem eingebunden, welches den gesamten Bahnbetrieb steuert und welches von den einzelnen Fahrzeugen die aktuellen Positionen, Fahrzustände (Geschwindigkeit, Beschleunigung, Beladung, etc.), Energieaufnahme bzw. Energieabgabe als Eingangsgrößen zur energieoptimalen Steuerung des Fährbetriebes unter Einhaltung des Fahrplans vornimmt.

[0014] Beispielsweise kann ein Abfahren eines Zuges aus einer Haltestelle für kurze Zeit verzögert werden, wenn ein anderes Fahrzeug sich kurz vor der Einfahrt in eine Haltestelle befindet, sodass die elektrische Bremsenergie des anhaltenden Fahrzeugs zur Beschleunigung des anfahrenden Fahrzeugs eingesetzt werden kann.

[0015] Dadurch ist eine wesentliche Reduktion der Spitzenenergieaufnahme des gesamten Bahnnetzes erzielbar, wodurch die entsprechenden elektrischen Versorgungseinrichtungen (Transformatoren, Gleichrichter) kleiner und somit kostengünstiger dimensioniert werden können.

[0016] Eine weitere vorteilhafte Eigenschaft der Erfindung liegt in der einfachen Erkennbarkeit von Stromabnehmerausfällen. Der gesamte Energiebedarf eines Schienenfahrzeugs kann auch bei Beschädigung (Bruch) eines Stromabnehmers von dem, bzw. den verbleibenden Stromabnehmer übertragen werden. Dabei tritt jedoch eine größere Erwärmung dieses Stromabnehmers und der elektrischen Leitung auf, was die Lebensdauer dieser Bauteile reduziert. Deshalb ist eine Erkennung des Ausfalls eines Stromabnehmers wesentlich. Ebenso kann das fehlerhaft, bzw. ungewollt durchgeführte Absenken (Trennen von der Stromschiene) eines Stromabnehmers zu einer Überlastung der verbleibenden Stromabnehmer führen. Gemäß dem Stand der Technik können zur Erkennung dieses Betriebszustandes Endschalter an den Stromabnehmern vorgesehen werden, welche die Position eines Stromabnehmers (In Kontakt oder abgesenkt) erfassen. Solche Endschalter sind jedoch den Umgebungsbedingungen ausgesetzt und bedürfen bestimmter Wartungen.

[0017] Erfindungsgemäß ist ein elektrisch angetriebenes Schienenfahrzeug mit einer Stromabnehmerausfallserkennung ausgestattet, welche ohne bewegliche, wartungsintensive und dem Verschleiß unterworfene Bauteile einen Ausfall eines Stromabnehmers erkennen kann. Dazu ist die Auswerteeinrichtung mit einer Vergleichereinrichtung ausgestattet, welche die in den einzelnen Leitungen zu den Stromabnehmern fließenden Ströme vergleicht. Tritt dabei ein Unterschied auf, welcher über einen bestimmten (längeren) Zeitraum besteht, und wobei der Strom zu einem bestimmten Stromabnehmer den Wert Null annimmt, so detektiert die Auswerteeinrichtung den Ausfall dieses Stromabnehmers.

[0018] Dieser bestimmte, längere Zeitraum (typischerweise einige Sekunden) ist wesentlich um Fehlausgaben zu vermeiden, da an Übergangsstellen der Stromschiene kurzzeitige Unterbrechungen der Stromzufuhr auftreten und dieser Umstand nicht zu einer falschen Alarmierung führen soll.

[0019] Es ist besonders empfehlenswert, einen erkannten Stromabnehmerausfall der Fahrzeugsteuerung zu melden, da diese dadurch bestimmte Betriebszustände, welche für die verbliebenen Stromabnehmer schädlich sein können vermeiden kann. Insbesondere sind dabei maximale Beschleunigungen eines vollbeladenen Schienenfahrzeugs zu vermeiden.

[0020] Mit dem Einsatz gegenständlicher Erfindung gelingt es einerseits den Ausfall eines (oder mehrerer) Stromabnehmer einfach und zuverlässig zu erkennen, sodass das Fahrzeug bis zu einem geeigneten Reparaturzeitpunkt im Einsatz verbleiben kann und doch keine elektrischen und thermischen Betriebsgrenzen überschritten werden.

[0021] Andererseits ermöglicht ein erfindungsgemäßes Schienenfahrzeug einen energieverbrauchsoptimierten Betrieb eines Bahnnetzes aufgrund der Bereitstellung von genauen Leistungswerten in Echtzeit.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

[0022] Es zeigen beispielhaft: [0023] Fig. 1 Elektrisch angetriebenes Schienenfahrzeug, Energieversorgung.

[0024] Fig.2 Bahnnetz, Leistungsaufnahme.

[0025] Fig.3 Stromabnehmerausfallserkennung mittels Strommessung.

AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG

[0026] Fig. 1 zeigt beispielhaft und schematisch ein Blockschaltbild der Energieversorgung eines elektrisch angetriebenen Schienenfahrzeugs. Ein Schienenfahrzeug 1 weist zwei Drehgestelle auf, wobei je Drehgestell beidseitig je ein Stromabnehmer 2,3,4,5 angeordnet ist. Die elektrischen Leitungen zu den Stromabnehmern des ersten Drehgestells 2,3 sind im Bereich des ersten Drehgestells untereinander verbunden und eine elektrische Leitung 9 führt von diesem Verbindungspunkt zu einem Anschlusskasten 11. Dieser Anschlusskasten 11 umfasst eine Sammelschiene, an welcher alle Stromzuführungen zusammengefasst sind und von welcher die Verbraucher versorgt werden. Die Leitungen zu den Stromabnehmern des zweiten Drehgestells 4,5 sind ebenfalls im Bereich des zweiten Drehgestells untereinander verbunden und eine elektrische Leitung 10 führt von diesem Verbindungspunkt zu dem Anschlusskasten 11.1m Verlauf der Leitungen 9,10 ist jeweils eine Strommesseinrichtung 6,7 angeordnet, welche den in den Leitungen 6,7 fließenden Strom ermittelt und ein diesem Strom proportionales Signal an eine Auswerteeinrichtung 8 übermittelt. Die Auswerteeinrichtung 8 steht mit einer Fahrzeugsteuerung 12 in Verbindung und übermittelt dieser die von den Strommesseinrichtungen 6,7 gemessenen Stromwerte, bzw. die entsprechenden elektrischen Leistungen.

[0027] Fig.2 zeigt beispielhaft und schematisch den Verlauf der Leistungsaufnahme eines Speiseabschnitts eines Bahnnetzes. Es ist der zeitliche Verlauf der elektrischen Leistung P über der Zeit t dargestellt. Ein erster Leistungsverlauf p1 stellt den Verlauf bei einem Betrieb von Schienenfahrzeugen gemäß dem Stand der Technik dar. Der Verlauf p1 zeigt hohe Verbrauchsspitzen, wie sie beispielsweise beim gleichzeitigen Anfahren mehrerer Fahrzeuge auf-treten. Ein zweiter Leistungsverlauf p2 zeigt eine optimierte Leitungsaufnahme durch den Einsatz von Schienenfahrzeugen gemäß gegenständlicher Erfindung. Aufgrund der dadurch erfolgenden Koordinierung zwischen den Beschleunigungs- und Bremsvorgängen aller in dem Speiseabschnitt befindlichen Fahrzeuge kann eine deutlich geringere Spitzenlast erzielt werden.

[0028] Fig.3 zeigt beispielhaft und schematisch eine Stromabnehmerausfallserkennung mittels Strommessung. Es ist der Verlauf der elektrischen Stromstärke I über der Zeit t dargestellt. Die elektrische Ausrüstung entspricht dem in Fig. 1 dargestellten Schienenfahrzeug 1. Die Gesamtstromstärke I entspricht der Summe der Ströme i1 und i2, wobei i1 der Strom in der Leitung zu einem ersten Drehgestell und i2 der Strom zu einem zweiten Drehgestell ist. Dabei sind zur Vereinfachung die Ströme i1 und i2 als jeweils gleich groß angenommen. In gezeigten beispielhaften Verlauf in dem betrachteten Zeitabschnitt verläuft die Stromaufnahme zuerst sinkend, darauffolgend konstant und darauf (aufgrund eines Bremsvorganges) konstant mit negativem Vorzeichen (in das Netz rückspeisend. Darauf folgt ein Zeitraum ohne Stromaufnahme (Aufenthalt in der Haltestelle). Während der darauffolgenden Beschleunigungsphase erfolgt zum Zeitpunkt ta ein Ausfall des Stromabnehmers des zweiten Drehgestells, sodass die Stromstärke i2 sofort auf den Wert Null absinkt und auf diesem Wert Null verbleibt. Im Zeitpunkt ta übernimmt folgedessen der Stromabnehmer des ersten Drehgestells die gesamte elektrische Leistung, wodurch sich der Strom i1 verdoppelt. Das Schienenfahrzeug 1 kann den darauffolgenden Fahrzyklus durchführen, allerdings mit starker Belastung des Stromabnehmers des ersten Drehgestells. Der plötzliche Abfall des Stroms des zweiten Drehgestells i2 auf den Wert Null und insbesondere der Verbleib auf diesem Wert Null dient der Detektion des Ausfalls dieses Stromabnehmers.

LISTE DER BEZEICHNUNGEN 1 Schienenfahrzeug 2 Stromabnehmer, erstes Drehgestell rechts 3 Stromabnehmer, erstes Drehgestell links 4 Stromabnehmer, zweites Drehgestell rechts 5 Stromabnehmer, zweites Drehgestell links 6 Strommeßeinrichtung, erstes Drehgestell 7 Strommeßeinrichtung, zweites Drehgestell 8 Auswerteeinrichtung 9 Elektrische Leitung, erstes Drehgestell 10 Elektrische Leitung, zweites Drehgestell 11 Anschlußkasten 12 Fahrzeugsteuerung P Elektrische Leistung t Zeit p1 Leistungsverlauf Speiseabschnitt p2 Leistungsverlauf Speiseabschnitt optimiert I Elektrische Stromstärke 11 Elektrische Stromstärke, erstes Drehgestell 12 Elektrische Stromstärke, zweites Drehgestell ta Ausfallzeitpunkt