DE102012209070A1

DE102012209070A1 - Verfahren zum Betreiben eines elektrischen Schienenfahrzeugs und elektrisches Schienenfahrzeug

Info

Publication number: DE102012209070A1
Application number: DE102012209070A
Authority: DE
Inventors: Oliver Reimann; Martin Neubauer; Andreas Schaefer-Enkeler
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2012-05-30
Filing date: 2012-05-30
Publication date: 2013-12-05
Also published as: WO2013178454A2; WO2013178454A3

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines an ein Gleichstromnetz angeschlossenen elektrischen Schienenfahrzeugs mit einer Netzdrossel, deren Wicklung mit ihrem Eingang an das Gleichstromnetz angeschlossen und mit ihrem Ausgang mit dem Bahnstromumrichter des Schienenfahrzeugs verbunden ist. Um das Verfahren besonders energie- und kosteneffizient durchführen zu können, wird in mindestens eine weitere Wicklung der Netzdrossel jeweils ein derartiger aktueller Kompensations-Gleichstrom aus einer schienenfahrzeugeigenen Energiequelle eingespeist, dass der Gleichanteil der jeweils aktuellen Durchflutung des Eisenkerns der Netzdrossel minimal wird. Die Erfindung betrifft auch ein an ein Gleichstromnetz angeschlossenes elektrisches Schienenfahrzeug.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines an ein Gleichstromnetz angeschlossenen elektrischen Schienenfahrzeugs mit einer Netzdrossel, deren Wicklung mit ihrem Eingang an das Gleichstromnetz angeschlossen und mit ihrem Ausgang mit dem Bahnstromumrichter des Schienenfahrzeugs verbunden ist.
An ein Gleichstromnetz beziehungsweise an ein Fahrleitungsnetz (wie das Gleichstromnetz auch bezeichnet wird) angeschlossene Schienenfahrzeuge benötigen zu einem einwandfreien Betrieb Netzfilter, die üblicherweise aus einem Kondensator und einer Netzdrossel mit einer von dem Gleichstrom durchflossenen Wicklung bestehen. Die Netzdrosseln weisen daher einen großen und damit schweren Eisenkern auf; das Gewicht wird noch dadurch erhöht, dass die Windungen der Wicklung wegen des großen Eisenkerns einen relativ großen Durchmesser aufweisen, was zu einer Wicklung mit insgesamt großer Drahtlänge und damit hohem Gewicht führt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben eines an ein Gleichstromnetz angeschlossenen elektrischen Schienenfahrzeugs anzugeben, mit dem sich das Betreiben eines solchen Schienenfahrzeugs besonders energie- und kosteneffizient durchführen lässt.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs angegebenen Art erfindungsgemäß in mindestens eine weitere Wicklung der Netzdrossel jeweils ein derartiger aktueller Kompensations-Gleichstrom aus einer gleichstromnetzfremden Energiequelle eingespeist, dass der Gleichanteil der jeweils aktuellen Durchflutung des Eisenkerns der Netzdrossel minimal wird.
Es ist zwar bereits beispielsweise aus der Internet-Veröffentlichung “http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Drossel_(Elektrote chnik)&printable=yes” eine Drossel mit einer Wicklung und einer Kompensationswicklung bekannt, bei der die beiden Wicklungen gegensinnig vom Arbeitsstrom durchflossen werden, jedoch bildet diese Drossel nur für Gleichtakt-Störungen eine hohe Induktivität und ist daher als Netzdrossel für ein an ein Gleichstromnetz angeschlossenes Schienenfahrzeug nicht geeignet; bei einem Schienenfahrzeug wird nämlich die Netzdrossel mit Gegentakt-Störungen beaufschlagt.
Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens wird darin gesehen, dass es einen energiesparsamen Betrieb eines an ein Gleichstromnetz angeschlossenen Schienenfahrzeugs ermöglicht, weil die verwendete Netzdrossel relativ leicht ist und daher zu einer Reduzierung des Gesamtgewichts des Schienenfahrzeugs beiträgt. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Netzdrossel hinsichtlich ihres Eisenkerns vergleichsweise klein ausgeführt werden kann. Durch den verringerten Eisenquerschnitt reduziert sich auch die Kupferlänge. Durch diese reduzierte Kupferlänge reduzieren sich die Verluste der Drossel stark. Außerdem lässt sich die Netzdrossel mit relativ geringem Aufwand herstellen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann der jeweils aktuelle Kompensations-Gleichstrom in unterschiedlicher Weise gebildet werden. Vorteilhaft erscheint es, wenn zum Einstellen des jeweils aktuellen Kompensations-Gleichstroms ein Strom-Regeldifferenzwert verwendet wird, der aus einem jeweils aktuellen Messwert des Kompensations-Gleichstromes und dem jeweils aktuellen Messwert des Stromes am Ausgang der einen Wicklung der Netzdrossel gebildet ist. In diesem Falle brauchen nämlich keine Messungen an der Netzdrossel selbst vorgenommen zu werden.
Andererseits kann es auch vorteilhaft sein, zum Einstellen des jeweils aktuellen Kompensations-Gleichstroms den jeweils gemessenen Wert der Durchflutung des Eisenkerns zu verwenden und den Kompensations-Gleichstrom jeweils so einzustellen, dass der gemessene Wert der Durchflutung des Eisenkerns minimal wird. Eine Messung des Stromes am Ausgang der einen Wicklung der Netzdrossel ist dann nicht mehr erforderlich.
Dabei kann es vorteilhaft sein, wenn der jeweils gemessene Wert der Durchflutung des Eisenkerns mittels eines magnetfeldempfindlichen Sensors ermittelt wird.
Als schienenfahrzeugeigene Energiequelle können verschiedene Energiequellen zum Einsatz kommen, sofern sie in ihren Eigenschaften einer idealen Gleichstromquelle möglichst weitgehend nahekommen. Schon aus wirtschaftlichen Gründen wird es als vorteilhaft erachtet, wenn als schienenfahrzeugeigene Energiequelle eine bordnetzeigene Stromquelle des elektrischen Schienenfahrzeugs verwendet wird, der ein aktiver Steller nachgeordnet ist.
Vorteilhaft ist es in diesem Zusammenhang, als aktiven Steller einen Vier-Quadranten-Steller zu verwenden.
Im Hinblick darauf, dass bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kurzzeitig hohe Kompensations-Gleichströme benötigt werden, ist es vorteilhaft, wenn zur Leistungsspeicherung ein zwischen der bordnetzeigenen Stromquelle und dem aktiven Steller angeordneter Energiespeicher verwendet wird.
Als Energiespeicher werden vorteilhafterweise Doppelschichtkondensatoren verwendet, wie sie beispielsweise in der Internet-Veröffentlichung http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Doppelschichtkonden sator&printable=yes beschrieben sind. Derartige Kondensatoren zeichnen sich durch sehr hohe Kapazitätswerte aus.
Um einen möglichst idealen Kompensations-Gleichstrom zu gewinnen, wird es ferner als vorteilhaft angesehen, wenn der Kompensations-Gleichstrom mittels eines der mindestens einen weiteren Wicklung der Netzdrossel vorgeschalteten Filters gefiltert wird.
Die Erfindung betrifft ferner ein an ein Gleichstromnetz angeschlossenes elektrisches Schienenfahrzeug mit einer Netzdrossel, deren Wicklung mit ihrem Eingang an das Gleichstromnetz angeschlossen ist und mit ihrem Ausgang mit dem Bahnstromumrichter des Schienenfahrzeugs verbunden ist. Bei einem solchen bekannten Schienenfahrzeug ist die Netzdrossel wegen ihres notwendigerweise großen Eisenkerns relativ schwer und großvolumig. Damit ist auch ein verhältnismäßig hoher Betriebsenergiebedarf des Schienenfahrzeugs verbunden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zurunde, ein Schienenfahrzeug der oben angegebenen Art so fortzuentwickeln, dass es ein relativ geringes Gewicht aufweist und energie- und kosteneffizient betreibbar ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe weist bei einem an einen Gleichstrom angeschlossenen Schienenfahrzeug erfindungsgemäß die Netzdrossel mindestens eine weitere Wicklung auf, die zur Versorgung mit einem Kompensations-Gleichstrom an einen Ausgang eines aktiven Stellers angeschlossen ist, der von einer schienenfahrzeugeigenen Energiequelle gespeist ist.
Ein solches Schienenfahrzeug hat sinngemäß dieselben Vorteile, wie sie oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren aufgeführt sind.
Auch bei der erfindungsgemäßen Anordnung kommt der Bildung des Kompensations-Gleichstroms eine besondere Bedeutung zu. So wird es als vorteilhaft erachtet, wenn der aktive Steller mit einem Stromversorgungseingang mit einer bordnetzeigenen Stromquelle des elektrischen Schienennetzes verbunden und an einem Steuereingang mit einem Stellwert beaufschlagt ist, der ein Maß für die jeweils aktuelle Durchflutung des Eisenkerns der Netzdrossel darstellt.
Vorteilhaft erscheint es ferner, dem Steuereingang des aktiven Stellers einen Differenzbildner vorzuordnen, dessen einer Eingang mit dem Kompensations-Gleichstrom und dessen anderer Eingang mit dem Strom am Ausgang der einen Wicklung der Netzdrossel beaufschlagt ist.
Vorteilhaft erscheint es auch, wenn dem Eisenkern der Netzdrossel ein magnetfeldempfindlicher Sensor zugeordnet ist, dessen Ausgang mit dem Steuereingang des aktiven Stellers verbunden ist. In diesem Falle ist die Schaltung am Steuereingang des aktiven Stellers relativ einfach ausführbar.
Zur Abdeckung von Spitzen im Kompensations-Gleichstrom ist es vorteilhaft, dass zur Leistungsspeicherung zwischen der bordnetzeigenen Stromquelle und dem aktiven Steller ein Energiespeicher angeordnet ist. Diese kann wegen der hohen Kapazitätswerte von Doppelschichtkondensatoren vorteilhafterweise aus solchen Kondensatoren aufgebaut sein.
Ferner ist es zur Erzielung eines nahezu idealen Kompensations-Gleichstroms vorteilhaft, wenn zwischen dem aktiven Steller und der weiteren Wicklung der Netzdrossel ein Filter angeordnet ist.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung ist in der Figur ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Schienenfahrzeugs mit seinen für die Erfindung relevanten Komponenten dargestellt.
Die Figur zeigt ein Gleichstromnetz 1, das einen Fahrdraht 2 aufweist sowie einen von einer Schiene 3 gebildeten Erdleiter, mit dem ein Schienenfahrzeug 4 über ein Rad 5 verbunden ist. Einem an dem Fahrdraht 2 anliegenden Pantographen 6 ist ein Hauptschalter 7 nachgeordnet, an den eine Wicklung 8 einer Netzdrossel 9 mit ihrem Eingang 10 angeschlossen ist. Ein Ausgang 11 der einen Wicklung 8 der Netzdrossel 9 ist mit einem Eingang 12 eines Differenzbildners 13 verbunden. Ein Ausgang 14 des Differenzbildners 13 ist über eine Anordnung 15 mit einem Vorladekreis und einem Netzschütz an eine Stromversorgungsleitung 16 angeschlossen.
An die Stromversorgungsleitung 16 ist mit einem Anschluss eine Kondensatoreinheit 17 angeschlossen, deren anderer Anschluss mit einer Leitung 18 verbunden ist, die zu dem Rad 5 führt und somit auf Erdpotential liegt. Zwischen den Leitungen 16 und 18 liegt außerdem ein üblicher Bahnstromumrichter 19, der einen nachgeordneten Antrieb 20 des Schienenfahrzeugs 4 mit elektrischer Antriebsenergie versorgt.
Wie der Figur ferner zu entnehmen ist, weist die Netzdrossel 9 eine weitere Wicklung 21 auf, die mit ihrem einen Ende 22 an einen Ausgang 23 eines Filters 24 angeschlossen ist; das andere Ende 25 der weiteren Wicklung 21 ist mit einem weiteren Eingang 26 des Differenzbildners 13 verbunden, der mit einem zusätzlichen Eingang 27 mit einem weiteren Ausgang 28 des Filters 24 verbunden ist.
Der Filter 24 erhält über seine Eingänge 29 und 30 Ausgangsströme eines aktiven Stellers 31, der hier schematisch in einer Ausführung als Vier-Quadranten-Steller dargestellt ist. Eingangsseitig weist der Vier-Quadranten-Steller 31 eine Steueranordnung 32 auf, die mit ihrem Eingang 33 mit einem Steuerausgang 34 des Differenzbildners 13 verbunden ist.
Ferner lässt die Figur erkennen, dass das Schienenfahrzeug 4 eine gleichstromnetzfremde Energiequelle 35 enthält, bei der es sich um das Bordnetz des Schienenfahrzeugs 4 handeln kann. Über Leitungen 36 und 37 ist an die gleichstromnetzfremde Energiequelle 35 eine Kondensatoranordnung 37 angeschlossen, die aus Doppelschichtkondensatoren aufgebaut ist. An die Kondensatoranordnung 37 ist über die Leitungen 36 und 37 mit seinen Stromversorgungseingängen 39 und 40 der Vier-Quadranten-Steller 31 angeschlossen.
Die in der Figur dargestellte Anordnung arbeitet in folgender Weise:
Ist der Hauptschalter 7 betätigt, dann wird die eine Wicklung 8 der Netzdrossel 9 von einem Gleichstrom I1 beaufschlagt. Um diesen Gleichstrom in seinen Oberschwingungen zu reduzieren, wird dieser über die Netzdrossel (9) geführt, um diesen zu glätten. Dadurch wird eine Störung des Bahnnetzes vermieden.
Die Netzdrossel 9 ist zusätzlich mit der weiteren Wicklung 21 versehen, die als Kompensationswicklung 2 dient und einen Kompensationsgleichstrom I2 von dem Vier-Quadranten-Steller 31 über den Filter 24 zugeführt bekommt; dieser Kompensationsgleichstrom I2 entspricht (ungefähr) hinsichtlich seiner Größe dem Gleichanteil im Strom I1 aus dem Gleichstromnetz 1 unter Berücksichtigung des Windungsverhältnisses. Dies ist dadurch erreicht, dass mittels des Differenzbildners 13 der Steueranordnung 32 des Vier-Quadranten-Stellers 31 ein Stellwert S zugeführt wird, der zu einer derartigen Ansteuerung des Vier-Quadranten-Stellers 31 führt, dass dieser einen Strom I2’ abgibt, der nach Filterung in dem Filter 24 zu dem Kompensations-Gleichstrom I2 führt.
Durch diesen Kompensations-Gleichstrom I2 wird erreicht, dass die Netzdrossel 9 bzw. ihr Eisenkern nur eine geringe Durchflutung erfährt und daher relativ klein ausgebildet sein kann, was sich vorteilhaft auf die Größe, das Gewicht und die erforderliche Länge der Drähte für die beiden Wicklungen 8 und 21 der Netzdrossel 9 auswirkt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Drossel_(Elektrote chnik)&printable=yes [0005]
http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Doppelschichtkonden sator&printable=yes [0013]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines an ein Gleichstromnetz (1) angeschlossenen elektrischen Schienenfahrzeugs (4) mit einer Netzdrossel (9), deren Wicklung (8) mit ihrem Eingang (10) an das Gleichstromnetz (1) angeschlossen und mit ihrem Ausgang (11) mit dem Bahnstromumrichter (19) des Schienenfahrzeugs (4) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens eine weitere Wicklung (21) der Netzdrossel (9) jeweils ein derartiger aktueller Kompensations-Gleichstrom (I2) aus einer schienenfahrzeugeigenen Energiequelle (35) eingespeist wird, dass der Gleichanteil der jeweils aktuellen Durchflutung des Eisenkerns der Netzdrossel (9) minimal wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Einstellen des jeweils aktuellen Kompensations-Gleichstroms (I2) ein Strom-Stellwert (S) verwendet wird, der aus einem jeweils aktuellen Messwert des Kompensations-Gleichstromes (I2) und dem jeweils aktuellen Messwert des Stromes am Ausgang (11) der einen Wicklung (8) der Netzdrossel (9) gebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Einstellen des jeweils aktuellen Kompensations-Gleichstroms (I2) der jeweils gemessene Wert der Durchflutung des Eisenkerns verwendet wird und der Kompensations-Gleichstrom (I2) jeweils so eingestellt wird, dass der gemessene Wert der Durchflutung des Eisenkerns minimal wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweils gemessene Wert der Durchflutung des Eisenkerns mittels eines magnetfeldempfindlichen Sensors ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompensations-Gleichstrom (I2) mittels einer bordnetzeigenen Stromquelle (35) des elektrischen Schienenfahrzeugs erzeugt wird, dem ein aktiver Steller (31) nachgeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass als aktiver Steller ein Vier-Quadranten-Steller (31) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Leistungsspeicherung eine zwischen der bordnetzeigenen Stromquelle (35) und dem aktiven Steller (31) angeordnete Kondensatoranordnung (38) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass für die Kondensatoranordnung (38) Doppelschichtkondensatoren verwendet werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompensations-Gleichstrom (I2) mittels eines der mindestens einen weiteren Wicklung (21) der Netzdrossel (9) vorgeschalteten Filters (24) gefiltert wird.
An ein Gleichstromnetz (4) angeschlossenes elektrisches Schienenfahrzeug mit einer Netzdrossel (9), deren Wicklung (8) mit ihrem Eingang (10) an das Gleichstromnetz (2) angeschlossen ist und mit ihrem Ausgang (11) mit dem Bahnstromumrichter (19) des Schienenfahrzeugs (4) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Netzdrossel (9) mindestens eine weitere Wicklung (21) aufweist, die zur Versorgung mit einem Kompensations-Gleichstrom an einen Ausgang(29, 30) eines aktiven Stellers (31) angeschlossen ist, der von einer schienenfahrzeugeigenen Energiequelle (35) gespeist ist.
Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der aktive Steller (31) mit einem Stromversorgungseingang (39, 40) mit einer bordnetzeigenen Stromquelle (35) des elektrischen Schienennetzes (4) verbunden und an einem Steuereingang (33) mit einem Stellwert (5) beaufschlagt ist, der ein Maß für die jeweils aktuelle Durchflutung des Eisenkerns der Netzdrossel (9) darstellt.
Elektrisches Schienenfahrzeug nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass dem Steuereingang (33) des aktiven Stellers (31) ein Differenzbildner (13) vorgeordnet ist, dessen einer Eingang (26, 27) mit dem Kompensations-Gleichstrom (I2) und dessen anderer Eingang (12, 14) mit dem Strom am Ausgang (11) der einen Wicklung (8) der Netzdrossel (9) beaufschlagt ist.
Elektrisches Schienenfahrzeug nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass dem Eisenkern der Netzdrossel ein magnetfeldempfindlicher Sensor zugeordnet ist, dessen Ausgang mit dem Steuereingang des aktiven Stellers verbunden ist.
Elektrisches Schienenfahrzeug nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zur Leistungsspeicherung zwischen der bordnetzeigenen Stromquelle (35) und dem aktiven Steller (31) eine Kondensatoranordnung (38) angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensatoranordnung (38) Doppelschichtkondensatoren enthält.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem aktiven Steller (31) und der mindestens einen weiteren Wicklung (21) der Netzdrossel (9) ein Filter (24) angeordnet ist.