DE102012210138A1

DE102012210138A1 - Energy supply system for supplying electrical consumers in rail vehicles

Info

Publication number: DE102012210138A1
Application number: DE102012210138A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Bolik; Martin Linnhöfer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2012-06-15
Filing date: 2012-06-15
Publication date: 2013-12-19
Also published as: WO2013186005A2; WO2013186005A3

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Energieversorgungssystem (1) zur Versorgung von elektrischen Verbrauchern (2) in Schienenfahrzeugen (100) mit elektrischer Energie. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Schienenfahrzeug (100) mit mindestens einem Energieversorgungssystem. Zur Versorgung von elektrischen Verbrauchern (2) in einem Schienenfahrzeug (100) wird ein Energieversorgungssystem (1) vorgeschlagen. Das Energieversorgungssystem (1) weist mindestens eine Zentraleinheit (3) und mindestens einen dezentralen Frequenzumrichter (4) auf. Die Zentraleinheit (3) weist wiederum mindestens einen Zentraleinheitseingang (5) zur Aufnahme von elektrischer Energie sowie mindestens einen Zentraleinheitsausgang (6) zum Übertragen der elektrischen Energie zu dem oder den dezentralen Frequenzumrichter(n) (4) auf. Die Übertragung geschieht mittels einer Wechselspannung, insbesondere einer dreiphasigen Wechselspannung. Der dezentrale Frequenzumrichter (4) weist mindestens einen Frequenzumrichtereingang (7) zur Aufnahme zumindest von Anteilen der von der Zentraleinheit (3) übertragenen Energie sowie mindestens einen Frequenzumrichterausgang (8) zur Abgabe der elektrischen Energie an mindestens einen elektrischen Verbraucher (2) auf.The invention relates to a power supply system (1) for supplying electrical consumers (2) in rail vehicles (100) with electrical energy. Furthermore, the invention relates to a rail vehicle (100) with at least one energy supply system. For supplying electrical consumers (2) in a rail vehicle (100), a power supply system (1) is proposed. The energy supply system (1) has at least one central unit (3) and at least one decentralized frequency converter (4). The central unit (3) in turn has at least one central unit input (5) for receiving electrical energy and at least one central unit output (6) for transmitting the electrical energy to the decentralized frequency converter (s) (4). The transmission takes place by means of an alternating voltage, in particular a three-phase alternating voltage. The decentralized frequency converter (4) has at least one frequency converter input (7) for receiving at least portions of the energy transmitted by the central unit (3) and at least one frequency converter output (8) for delivering the electrical energy to at least one electrical load (2).

Description

Die Erfindung betrifft ein Energieversorgungssystem zur Versorgung von elektrischen Verbrauchern in Schienenfahrzeugen mit elektrischer Energie. Die Erfindung betrifft weiter ein Schienenfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Energieversorgungssystem sowie ein Verfahren zur Versorgung von elektrischen Verbrauchern in einem Schienenfahrzeug mit elektrischer Energie. The invention relates to a power supply system for supplying electrical consumers in rail vehicles with electrical energy. The invention further relates to a rail vehicle with an energy supply system according to the invention and to a method for supplying electrical consumers in a rail vehicle with electrical energy.

Die Energieversorgung für elektrische Verbraucher in Schienenfahrzeugen wird häufig über einen oder mehrere Bordnetzumrichter sichergestellt. Je nach Anforderungen der elektrischen Verbraucher an die Energieversorgung unterscheidet man diese in ungeregelte elektrische Verbraucher und geregelte elektrische Verbraucher. Ungeregelte elektrische Verbraucher benötigen für die Energieversorgung eine festfrequente Wechselspannung mit konstanter Amplitude. Geregelte elektrische Verbraucher, wie beispielsweise Kompressoren oder Lüfter, benötigen eine variable Wechselspannung, die in Frequenz und/oder Amplitude variabel ist, um unter anderem hohe Anlaufströme zu vermeiden. The energy supply for electrical consumers in rail vehicles is often ensured via one or more auxiliary power converters. Depending on the requirements of the electrical consumers to the power supply, a distinction between these in unregulated electrical loads and regulated electrical loads. Unregulated electrical loads require a fixed-frequency alternating voltage with a constant amplitude for the power supply. Regulated electrical consumers, such as compressors or fans, require a variable AC voltage that is variable in frequency and / or amplitude, among other things, to avoid high starting currents.

Der Bordnetzumrichter wandelt in der Regel zunächst die Eingangsspannung in eine Gleichspannung um. Für den Fall, dass die Eingangsspannung bereits eine Gleichspannung ist, kann im ersten Schritt eine Anpassung der Spannungshöhe erfolgen. Aus dieser im sogenannten Zwischenkreis anliegenden Gleichspannung generiert der Bordnetzumrichter mit Hilfe eines Umrichters eine festfrequente Wechselspannung, mit der er ungeregelte elektrische Verbraucher speist sowie eine oder mehrere variable Wechselspannungen für die Speisung von geregelten elektrischen Verbrauchern. Bevorzugt werden die notwendigen Module für die oben beschriebenen Schritte in einer Einheit untergebracht. Die Energieübertragung zu den Verbrauchern geschieht über separate Verkabelungen für die unterschiedlichen Wechselspannungen. Aufgrund der teilweise vorhandenen räumlichen Entfernung wird oftmals für die Kommunikation zwischen Bordnetzumrichter und elektrischem Verbraucher auf eine zentrale Steuerungsstruktur mit Bussystemen zurückgegriffen, um einen zuverlässigen Datenaustausch zu gewährleisten. The auxiliary power converter usually first converts the input voltage into a DC voltage. In the event that the input voltage is already a DC voltage, the voltage level can be adjusted in the first step. From this DC voltage present in the so-called intermediate circuit, the on-board power converter generates, with the aid of an inverter, a fixed-frequency alternating voltage with which it feeds unregulated electrical consumers and one or more variable alternating voltages for the supply of regulated electrical consumers. Preferably, the necessary modules for the steps described above are housed in one unit. The energy transfer to the consumers takes place via separate cabling for the different AC voltages. Due to the partial spatial distance is often used for the communication between on-board converter and electrical consumer on a central control structure with bus systems to ensure reliable data exchange.

Zur Versorgung von Verbrauchern, insbesondere in Reisezugwagen wird häufig eine Zugsammelschiene verwendet. Dabei wird im Falle einer Gleichspannung am Fahrdraht diese an die Reisezugwagen verteilt. In Wechselspannungsnetzen wird zunächst die Amplitude reduziert bevor die einphasige Spannung an die Reisezugwagen weitergeführt wird. Entsprechend ihrer ursprünglichen Aufgabe wurde diese Zugsammelschiene auch als Heizleitung bezeichnet. Für die direkte Versorgung von elektrischen Verbrauchern kann diese Zugsammelschiene aufgrund nicht geeigneter Spannungshöhe und/oder nicht geeigneter Frequenz kaum verwendet werden, sondern sie dient zur Versorgung von lokalen Bordnetzumrichtern in den Reisezugwagen. To supply consumers, especially in passenger cars, a train busbar is often used. In the case of a DC voltage on the contact wire, this is distributed to the passenger coaches. In AC networks, the amplitude is first reduced before the single-phase voltage is continued to the passenger coaches. According to its original purpose, this train busbar was also called heating cable. For the direct supply of electrical consumers, this train busbar due to not suitable voltage level and / or unsuitable frequency can hardly be used, but it is used to supply local Bordnetzumrichtern in the passenger car.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein kostengünstiges, einfach zu realisierendes und zuverlässiges Energieversorgungssystem für die Versorgung von elektrischen Verbrauchern in Schienenfahrzeugen anzugeben, bei dem der Verkabelungsaufwand gering ist, die Kommunikation zwischen versorgender Einheit und elektrischem Verbraucher auf einfache Weise realisiert werden kann. The invention has for its object to provide a cost-effective, easy to implement and reliable power supply system for the supply of electrical loads in rail vehicles, in which the cabling effort is low, the communication between supplying unit and electrical consumers can be easily implemented.

Diese Aufgabe wird durch ein Energieversorgungssystem zur Versorgung von elektrischen Verbrauchern in einem Schienenfahrzeug mit elektrischer Energie gelöst, wobei das Energieversorgungssystem mindestens eine Zentraleinheit und mindestens einen dezentralen Frequenzumrichter aufweist, wobei die Zentraleinheit mindestens einen Zentraleinheitseingang zur Aufnahme von elektrischer Energie sowie mindestens einen Zentraleinheitsausgang zum Übertragen der elektrischen Energie mittels einer Wechselspannung, insbesondere einer dreiphasigen Wechselspannung, zu dem oder den dezentralen Frequenzumrichter(n) aufweist und wobei der dezentrale Frequenzumrichter mindestens einen Frequenzumrichtereingang zur Aufnahme zumindest von Anteilen der von der Zentraleinheit übertragenen Energie sowie mindestens einen Frequenzumrichterausgang zur Abgabe der elektrischen Energie an mindestens einen elektrischen Verbraucher aufweist. This object is achieved by a power supply system for supplying electrical consumers in a rail vehicle with electrical energy, wherein the power supply system comprises at least one central unit and at least one decentralized frequency converter, the central unit having at least one central unit input for receiving electrical energy and at least one central unit output for transmitting the electrical energy by means of an AC voltage, in particular a three-phase AC voltage to the decentralized frequency converter (s) and wherein the decentralized frequency converter at least one frequency converter input for receiving at least portions of the energy transmitted from the central unit and at least one frequency converter output for delivering the electrical energy has at least one electrical load.

Diese Aufgabe wird weiter durch ein Schienenfahrzeug mit mindestens einem Energieversorgungssystem gemäß Anspruch 6 sowie durch ein Verfahren gemäß Anspruch 7 bzw. Anspruch 12 gelöst. This object is further achieved by a rail vehicle having at least one energy supply system according to claim 6 and by a method according to claim 7 or claim 12.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass sich der Verkabelungsaufwand teilweise deutlich verringern lässt, wenn der Bordnetzumrichter durch ein erfindungsgemäßes Energieversorgungssystem ersetzt wird, das mindestens eine Zentraleinheit und mindestens einen dezentralen Frequenzumrichter aufweist. Dabei kann sich das Energieversorgungssystem mit seinen Komponenten über das gesamte Schienenfahrzeug erstrecken oder aber auf Teile des Schienenfahrzeugs beschränkt bleiben. Man unterscheidet die elektrischen Verbraucher in ungeregelte und geregelte elektrische Verbraucher. Die Zentraleinheit hat die Aufgabe, elektrische Energie aufzunehmen, um diese mit Hilfe einer Wechselspannung, insbesondere einer dreiphasigen Wechselspannung, direkt an ungeregelte elektrische Verbraucher oder indirekt über dezentrale Frequenzumrichter an geregelte elektrische Verbraucher, wie beispielsweise Kompressoren oder Lüfter, weiterzugeben. Der dezentrale Frequenzumrichter befindet sich dabei bevorzugt in der Nähe des zu versorgenden elektrischen Verbrauchers. Auch eine Integration in den elektrischen Verbraucher ist möglich. Die dezentralen Frequenzumrichter können variabel die Spannungsamplitude und/oder die Frequenz am Frequenzumrichterausgang an die Anforderungen des elektrischen Verbrauchers anpassen. Vorteil dieser Anordnung ist der Wegfall der Generierung von zusätzlichen, unterschiedlichen Versorgungsspannungen in einer zentralen Einheit wie beispielsweise dem Bordnetzumrichter sowie der Wegfall der damit einhergehenden Verkabelung zu den elektrischen Verbrauchern für die zusätzlichen, unterschiedlichen Versorgungsspannungen. Als weiteren Vorteil ergibt sich eine Vereinfachung der Steuerungsarchitektur, da der für die Steuerung notwendige Datenaustausch zwischen dem elektrischen Verbraucher und dem dezentralen Frequenzumrichter aufgrund der räumlichen Nähe direkt über eine geeignete Schnittstelle stattfinden kann. Aufgrund der räumlichen Nähe ist die Störempfindlichkeit gering. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Energieversorgungssystems sind die geringeren Isolationsanforderungen der dezentralen Frequenzumrichter Dies gewährleistet eine einfache Ausführbarkeit der dezentralen Stromrichter in der Nähe des elektrischen Verbrauchers oder im elektrischen Verbraucher. Ein weiterer Vorteil der Versorgung der geregelten elektrischen Verbraucher über die dezentralen Frequenzumrichter gegenüber der Versorgung mit einer festen Wechselspannungsquelle ist die deutlich geringere Stoßleistung, die beim Zuschalten eines geregelten elektrischen Verbrauchers auf eine feste Wechselspannungsquelle entsteht. Eine teilweise deutliche Überdimensionierung der Energieversorgung auf diese Stoßleistung ist damit nicht erforderlich. The invention is based on the finding that the cabling effort can be significantly reduced in part if the auxiliary power converter is replaced by an energy supply system according to the invention, which has at least one central unit and at least one decentralized frequency converter. In this case, the energy supply system can extend with its components over the entire rail vehicle or remain limited to parts of the rail vehicle. One differentiates the electrical consumers into uncontrolled and regulated electrical consumers. The central unit has the task to absorb electrical energy to these with the help of an AC voltage, in particular a three-phase AC voltage, directly to unregulated electrical loads or indirectly via decentralized frequency to regulated electrical Consumers, such as compressors or fans pass. The decentralized frequency converter is preferably located in the vicinity of the electrical consumer to be supplied. Integration into the electrical consumer is also possible. The decentralized frequency converters can variably adjust the voltage amplitude and / or the frequency at the frequency converter output to the requirements of the electrical consumer. Advantage of this arrangement is the elimination of the generation of additional, different supply voltages in a central unit such as the on-board converter and the elimination of the associated wiring to the electrical loads for the additional, different supply voltages. As a further advantage results in a simplification of the control architecture, since the necessary for the control of data exchange between the electrical load and the decentralized frequency converter can take place directly via a suitable interface due to the spatial proximity. Due to the proximity, the susceptibility is low. Another advantage of the energy supply system according to the invention are the lower isolation requirements of the decentralized frequency converter This ensures a simple feasibility of decentralized power converters in the vicinity of the electrical load or in the electrical load. Another advantage of supplying the regulated electrical consumers via the decentralized frequency converter with respect to the supply with a fixed AC voltage source is the significantly lower surge power that arises when connecting a regulated electrical load to a fixed AC voltage source. A partially significant oversizing of the power supply to this surge power is not required.

Die Weitergabe der elektrischen Energie am Ausgang der Zentraleinheit kann beispielsweise über eine einphasige oder dreiphasige Wechselspannung mit oder ohne Neutralleiter erfolgen. The transfer of electrical energy at the output of the central unit can be done for example via a single-phase or three-phase AC voltage with or without neutral.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Advantageous embodiments of the invention are specified in the dependent claims.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltungsform werden zumindest Teile des Energieversorgungssystems und/oder der Zentraleinheit und/oder des dezentralen Frequenzumrichters, insbesondere die für die Aufnahme, Übertragung und Abgabe der elektrischen Energie vorgesehen sind, redundant ausgebildet. Durch den Wegfall der unterschiedlichen Versorgungsspannungen kann die Versorgungskette für Aufnahme, Weitergabe und Bereitstellung der elektrischen Energie bis zum elektrischen Verbraucher auf besonders einfache Weise redundant ausgeführt werden. Dabei kann die Redundanz innerhalb der Komponenten, das heißt beispielsweise innerhalb der Zentraleinheit, ausgeführt werden oder auch durch parallele Anordnung der Komponenten, wie beispielsweise zwei oder mehr elektrisch parallele Zentraleinheiten, realisiert werden. Bei Ausfall einer Komponente, wie beispielsweise Teile einer Zentraleinheit, kann zumindest eingeschränkt die Energieversorgung einer Vielzahl oder aller elektrischen Verbraucher weiter sichergestellt werden. Vorteil der Redundanz ist eine Erhöhung der Versorgungssicherheit. In an advantageous embodiment, at least parts of the power supply system and / or the central unit and / or the decentralized frequency converter, in particular those which are provided for receiving, transmitting and delivering the electrical energy, are designed to be redundant. By eliminating the different supply voltages, the supply chain for receiving, transfer and provision of electrical energy to the electrical load can be performed redundantly in a particularly simple manner. In this case, the redundancy within the components, that is, for example, be carried out within the central unit, or even by parallel arrangement of the components, such as two or more electrically parallel central units, can be realized. In case of failure of a component, such as parts of a central processing unit, at least a limited power supply to a variety or all electrical loads can be further ensured. The advantage of redundancy is an increase in security of supply.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform ist der Zentraleinheitsausgang zur Speisung mindestens einer wagenübergreifenden oder wageninternen Sammelschiene, insbesondere einer dreiphasigen Sammelschiene, vorgesehen. Die Sammelschiene, die den Transport der elektrischen Energie im Schienenfahrzeug sicherstellt, insbesondere die wagenübergreifende, kann an einer oder an mehreren Stellen im Schienenfahrzeug von einer Zentraleinheit elektrische gespeist werden. Eine im Fahrzeug bereits vorhandene Sammelschiene kann gegebenenfalls auch für die Energieübertragung von der Zentraleinheit zu den dezentralen Frequenzumrichtern und/oder zu den elektrischen Verbrauchern genutzt werden. Vorteil dieser Anordnung ist, dass sowohl zahlreiche elektrische Verbraucher als auch die dezentralen Frequenzumrichter auf einfache und kostengünstige Weise direkt an die Sammelschiene angeschlossen werden können. Im Falle einer bereits vorhandenen Sammelschiene entfällt der Aufwand für zusätzliche Verkabelung. In a further advantageous embodiment of the central unit output for feeding at least one carriage-comprehensive or carriage-internal busbar, in particular a three-phase busbar is provided. The busbar, which ensures the transport of electrical energy in the rail vehicle, especially the cross-carriage, can be powered by a central unit electrical at one or more locations in the rail vehicle. If necessary, a busbar already present in the vehicle can also be used for the energy transmission from the central unit to the decentralized frequency converters and / or to the electrical consumers. The advantage of this arrangement is that both numerous electrical consumers and the decentralized frequency converter can be connected directly to the busbar in a simple and cost-effective manner. In the case of an already existing busbar, the expense of additional wiring is eliminated.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform ist der Zentraleinheitsausgang zur Abgabe von elektrischer Energie mittels einer Wechselspannung mit einer nahezu konstanten Frequenz, insbesondere mit einer Standardfrequenz und/oder mit einer nahezu konstanten Spannungsamplitude, insbesondere mit einer Standardamplitude, ausgebildet. Bevorzugt können hier Standards wie beispielsweise ein Wechselspannungssystem mit 400V/50Hz oder 480V/60Hz eingesetzt werden. Bei diesen Standards gibt es enge Toleranzbereiche für die Abweichung vom Nominalwert für Spannungsamplitude und Frequenz. Diese Spannungssysteme eignen sich besonders für die direkte Versorgung von einer Vielzahl von elektrischen Verbrauchern in Schienenfahrzeugen. Gleichzeitig können darüber hinaus auch die dezentralen Frequenzumrichter und ihre zugehörigen elektrischen Verbraucher gespeist werden. Da es sich um Standards handelt, können auch die Eingangsbaugruppen der elektrischen Verbraucher und die Eingangsbaugruppen der dezentralen Frequenzumrichter aus Standardkomponenten aufgebaut werden, was zu einer kostengünstigen Lösung führt. Auch die Isolationsanforderungen an die dezentralen Frequenzumrichter werden durch das verwendete Spannungssystem wie beispielsweise 400V oder 480V bestimmt und sind damit geringer als bei einem Aufbau eines Bordnetzumrichters mit unterschiedlichen Spannungsausgängen, da dort recht hohe Zwischenkreisspannungen zu höheren Isolationsanforderungen führen. Dies ermöglicht eine einfache Ausführbarkeit der dezentralen Frequenzumrichter. Auch eine bereits vorhandene Sammelschiene beispielsweise für die Versorgung von Steckdosen kann für das Energieversorgungssystem genutzt und erweitert werden. Dies hält die Kosten für die Realisierung des erfindungsgemäßen Energieversorgungssystems gering. Gleichzeitig kann hier auf Standards, wie beispielsweise bei der Isolierung, zurückgegriffen werden, die zu einer kostengünstigen Realisierung beitragen. In a further advantageous embodiment, the central unit output for emitting electrical energy by means of an AC voltage with a nearly constant frequency, in particular with a standard frequency and / or with a nearly constant voltage amplitude, in particular with a standard amplitude formed. Preferably, standards such as an AC system with 400V / 50Hz or 480V / 60Hz can be used here. These standards have narrow tolerances for deviation from the nominal voltage amplitude and frequency. These voltage systems are particularly suitable for the direct supply of a large number of electrical consumers in rail vehicles. At the same time, the decentralized frequency converters and their associated electrical consumers can also be fed. As standards are concerned, the input modules of the electrical loads and the input modules of the distributed frequency converters can also be constructed from standard components, resulting in a cost-effective solution. The insulation requirements for the decentralized frequency converters are also determined by the voltage system used, such as 400V or 480V and are thus lower than in a design of a Bordnetzumrichters with different voltage outputs, since there quite high DC link voltages lead to higher insulation requirements. This allows easy execution of the decentralized frequency converter. An existing busbar, for example, for the supply of sockets can be used and expanded for the power supply system. This keeps the cost of implementing the power supply system according to the invention low. At the same time, standards such as insulation can be used, which contribute to a cost-effective realization.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform weist der Zentraleinheitsausgang und/oder der Frequenzumrichtereingang und/oder der Frequenzumrichterausgang eine Filtervorrichtung zur Filterung der Wechselspannung auf oder ist zur Speisung einer Filtervorrichtung vorgesehen. Diese Filtereinrichtung dient dazu, die Qualität der Wechselspannung insbesondere durch Filterung von Oberschwingungen zu erhöhen. Mit der Filtervorrichtung kann beispielsweise die entsprechende Spannung so bearbeitet werden, dass die elektrischen Verbraucher und/oder die dezentralen Frequenzumrichter nicht an die versorgende Spannungsquelle angepasst werden müssen und idealerweise mit Standardeingangsbaugruppen identisch oder zumindest ähnlich wie beim Einsatz in anderen Energieversorgungsnetzen bestückt werden können. Der Einsatz von Standards führt zu einer kostengünstigen Realisierung des Gesamtsystems. Der Ort beziehungsweise die Orte, an denen die Filtervorrichtung(en) platziert werden und die Dimensionierung der Filtervorrichtung hängen von mehreren Faktoren, wie beispielsweise einbautechnische Randbedingungen oder Anforderungen der elektrischen Verbraucher oder des dezentralen Frequenzumrichters ab. In a further advantageous embodiment, the central unit output and / or the frequency converter input and / or the Frequenzumrichterausgang a filter device for filtering the AC voltage or is provided for feeding a filter device. This filter device serves to increase the quality of the AC voltage, in particular by filtering harmonics. With the filter device, for example, the corresponding voltage can be edited so that the electrical loads and / or the decentralized frequency converter does not need to be adapted to the power supply and ideally with standard input modules identical or at least similar to when used in other energy supply networks can be fitted. The use of standards leads to a cost-effective realization of the overall system. The location (s) where the filter device (s) will be placed and the sizing of the filter device depend on several factors such as mounting constraints or requirements of the electrical loads or decentralized frequency converter.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert. Es zeigen: In the following the invention will be described and explained in more detail with reference to the embodiments illustrated in the figures. Show it:

1 ein erstes Blockschaltbild eines Energieversorgungssystems mit angeschlossenen elektrischen Verbrauchern, 1 a first block diagram of a power supply system with connected electrical loads,

2 ein weiteres Blockschaltbild eines Energieversorgungssystems entsprechend 1, erweitert um Filtervorrichtungen, 2 a further block diagram of a power supply system accordingly 1 , extended with filter devices,

3 ein weiteres Blockschaltbild eines redundanten Energieversorgungssystems, 3 another block diagram of a redundant power supply system,

4 eine Prinzipdarstellung eines Schienenfahrzeugs, mit einer beispielhaften Anordnung der Komponenten der Energieversorgung. 4 a schematic diagram of a rail vehicle, with an exemplary arrangement of the components of the power supply.

1 zeigt ein Energieversorgungssystem 1 mit angeschlossenen elektrischen Verbrauchern 2. Zu den Hauptbestandteilen des Energieversorgungssystems 1 gehören eine Zentraleinheit 3 sowie mehrere dezentrale Frequenzumrichter 4. Aufgabe der Zentraleinheit 3 ist es, über ihren Zentraleinheitseingang 5 elektrische Energie aufzunehmen. Diese wird den elektrischen Verbrauchern 2 am Zentraleinheitsausgang 6 sowohl direkt zur Verfügung gestellt als auch indirekt über die dezentralen Frequenzumrichter 4. Der Transport der Energie erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel über eine Sammelschiene 10 mit Hilfe einer Wechselspannung, insbesondere einer dreiphasigen Wechselspannung. Als besonders vorteilhaft hat sich hierbei eine Standardspannung von 400V/50Hz oder 480V/60Hz erwiesen. Dabei werden die elektrischen Verbraucher 2, die eine besondere Anforderung an Amplitude oder Frequenz der Wechselspannung haben, über die dezentralen Frequenzumrichter 4 gespeist. Die dezentralen Frequenzumrichter 4 befinden sich dabei bevorzugt in räumlicher Nähe der zugeordneten elektrischen Verbraucher 2. Der Frequenzumrichtereingang 7 des dezentralen Frequenzumrichters 4 nimmt dabei zumindest Teile der elektrischen Energie auf, die am Zentraleinheitsausgang 6 bereitgestellt werden, um sie am Frequenzumrichterausgang 8 dem elektrischen Verbraucher 2 mit Hilfe eines Spannungssystems 11 mit variabler Wechselspannung bereitzustellen. Dies geschieht bevorzugt mit einem dreiphasigen Wechselspannungssystem. In der dargestellten Ausführung erfolgt die Verzweigung der elektrischen Verbindung zwischen den direkt versorgten elektrischen Verbrauchern 2 und der Zentraleinheit 3 außerhalb des Energieversorgungssystems 1. Alternativ kann die Verzweigung auch innerhalb des Energieversorgungssystems 1 erfolgen. 1 shows a power supply system 1 with connected electrical consumers 2 , To the main components of the energy supply system 1 belong to a central unit 3 as well as several distributed frequency inverters 4 , Task of the central unit 3 is it, over its central unit entrance 5 to absorb electrical energy. This becomes the electrical consumers 2 at the central unit output 6 both directly provided and indirectly via the decentralized frequency converter 4 , The transport of energy takes place in this embodiment via a busbar 10 with the aid of an alternating voltage, in particular a three-phase alternating voltage. Particularly advantageous here is a standard voltage of 400V / 50Hz or 480V / 60Hz has been found. This will be the electrical consumers 2 that have a particular requirement for amplitude or frequency of the AC voltage, via the decentralized frequency converter 4 fed. The decentralized frequency converter 4 are located preferably in spatial proximity of the associated electrical consumers 2 , The drive input 7 of the decentralized frequency converter 4 takes up at least parts of the electrical energy at the central unit output 6 be provided to the frequency converter output 8th the electrical consumer 2 with the help of a voltage system 11 to provide with variable AC voltage. This is preferably done with a three-phase AC voltage system. In the illustrated embodiment, the branching of the electrical connection between the directly supplied electrical consumers takes place 2 and the central unit 3 outside the energy supply system 1 , Alternatively, the branching may also be within the energy supply system 1 respectively.

2 zeigt ein weiteres Blockschaltbild eines Energieversorgungssystems 1 entsprechend 1, erweitert um Filtervorrichtungen 9, die sich sowohl am Zentraleinheitsausgang 6 als auch an den Frequenzumrichterausgängen 8 befinden. Bezüglich der sonstigen Bestandteile des Systems wird auf die Beschreibung zu 1 und auf die dort eingeführten Bezugszeichen verwiesen. Die Filtervorrichtungen 9 dienen dazu, den Spannungsverlauf der Wechselspannungen auf der Sammelschiene 10 und in den Spannungssystemen 11 mit variabler Wechselspannung, insbesondere durch Reduktion oder Beseitigung von Oberschwinungen, zu optimieren. Die Notwendigkeit und Ausgestaltung der Filtervorrichtungen 9 ergibt sich unter anderem aus den Anforderungen der elektrischen Verbraucher 2 und/oder der dezentralen Frequenzumrichter 4 an ihre Energieversorgung. 2 shows a further block diagram of a power supply system 1 corresponding 1 , expanded to include filter devices 9 , which are located both at the central unit output 6 as well as at the frequency inverter outputs 8th are located. For the other components of the system, see the description 1 and to the reference numbers introduced there. The filter devices 9 serve the voltage curve of the AC voltages on the busbar 10 and in the voltage systems 11 with variable AC voltage, in particular by reducing or eliminating Oberschwinungen to optimize. The necessity and design of the filter devices 9 arises, among other things, from the requirements of electrical consumers 2 and / or the decentralized frequency converter 4 to their energy supply.

3 zeigt ein weiteres Blockschaltbild eines Energieversorgungssystems 1 entsprechend 1, erweitert um eine redundante Zentraleinheit 3 und zwei redundante dezentrale Frequenzumrichter 4. Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, dass auch bei Ausfall einer Zentraleinheit 3 und/oder eines dezentralen Frequenzumrichters 4 die Versorgung der elektrischen Verbraucher 2 weiterhin zumindest eingeschränkt sichergestellt werden kann. 3 shows a further block diagram of a power supply system 1 corresponding 1 , extended by a redundant central unit 3 and two redundant distributed frequency inverters 4 , The advantage of this arrangement is that even if one central unit fails 3 and / or a decentralized frequency converter 4 the supply of electrical consumers 2 continue to be ensured at least limited.

4 zeigt eine Prinzipdarstellung, wie das Energieversorgungssystem 1 beispielhaft in ein Schienenfahrzeug 100 integriert werden kann. Das Schienenfahrzeug 100 wird in diesem Anwendungsbeispiel über einen Stromabnehmer 102 aus einem Wechselspannung führenden Fahrdraht 101 mit elektrischer Energie versorgt. Ein Transformator 103 passt das Spannungsniveau derart an, dass das Energieversorgungssystem 1 die elektrische Energie aufnehmen kann. Dazu wird die Primärseite des Transformators 103 mit dem elektrischen Potential des Fahrdrahts 101 und dem des Erdpotentials der Schiene, das auch an der Radsatzwelle 104 inklusive Rädern anliegt, verbunden. Auf der Sekundärseite des Transformators 103 steht dann eine Spannung zur Verfügung, die in die Zentraleinheit 3 eingespeist wird. Die Zentraleinheit 3 versorgt dann die Sammelschiene 10, die in diesem Beispiel als wagenübergreifende Sammelschiene 10 ausgeführt ist, mit elektrischer Energie. Die Energieeinspeisung in die Sammelschiene 10 kann darüber hinaus auch durch weitere Zentraleinheiten 3 im Schienenfahrzeug 100 erfolgen, insbesondere in Wagen, die ebenfalls einen Stromabnehmer 102 oder andere Energiequellen aufweisen. Die Versorgung der elektrischen Verbraucher 21, 22 erfolgt über die dreiphasige Sammelschiene 10. Die in den 1 bis 3 eingeführten elektrischen Verbraucher 2 werden in der vorliegenden 4 genauer unterschieden. Die ungeregelten elektrischen Verbraucher 21 werden direkt aus der Sammelschiene 10 durch eine Wechselspannung mit konstanter Amplitude und konstanter Frequenz versorgt. Hingegen erfolgt die Versorgung der geregelten elektrischen Verbraucher 22 durch ein Spannungssystem 11 mit variabler Wechselspannung. Diese variable Wechselspannung stellt eine in Amplitude und Frequenz veränderliche Wechselspannung dar. Erzeugt wird dieses Spannungssystem 11 mit variabler Wechselspannung mit Hilfe des dezentralen Frequenzumrichters 4 in der Nähe des geregelten elektrischen Verbrauchers 22. Die erforderliche Energie bezieht der dezentrale Frequenzumrichter 4 dabei aus der Sammelschiene 10. Aus der Prinzipdarstellung wird deutlich, dass sich das Energieversorgungssystem 1 in der Regel über das gesamte Schienenfahrzeug 100 erstreckt. 4 shows a schematic diagram, as the power supply system 1 by way of example in a rail vehicle 100 can be integrated. The rail vehicle 100 is in this application example via a current collector 102 from an alternating voltage leading contact wire 101 supplied with electrical energy. A transformer 103 adjusts the voltage level so that the power supply system 1 can absorb the electrical energy. This will be the primary side of the transformer 103 with the electrical potential of the contact wire 101 and that of the earth potential of the rail, which also at the wheelset shaft 104 including wheels, connected. On the secondary side of the transformer 103 Then there is a voltage available in the central unit 3 is fed. The central unit 3 then supplies the busbar 10 , in this example as a cross-carriage busbar 10 Running, with electrical energy. The energy feed into the busbar 10 In addition, by other central units 3 in the rail vehicle 100 carried out, especially in cars, which also has a pantograph 102 or other energy sources. The supply of electrical consumers 21 . 22 via the three-phase busbar 10 , The in the 1 to 3 introduced electrical loads 2 be in the present 4 more precisely distinguished. The unregulated electrical consumers 21 be directly from the busbar 10 supplied by an AC voltage with constant amplitude and constant frequency. On the other hand, the supply of regulated electrical consumers takes place 22 through a voltage system 11 with variable AC voltage. This variable AC voltage represents an alternating voltage variable in amplitude and frequency. This voltage system is produced 11 with variable AC voltage using the decentralized frequency converter 4 near the regulated electrical load 22 , The required energy is supplied by the decentralized frequency converter 4 doing so from the busbar 10 , From the schematic diagram it becomes clear that the energy supply system 1 usually over the entire rail vehicle 100 extends.

Im Falle, dass der Fahrdraht 101 eine Gleichspannung aufweist, ist kein Transformator 103 erforderlich. Die Spannung des Fahrdrahtes 101 kann dann direkt oder über eine geeignete Eingangsschaltung dem Energieversorgungssystem 1 zugeführt werden. In case of the contact wire 101 has a DC voltage is not a transformer 103 required. The tension of the contact wire 101 can then directly or via a suitable input circuit the power supply system 1 be supplied.

Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. While the invention has been further illustrated and described in detail by the preferred embodiments, the invention is not limited by the disclosed examples, and other variations can be derived therefrom by those skilled in the art without departing from the scope of the invention.

Claims

Energy supply system ( 1 ) for the supply of electrical consumers ( 2 ) in a rail vehicle ( 100 ) with electrical energy, the energy supply system ( 1 ) at least one central unit ( 3 ) and at least one decentralized frequency converter ( 4 ), wherein the central unit ( 3 ) at least one central processor input ( 5 ) for receiving electrical energy and at least one central unit output ( 6 ) for transmitting the electrical energy by means of an alternating voltage, in particular a three-phase alternating voltage, to the one or more decentralized frequency converter (s) ( 4 ) and wherein the distributed frequency converter ( 4 ) at least one frequency converter input ( 7 ) for the inclusion of at least a portion of that of the central unit ( 3 ) and at least one frequency converter output ( 8th ) for delivering the electrical energy to at least one electrical consumer ( 2 ) having.

Energy supply system ( 1 ) according to claim 1, characterized in that at least parts of the energy supply system ( 1 ) and / or the central unit ( 3 ) and / or the decentralized frequency converter ( 4 ), in particular, which are provided for the recording, transmission and delivery of electrical energy, are redundant.

Energy supply system ( 1 ) according to one of claims 1 or 2, characterized in that the central unit output ( 6 ) for supplying at least one cross-carriage or intra-carriage busbar ( 10 ), in particular a three-phase busbar ( 10 ), is provided.

Energy supply system ( 1 ) according to one of claims 1 to 3, characterized in that the central unit output ( 6 ) for emitting electrical energy by means of an AC voltage with a nearly constant frequency, in particular with a standard frequency and / or with a nearly constant voltage amplitude, in particular with a standard amplitude, is formed.

Energy supply system ( 1 ) according to one of claims 1 to 4, characterized in that the central unit output ( 6 ) and / or the frequency converter input ( 7 ) and / or the Frequency converter output ( 8th ) a filter device ( 9 ) for filtering the AC voltage or for feeding a filter device ( 9 ) is provided.

Rail vehicle ( 100 ) with at least one energy supply system ( 1 ) according to one of claims 1 to 5.

Method for supplying electrical consumers ( 2 ) in a rail vehicle ( 100 ) with electrical energy by means of a power supply system ( 1 ), the at least one central unit ( 3 ) and at least one decentralized frequency converter ( 4 ), wherein the central unit ( 3 ) receives electrical energy and this by means of an AC voltage, in particular a three-phase AC voltage, to at least one decentralized frequency converter ( 4 ) and the distributed frequency converter ( 4 ) at least portions of that of the central unit ( 3 ) absorbed energy and thus at least one electrical consumer ( 2 ) can feed.

Method according to claim 7, characterized in that the energy intake, energy release and energy transmission of the energy supply system ( 1 ) and / or the central unit ( 3 ) and / or the decentralized frequency converter ( 4 ) is redundant.

Method according to one of claims 7 or 8, characterized in that the transmission of electrical energy between the individual components, in particular between the central unit ( 3 ) and the decentralized frequency converter ( 4 ) and other electrical consumers via one or more wagon-crossing or intra-wagon busbars ( 10 ), in particular three-phase busbars ( 10 ), he follows.

Method according to one of claims 7 to 9, characterized in that the output of the electrical energy of the central unit ( 3 ), in particular to the decentralized frequency inverters ( 4 ), by means of an alternating voltage with a nearly constant frequency, in particular with a standard frequency and / or with a nearly constant voltage amplitude, in particular with a standard amplitude.

Method according to one of claims 7 to 10, characterized in that by means of a filter device ( 9 ) the AC voltage at the central unit output ( 6 ) and / or at the frequency inverter output ( 8th ) is processed.