DE102012222691A1 - Antriebseinrichtung für ein Fahrzeug - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Antriebseinrichtung für ein Fahrzeug (10), insbesondere Schienenfahrzeug, mit einem Satz von Antriebseinheiten (20.a–20.d), die jeweils zumindest einen elektrischen Fahrmotor (22) und eine Leistungserzeugungseinheit (24) aufweisen, die zur Erzeugung einer Leistung für den Fahrmotor (22) vorgesehen ist, und einem Satz von Motorschützeinheiten (30), die jeweils einem Fahrmotor (22) zugeordnet sind. Um eine gattungsgemäße Antriebseinrichtung bereitzustellen, mit welcher eine hohe Verfügbarkeit gegenüber einem Defekt bei niedrigem Konstruktions- und Kostenaufwand erreicht werden kann, wird vorgeschlagen, dass zumindest eine Motorschützeinheit (30) wenigstens ein Schaltmittel (34) aufweist, welches zwischen der Leistungserzeugungseinheit (24) für den zugeordneten Fahrmotor (22) und einer Einspeisung (26) geschaltet ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Antriebseinrichtung für ein Fahrzeug, insbesondere Schienenfahrzeug, mit einem Satz von Antriebseinheiten, die jeweils zumindest einen elektrischen Fahrmotor und eine Leistungserzeugungseinheit aufweisen, die zur Erzeugung einer Leistung für den Fahrmotor vorgesehen ist, und einem Satz von Motorschützeinheiten, die jeweils einem Fahrmotor zugeordnet sind.
  • Bei elektrischen Antriebseinrichtungen für Fahrzeuge, insbesondere für Bahnfahrzeuge in konventioneller Asynchronmotortechnik werden die Fahrmotoren und/oder die zur Speisung derselben notwendigen Pulswechselrichter teilweise elektrisch parallel geschaltet, um die notwendige Antriebsleistung mit möglichst geringem Bauteileaufwand bereitzustellen. Sind Pulswechselrichter zueinander parallel geschaltet, wobei die parallele Schaltung von einer gemeinsamen Einspeisung mit elektrischer Energie gespeist wird, erfordert ein einen Pulswechselrichter betreffender Defekt jedoch die Abschaltung der gesamten parallelen Schaltung von Pulswechselrichtern über ein zentrales, der parallelen Schaltung zugeordnetes Netzschütz.
  • Um den Komplettausfall der Traktion vermeiden zu können ist bereits vorgeschlagen worden, mehrere elektrische unabhängige Einspeisungen, insbesondere unabhängige Zwischenkreise vorzusehen, die unabhängig voneinander zuschaltbar sind. Dies erfordert jedoch zusätzliche Netzschütze, Vorladeeinrichtungen und zugeordnete Steuerungen, wodurch der Konstruktions- und Kostenaufwand höher ist. Dieser kann dadurch begrenzt werden, dass mehrere Fahrmotoren von einem gemeinsamen Pulswechselrichter gespeist werden.
  • Eine Parallelschaltung von Fahrmotoren an einem Pulswechselrichter ist jedoch in bestimmen Anwendungsfällen, wie insbesondere bei einer Traktionsausrüstung mit Synchronmotoren nicht möglich. In diesen Fällen ist für jeden Fahrmotor ein eigener Pulswechselrichter vorgesehen, wobei jedem Fahrmotor jeweils eine Motorschützeinheit zugeordnet ist, die bei Bedarf, wie z.B. bei einer Abschleppfahrt, den Fahrmotor von dem zugeordneten Pulswechselrichter trennt. Alle Pulswechselrichter sind parallel zueinander geschaltet, wobei die parallele Schaltung über ein zentrales Netzschütz von der Einspeisung trennbar ist. Die Verfügbarkeit der Antriebsausrüstung gegenüber einem Defekt ist demnach besonders gering.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Antriebseinrichtung bereitzustellen, mit welcher eine hohe Verfügbarkeit gegenüber einem Defekt bei niedrigem Konstruktions- und Kostenaufwand erreicht werden kann.
  • Hierzu wird vorgeschlagen, dass zumindest eine Motorschützeinheit wenigstens ein Schaltmittel aufweist, welches zwischen der Leistungserzeugungseinheit für den zugeordneten Fahrmotor und einer Einspeisung geschaltet ist. Hierdurch kann die Verfügbarkeit des Schienenfahrzeugs einfach und kostengünstig durch die Verwendung einer herkömmlicherweise bestehenden Motorschützeinheit erhöht werden. Diese Motorschützeinheit, die herkömmlicherweise zumindest ein Schaltelement zum Trennen des zugeordneten Fahrmotors von der jeweiligen Leistungserzeugungseinheit und vorzugsweise eine Steuereinheit zum Betätigen des Schaltelements umfasst, kann einfach mit einem zusätzlichen Schaltmittel nachgerüstet werden, welches von der Steuereinheit steuerbar ist.
  • Weisen die Antriebseinheiten jeweils einen einzigen Fahrmotor auf, wird die Dimensionierung des Schaltmittels von der Strombelastung der einzig zugeordneten Motorzuleitung gegeben, wodurch marktgängige und kostengünstige Schaltgeräte für das Schaltmittel verwendet werden können.
  • Der Begriff „zwischen“ bezieht sich insbesondere auf einen Leistungsfluss für eine Leistung, die von der Einspeisung bezogen und zum zugeordneten Fahrmotor geführt wird. Bezüglich des Leistungsflusses ist das Schaltmittel vor der Leistungserzeugungseinheit angeordnet bzw. der Leistungsfluss kann durch das Schaltmittel vor der Leistungserzeugungseinheit unterbrochen werden.
  • Unter einer „Einspeisung“ soll insbesondere eine Schaltung verstanden werden, deren Funktion die Bereitstellung einer bestimmten elektrischen Spannung ist.
  • Vorzugsweise ist diese Spannung eine Gleichspannung, wobei die Leistungserzeugungseinheiten jeweils dazu vorgesehen sind, ausgehend von der bereitgestellten Gleichspannung ein elektrisches Signal für den zugeordneten Fahrmotor zu erzeugen, wobei die Stromeigenschaften einer bestimmten elektrischen Leistung entsprechen. Insbesondere können die Leistungserzeugungseinheiten als Stromrichter, vorzugweise als Pulswechselrichter ausgebildet sein.
  • Es können für den Satz von Antriebseinheiten mehrere unabhängige Einspeisungen vorgesehen sein, die jeweils als voneinander unabhängige Schaltungen, insbesondere Zwischenkreise, ausgebildet sind.
  • Die vorgeschlagene Antriebseinrichtung eignet sich jedoch insbesondere für eine Ausführung derselben, bei welcher die Antriebseinheiten parallel zueinander geschaltet sind und die parallele Schaltung der Antriebseinheiten von der Einspeisung gespeist wird, da eine für diese Topologie hohe Verfügbarkeit erreicht werden kann. Die zumindest eine Motorschützeinheit, die mit dem wenigsten einen Schaltmittel ausgestattet ist, kann bei einem Defekt der Leistungserzeugungseinheit für den der Motorschützeinheit zugeordneten Fahrmotor mittels ihres Schaltmittels diese Leistungserzeugungseinheit von der gemeinsamen Einspeisung trennen, während die weiteren Leistungserzeugungseinheiten weiterhin betrieben werden können. Weist die parallele Anordnung n Antriebseinheiten auf, kann bei diesem Defekt ein Verlust von maximal 100/n % der gesamten, über die Einspeisung beziehbaren Antriebsleistung entstehen. Eine besonders hohe Verfügbarkeit kann für Anordnungen mit zumindest vier Antriebseinheiten erreicht werden.
  • Vorzugsweise sind die Fahrmotoren als Synchronmotoren ausgebildet. Für diese gilt die Bedingung, dass eine Einspeisung mehrerer Fahrmotoren durch eine einzige Leistungserzeugungseinheit nicht möglich ist. Es besteht daher in diesem Fall ein Bedarf an einer hohen Anzahl von Leistungserzeugungseinheiten, die vorzugsweise zueinander parallel geschaltet sind und von einer gemeinsamen Einspeisung gespeist werden.
  • In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung weist die Motorschützeinheit zumindest ein Schaltelement, das zum Trennen des zugeordneten Fahrmotors von der jeweiligen Leistungserzeugungseinheit dient, und eine Steuereinheit auf, die zur synchronen Betätigung des Schaltelements und des Schaltmittels vorgesehen ist. Hierdurch kann eine besonders einfache Verschaltung des Schaltmittels mit den übrigen, vorzugsweise herkömmlichen Bestandteilen der Motorschützeinheit erreicht werden. Bei der Öffnung des Schaltelements zum Trennen des Fahrmotors von der jeweiligen Leistungserzeugungseinheit kann gleichzeitig diese Leistungserzeugungseinheit von der Einspeisung getrennt werden.
  • Die Verfügbarkeit kann weiter erhöht werden, wenn alle Motorschützeinheiten jeweils wenigstens ein Schaltmittel aufweisen, welches zwischen der Leistungserzeugungseinheit für den zugeordneten Fahrmotor und einer Einspeisung geschaltet ist. Wird der Satz von Antriebseinheiten durch eine gemeinsame Einspeisung gespeist, kann der Satz von Schaltmitteln in dieser Ausführung vorteilhafterweise eine Einspeiseschützeinheit bilden, die zum Trennen des Satzes von Antriebseinheiten von der gemeinsamen Einspeisung ausgebildet ist, indem alle Schaltmittel geöffnet werden. In dieser Ausführung ist vorzugsweise jedem Schaltmittel jeweils ein unterschiedlicher Vorladekreis zugeordnet.
  • Alternativ oder zusätzlich kann der Satz von Antriebseinheiten von einer gemeinsamen Einspeisung gespeist werden, wobei eine Einspeiseschützeinheit vorgesehen ist, die zum Trennen des Satzes von Antriebseinheiten von der Einspeisung dient und ein zentrales Trennelement aufweist, welches zwischen dem Satz von Antriebseinheiten und der Einspeisung geschaltet ist. Hierdurch kann eine konstruktiv einfache Schaltung der Antriebseinrichtung erreicht werden.
  • In diesem Zusammenhang wird vorgeschlagen, dass die Antriebseinrichtung einen Vorladekreis aufweist, welcher der Einspeiseschützeinheit zugeordnet ist. Mit einem Vorladekreis, der dem zentralen Trennelement zugeordnet ist, kann eine konstruktiv einfache Ausführung mit einem zentralen Vorladekreis für den Satz von Antriebseinheiten erreicht werden.
  • Ferner wird vorgeschlagen, dass die Antriebseinrichtung eine Drosseleinheit mit Drosselelementen aufweist, die jeweils einer unterschiedlichen Antriebseinheit zugeordnet und zwischen der jeweiligen Leistungserzeugungseinheit und der Einspeisung geschaltet sind, wodurch eine konstruktiv einfache Anordnung für ein Zusammenwirken der Leistungserzeugungseinheit und des Drosselelements erreicht werden kann.
  • Ein besonders geringer Konstruktionsaufwand kann erreicht werden, wenn alle Motorschützeinheiten jeweils zumindest ein Schaltmittel aufweisen, welches zwischen der Leistungserzeugungseinheit für den zugeordneten Fahrmotor und einer Einspeisung geschaltet ist, und die Drosselelemente zwischen der Einspeisung und dem jeweiligen Schaltmittel angeordnet sind.
  • Es werden Ausführungsbeispiele der Erfindung wird anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
  • 1: ein Schienenfahrzeug mit Antriebseinrichtungen in einer schematischen Seitenansicht,
  • 2: eine Antriebseinrichtung des Schienenfahrzeugs aus 1 in einer detaillierten Ansicht,
  • 3: eine Ausführungsvariante der Antriebseinrichtung aus 2, mit einem gemeinsamen Einspeiseschütz und einem gemeinsamen Vorladekreis und
  • 4: eine Ausführungsvariante der Antriebseinrichtung aus 3, mit einer alternativen Ausführung einer Drosseleinheit.
  • 1 zeigt ein als Triebzug ausgebildetes Schienenfahrzeug 10 in einer schematischen Seitenansicht. In einer alternativen Ausführung kann das Schienenfahrzeug als Lokomotive ausgebildet sein.
  • Das Schienenfahrzeug 10 ist von zwei Kopfeinheiten 12.1, 12.3 und zumindest einer zwischen diesen angeordneten Mitteleinheit 12.2 gebildet. Die Kopfeinheiten 12.1 und 12.3 weisen jeweils zwei Triebdrehgestelle 14 mit je zwei Antriebsachsen 16.A, 16.B auf. Sie sind ferner jeweils mit einer Antriebseinrichtung 18 ausgestattet, die zum Antreiben der Antriebsachsen 16.A, 16.B der Triebdrehgestelle 14 dienen.
  • Die gezeigte Reihenfolge von Antriebs- und Laufachsen ist exemplarisch, wobei weitere, dem Fachmann als sinnvoll erscheinende Achsenfolgen denkbar sind.
  • Die Antriebseinrichtung 18 einer Kopfeinheit 12 ist in einer detaillierten Ansicht in 2 näher dargestellt. Sie weist einen Satz von vier Antriebseinheiten 20.a bis 20.d auf, die jeweils einen elektrischen Fahrmotor 22, der insbesondere als Synchronmotor ausgebildet ist, und eine Leistungserzeugungseinheit 24 umfassen. Die Fahrmotoren 22 sind jeweils mit einer unterschiedlichen Antriebsachse mechanisch koppelbar. In der betrachteten Ausführung sind die Fahrmotoren 22 jeweils mit einer Antriebsachse 16.A bzw. 16.B der jeweiligen Triebdrehgestelle 14 mechanisch koppelbar.
  • Der Satz von vier Antriebseinheiten 20.a bis 20.d bezieht eine elektrische Energie aus einer gemeinsamen Einspeisung 26 und sind parallel zueinander geschaltet. Die Einspeisung 26 ist im Betrieb des Schienenfahrzeugs 10 mit einer Bahnnetzversorgung 28 elektrisch verbunden, die z.B. von einer Oberleitung gebildet ist (1). Alternativ kann die Bahnnetzversorgung 28 von einer Stromschiene im Bodenbereich gebildet sein. Außerdem ist auch denkbar, dass – bei einer Ausbildung des Schienenfahrzeugs 10 mit dieselelektrischem Antrieb – die Einspeisung 26 mit einem Generator elektrisch verbunden ist.
  • Die Einspeisung 26 ist insbesondere von einem Gleichspannungszwischenkreis gebildet, der eine Gleichspannung U für die Erzeugung einer elektrischen Leistung durch die Leistungserzeugungseinheiten 24 bereitstellt. Bei einer Bereitstellung einer Wechselspannung durch die Bahnnetzversorgung 28 ist die Einspeisung 26 zumindest über einen Gleichrichter und eine Spannungsstellvorrichtung (nicht gezeigt), wie insbesondere einen Transformator, mit der Bahnnetzversorgung 28 verbunden. Die Zwischenschaltung eines Gleichrichters ist auch bei der Verbindung der Einspeisung 26 mit einem Generator an Bord des Schienenfahrzeugs 10 zweckmäßig. Wird eine Gleichspannung durch die Bahnnetzversorgung 28 bereitgestellt, kann die Zwischenschaltung eines Gleichrichters entfallen.
  • Die Leistungserzeugungseinheiten 24 weisen jeweils nicht näher dargestellte Schaltelemente auf, die ausgehend von der Gleichspannung U gemäß einer bestimmten Schaltstrategie einen elektrischen Wechselstrom zum Speisen des zugeordneten Fahrmotors 22 erzeugen, wobei die Stromeigenschaften einer gewünschten elektrischen Leistung entsprechen. Zur Steuerung der Leistungserzeugungseinheiten 24 ist ein nicht näher dargestelltes Antriebssteuergerät der Antriebseinrichtung 18 vorgesehen. Insbesondere sind die Leistungserzeugungseinheiten 24 jeweils als Pulswechselrichter ausgebildet.
  • Die Antriebseinrichtung 18 weist ferner einen Satz von Motorschützeinheiten 30 auf, die jeweils einem unterschiedlichen Fahrmotor 22 zugeordnet sind und dazu dienen, bei Bedarf – wie z.B. bei einem Defekt oder einer Rangierfahrt des Schienenfahrzeugs 10 – den Fahrmotor 22 von der zugeordneten Leistungserzeugungseinheit 24 zu trennen. Hierzu weist jede Motorschützeinheit 28 Schaltelemente 32 auf, die jeweils für eine unterschiedliche Phase des von der Leistungserzeugungseinheit 24 erzeugten Wechselstroms, insbesondere Drehstroms, vorgesehen sind.
  • Die Motorschützeinheiten 30 weisen ferner jeweils ein zusätzliches Schaltmittel 34 auf, welches zwischen der zugeordneten Leistungserzeugungseinheit 24 und der Einspeisung 26 geschaltet ist. Das Schaltmittel 34 dient daher dazu, bei Bedarf die Leistungserzeugungseinheit 24 von der Einspeisung 26 zu trennen. Die Schaltelemente 32 und das Schaltmittel 34 einer Motorschützeinheit 30 werden mittels einer Steuereinheit 35 der Motorschützeinheit 30 getätigt. Insbesondere sind die Motorschützeinheiten 30 dazu ausgebildet, dass ein Trennvorgang mit den Schaltelementen 32 einen Trennvorgang, insbesondere einen synchronen Trennvorgang, des zusätzlichen Schaltmittels 34 bewirkt.
  • Durch die zusätzlichen Schaltmittel 34 kann eine Trennung der jeweiligen Leistungserzeugungseinheit 24 von der Einspeisung 26 erfolgen. Die Schaltmittel 34 der Motorschützeinheiten 30 bilden demnach gemeinsam eine Einspeiseschützeinheit 36, die zum Trennen des Satzes von Antriebseinheiten 20.a bis 20.d von der Einspeisung 26 ausgebildet ist. Eine Trennung des vollständigen Satzes kann dadurch erreicht werden, dass alle Schaltmittel 34 betätigt werden. Die Schaltmittel 34 können als Trennelement 37 der Einspeiseschützeinheit 36 betrachtet werden.
  • Jedem Schaltmittel 34 ist ein Vorladekreis 38 mit einem Schaltelement 40 und einem Vorladewiderstand Rv zugeordnet, wobei der Vorladekreis 38 zwischen der Einspeisung 26 und der jeweiligen Leistungserzeugungseinheit 24 und parallel zum Schaltmittel 34 geschaltet ist.
  • Die Antriebseinrichtung 18 umfasst ferner eine Drosseleinheit 42 mit Drosselelementen 44, die jeweils einer Antriebseinheit 20 zugeordnet sind. Diese sind jeweils zwischen der jeweiligen Leistungserzeugungseinheit 24 und dem Schaltmittel 34 einer zugeordneten Motorschützeinheit 30 geschaltet. Die Drosselelemente 44 sind insbesondere von einem gemeinsamen Eisenkern gebildet, der vorzugsweise einem Transformatorkern entspricht. Die Drosseleinheit 42 ist insbesondere als Mehrwicklungsdrossel ausgebildet.
  • 3 zeigt die Antriebseinrichtung 18’ gemäß einer alternativen Ausführung. Um unnötige Wiederholungen zu vermeiden beschränkt sich die folgende Beschreibung auf die Unterschiede dieser Ausführungsvariante zur Ausbildung gemäß 2.
  • Die Antriebseinrichtung 18’ weist ein Einspeiseschützeinheit 36’ auf, die zum Trennen des Satzes von Antriebseinheiten 20 von der Einspeisung 26 dient. Im Vergleich zur obigen Ausführung umfasst die Einspeiseschützeinheit 36’ ein für den Satz von Antriebseinheiten 20 gemeinsames Trennelement 37’, das zwischen diesem Satz bzw. der Parallelschaltung von Antriebseinheiten 20 und der Einspeisung 26 geschaltet ist. Hierdurch kann insbesondere auf einen Vorladekreis 38 für je eine Antriebseinheit 20 verzichtet werden. Es ist vielmehr der Einspeiseschützeinheit 36’ ein Vorladekreis 38’ für den gesamten Satz von Antriebseinheiten 20 zugeordnet, der parallel zum Trennelement 37’ geschaltet ist. Der Vorladekreis 38’ weist ein Schaltelement 40’ und einen elektrischen Widerstand Rv auf.
  • 4 zeigt die Antriebseinrichtung 18’’ gemäß einer alternativen Ausführung zur Ausbildung aus 3. Um unnötige Wiederholungen zu vermeiden beschränkt sich die folgende Beschreibung auf die Unterschiede dieser Ausführungsvariante zur Ausbildung gemäß 3.
  • In dieser Ausführung ist eine Drosseleinheit 42’’ vorgesehen, deren Drosselelemente 44’’ vor dem jeweiligen Schaltmittel 34 der entsprechenden Motorschützeinheit 30 und daher zwischen dem Schaltmittel 34 und der Einspeisung 26 angeordnet sind. Hierbei ist die Drosseleinheit 42’’ insbesondere als Mehrwicklungsdrossel mit gemeinsamen Fußpunkt ausgebildet.

Claims (10)

  1. Antriebseinrichtung für ein Fahrzeug (10), insbesondere Schienenfahrzeug, mit einem Satz von Antriebseinheiten (20.a–20.d), die jeweils zumindest einen elektrischen Fahrmotor (22) und eine Leistungserzeugungseinheit (24) aufweisen, die zur Erzeugung einer Leistung für den Fahrmotor (22) vorgesehen ist, und einem Satz von Motorschützeinheiten (30), die jeweils einem Fahrmotor (22) zugeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Motorschützeinheit (30) wenigstens ein Schaltmittel (34) aufweist, welches zwischen der Leistungserzeugungseinheit (24) für den zugeordneten Fahrmotor (22) und einer Einspeisung (26) geschaltet ist.
  2. Antriebseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinheiten (20.a–20.d) parallel zueinander geschaltet sind, wobei die parallele Schaltung von der Einspeisung (26) gespeist wird.
  3. Antriebseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fahrmotoren (22) als Synchronmotoren ausgebildet sind.
  4. Antriebseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Motorschützeinheit (30) zumindest ein Schaltelement (32), das zum Trennen des zugeordneten Fahrmotors (22) von der jeweiligen Leistungserzeugungseinheit (24) dient, und eine Steuereinheit (35) aufweist, die zur synchronen Betätigung des Schaltelements (32) und des Schaltmittels (34) vorgesehen ist.
  5. Antriebseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alle Motorschützeinheiten (30) jeweils zumindest ein Schaltmittel (34) aufweisen, welches zwischen der Leistungserzeugungseinheit (24) für den zugeordneten Fahrmotor (22) und einer Einspeisung (26) geschaltet ist.
  6. Antriebseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Satz von Antriebseinheiten (20.a–20.d) von einer gemeinsamen Einspeisung (26) gespeist wird und eine Einspeiseschützeinheit (36’) vorgesehen ist, die zum Trennen des Satzes von Antriebseinheiten (20.a–20.d) von der Einspeisung (26) dient und ein zentrales Trennelement (37’) aufweist, welches zwischen dem Satz von Antriebseinheiten (20.a–20.d) und der Einspeisung (26) geschaltet ist.
  7. Antriebseinrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch einen Vorladekreis (38’), welcher der Einspeiseschützeinheit (36’) zugeordnet ist.
  8. Antriebseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Drosseleinheit (42; 42’’) mit Drosselelementen (44; 44’’), die jeweils einer unterschiedlichen Antriebseinheit (20.a–20.d) zugeordnet und zwischen der jeweiligen Leistungserzeugungseinheit (24) und der Einspeisung (26) geschaltet sind.
  9. Antriebseinrichtung nach Anspruch 5 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosselelemente (44’’) zwischen der Einspeisung (26) und dem jeweiligen Schaltmittel (34) angeordnet sind.
  10. Schienenfahrzeug mit einer Antriebseinrichtung (18; 18’; 18’’) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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