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Die Erfindung betrifft eine Luftdruckerzeugungsvorrichtung für ein Schienenfahrzeug, mit einer Kompressoreinheit zur Erzeugung eines Luftdrucks für eine Druckluftanlage und einer Steuereinheit zur Steuerung eines Betriebs der Kompressoreinheit, wobei die Kompressoreinheit mit einer Betriebsfrequenz betrieben wird und die Steuereinheit zumindest einen Nennbetriebsmodus aufweist, in welchem die Betriebsfrequenz eine Nennbetriebsfrequenz ist.
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Es sind Schienenfahrzeuge bekannt, die über eine Druckluftanlage verfügen, welche einen Luftdruck für den Betrieb von Fahrzeugsfunktionskomponenten, insbesondere für den Betrieb einer Bremsanlage, zur Verfügung stellt. Dieser Luftdruck wird von einer Luftdruckerzeugungsvorrichtung, insbesondere mittels einer Kompressoreinheit, erzeugt. In einem Nennbetrieb der Kompressoreinheit hat diese die Aufgabe, einen Solldruck oder Nennbetriebsdruck aufrechtzuerhalten. Hierbei wird die Kompressoreinheit mit einer konstanten Betriebsfrequenz oder Nennbetriebsfrequenz betrieben.
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Ausgehend von einer druckschwachen, insbesondere einem drucklosen Zustand der Druckluftanlage wird diese in einem sogenannten Füllbetrieb mit Luft gefüllt, bis der gewünschte Nennbetriebsdruck erreicht wird. Die für einen optimierten Füllbetrieb, von der Kompressoreinheit zu erbringende Leistung ist für die Auslegung derselben bestimmend.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Luftdruckerzeugungsvorrichtung bereitzustellen, durch welche eine kostengünstige und platzsparende Kompressoreinheit eingesetzt werden kann.
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Hierzu wird vorgeschlagen, dass die Steuereinheit zumindest einen Füllbetriebsmodus für ein Füllen der Druckluftanlage aus einem druckschwachen Zustand aufweist, wobei die Betriebsfrequenz im Füllbetriebsmodus eine als die Nennbetriebsfrequenz größere Füllbetriebsfrequenz ist. Hierdurch kann besonders vorteilhaft die Dimensionierung der Kompressoreinheit basierend auf im Nennbetrieb zu erfüllenden Erfordernissen gewählt werden. Eine hinsichtlich des Füllbetriebs vorliegende Unterdimensionierung der Kompressoreinheit kann vorteilhafterweise durch eine Erhöhung von deren Betriebsfrequenz im Füllbetrieb über die Nennbetriebsfrequenz hinaus kompensiert werden. Eine Dimensionierung der Kompressoreinheit, für die hingegen im Füllbetrieb zu erfüllenden Erfordernisse maßgeblich sind, ist wirtschaftlich nachteilhaft, da die Kompressoreinheit erheblich seltener im Füllbetrieb als im Nennbetrieb betrieben wird. Für die Auslegung der Kompressoreinheit kann demnach insbesondere der Luftverbrauch im Nennbetrieb maßgeblich sein, wodurch eine Kompressoreinheit mit angepasster Förderleistung eingesetzt und daher Bauraum, Gewicht und Anschaffungskosten reduziert werden können.
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Unter einem „druckschwachen“ Zustand der Druckluftanlage soll insbesondere ein Zustand verstanden werden, bei welchem der Luftdruck in der Druckluftanlage einen als der Nennbetriebsdruck erheblich kleineren Wert hat. Darunter soll insbesondere ein Wert verstanden werden, der weniger als 75%, insbesondere weniger als 50% des Nennbetriebsdrucks darstellt. Insbesondere kann ein druckschwacher Zustand ein Leerzustand der Druckluftanlage sein. Der Nennbetriebsdruck kann beispielsweise einen Wert von ca. zehn bar aufweisen.
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Unter einer „Betriebsfrequenz“ der Kompressoreinheit soll insbesondere eine Frequenz verstanden werden, die für eine von der Kompressoreinheit bei der Erzeugung eines einen Luftdruck aufbauenden Luftstroms erzeugte Leistung maßgeblich ist. Insbesondere kann die Betriebsfrequenz der Frequenz entsprechen, mit welcher ein von einem elektrischen Motor angetriebener Kompressor der Kompressoreinheit betrieben wird. Dabei kann die Betriebsfrequenz der Betriebsdrehzahl des Kompressors und/oder des Motors der Kompressoreinheit entsprechen. Die Betriebsfrequenz kann außerdem der Frequenz eines elektrischen Wechselstroms entsprechen, mit welchem der elektrische Motor gespeist wird.
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In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Luftdruckerzeugungsvorrichtung eine von der Steuereinheit gesteuerte Frequenzsignalerzeugungseinheit zur Erzeugung eines mit der Betriebsfrequenz behafteten Frequenzsignals aufweist, mit welchem die Kompressoreinheit gespeist wird, wobei die Steuereinheit zum Steuern eines frequenzvariablen Betriebs der Frequenzsignalerzeugungseinheit vorgesehen ist. Hierdurch kann eine elektronische Einstellung der Betriebsfrequenz der Kompressoreinheit vorteilhaft erfolgen. Dies kann besonders einfach realisiert werden, indem die Frequenzsignalerzeugungseinheit beispielsweise als Umrichter mit frequenzvariablem Ausgang ausgebildet ist, wobei die Ausgangsfrequenz die Betriebsfrequenz für die Kompressoreinheit, insbesondere die Drehzahl eines Motors der Kompressoreinheit vorgibt. In dieser Ausführung steht die Steuereinheit zweckmäßigerweise in Wirkverbindung mit dem Umrichter und sie dient vorteilhafterweise dazu, die Ausgangsfrequenz des Umrichters einzustellen.
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In diesem Zusammenhang wird vorgeschlagen, dass die Füllbetriebsfrequenz größer als 60 Hz ist. Hierdurch ist die Füllbetriebsfrequenz größer als eine übliche, für den Nennbetrieb der Kompressoreinheit maximale Betriebsfrequenz, sodass ein Füllbetrieb mit einer optimierten Füllzeit ausgeführt werden kann.
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In einer alternativen Ausführung der Erfindung kann eine elektrische Einstellung der Betriebsfrequenz im Bereich eines Motors der Kompressoreinheit erfolgen, indem die Luftdruckerzeugungsvorrichtung eine von der Steuereinheit gesteuerte Schalteinheit aufweist, die dazu vorgesehen ist, für den Füllbetriebmodus eine Polumschaltung eines Motors der Kompressoreinheit auszuführen. Hierdurch kann in Bezug auf den elektrischen Strom, mit welchem der Motor gespeist wird, auf eine Elektronik zur Einstellung der Stromfrequenz verzichtet werden. In dieser Ausführung dient die Steuereinheit zweckmäßigerweise dazu, dem gewählten Modus der Steuereinheit entsprechend Schaltvorgänge der Schalteinheit auszulösen.
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Alternativ kann eine mechanische Einstellung der Betriebsfrequenz erfolgen, indem die Luftdruckerzeugungsvorrichtung eine von der Steuereinheit gesteuerte Verstelleinheit aufweist, die zwischen einem Motor und einem Kompressor der Kompressoreinheit angeordnet und zu einer Drehzahlverstellung vorgesehen ist. Hierbei weist die Verstelleinheit zweckmäßigerweise mechanische Übersetzungselemente auf, die dazu dienen, ausgehend von einer konstanten Drehzahl des Motors eine gewünschte, dem Modus der Steuereinheit entsprechende Drehzahl für den Kompressor einzustellen. In dieser Ausführung dient die Steuereinheit zweckmäßigerweise dazu, die Übersetzungselemente der Verstelleinheit zu betätigen.
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Die Erfindung geht ferner aus von einem Verfahren zum Erzeugen eines Luftdrucks für eine Schienenfahrzeugsdruckluftanlage mittels einer Kompressoreinheit, die in einem Nennbetrieb mit einer Nennbetriebsfrequenz betrieben wird.
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Es wird vorgeschlagen, dass die Kompressoreinheit in einem druckschwachen Zustand der Schienenfahrzeugsdruckluftanlage zur Füllung derselben mit einer Füllbetriebsfrequenz betrieben wird, die größer ist als die Nennbetriebsfrequenz. Zu den vorteilhaften Auswirkungen wird um unnötige Wiederholungen zu vermeiden auf die Ausführungen zur Luftdruckerzeugungsvorrichtung verwiesen.
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Es werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
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1: ein Schienenfahrzeug mit einer Druckluftanlage und einer Kompressoreinheit,
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2: ein von der Kompressoreinheit erzeugter Luftdurchfluss als Funktion einer Betriebsfrequenz,
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3: die Kompressoreinheit und eine Steuereinheit zur Steuerung eines die Kompressoreinheit speisenden Umrichters,
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4: die Kompressoreinheit und eine Steuereinheit zur Steuerung einer Schalteinheit zur Polumschaltung eines Kompressormotors und
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5: die Kompressoreinheit und eine Steuereinheit zur Steuerung einer Verstelleinheit zur Drehzahleinstellung.
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1 zeigt ein Schienenfahrzeug 10 in einer schematischen Seitenansicht. Es weist eine Druckluftanlage 12 auf, die zur Versorgung von pneumatisch betätigbaren Einrichtungen des Schienenfahrzeugs 10 mit Druckluft vorgesehen ist. Beispielsweise ist die Druckluftanlage 12 zur Versorgung einer pneumatischen Bremseinrichtung 14 des Schienenfahrzeugs 10 vorgesehen. Die Druckluftanlage 12 und die Bremseinrichtung 14 sind in der Figur in einer stark schematisierten Darstellung gezeigt.
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Das Schienenfahrzeug 10 ist in 1 als Triebzug ausgebildet. Eine Ausbildung des Schienenfahrzeugs 10 als Lokomotive oder Reisezugwagen ist ebenfalls denkbar.
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Das Schienenfahrzeug 10 weist außerdem eine Luftdruckerzeugungsvorrichtung 16 auf, die mit einer Kompressoreinheit 18 zur Erzeugung eines Luftdrucks für die Druckluftanlage 12 versehen ist. Zur Steuerung des Betriebs der Kompressoreinheit 18 weist die Luftdruckerzeugungsvorrichtung 16 eine Steuereinheit 20 auf.
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Die Kompressoreinheit 18 weist einen elektrischen Motor 26 und einen durch diesen angetriebenen Kompressor 28 auf (siehe 3 bis 5), der im eingeschalteten Zustand mit einer mittels der Steuereinheit 20 eingestellten Betriebsfrequenz Bf betrieben wird.
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Es wird zwischen einem Nennbetrieb und einem Füllbetrieb der Kompressoreinheit 18 unterschieden. Im Nennbetrieb hat die Kompressoreinheit 18 die Aufgabe, einen Nennbetriebsdruck – oder „normalen“ Luftdruck – für die Druckluftanlage 12 aufrechtzuerhalten. Dies kann z.B. dadurch erfolgen, dass die Steuereinheit 20 Bestandteil eines Regelkreises ist und zur Aufrechterhaltung des Nennbetriebsdrucks gemäß einem voreingestellten Sollwert Ein- und Ausschaltvorgänge der Kompressoreinheit 18 auslöst. Im eingeschalteten Zustand wird der Kompressor 28 der Kompressoreinheit 18 mit einer konstanten Betriebsfrequenz Bf betrieben, die Nennbetriebsfrequenz NBf genannt wird. Der Wert der Nennbetriebsfrequenz NBf kann insbesondere einen Wert von ca. 50 Hz, maximal von 60 Hz betragen. Der Betrieb der Kompressoreinheit 18 mit der konstanten Nennbetriebsfrequenz NBf bewirkt das Fließen eines Luftstroms in die Druckluftanlage 12 mit einem bestimmten, vorzugweise konstanten Luftdurchfluss DN (siehe 2).
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Im Füllbetrieb hat die Kompressoreinheit 18 die Aufgabe, die Druckluftanlage 12 ausgehend von einem druckschwachen, insbesondere einem leeren Zustand derselben zu füllen. Ausgehend von einem kleinen Startwert, insbesondere vom Nullwert des Luftdrucks in der Druckluftanlage 12 wird diese im Füllbetrieb der Kompressoreinheit 18 solange gefüllt, bis der Nennbetriebsdruck erreicht ist.
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Um die für das Füllen der Druckluftanlage 12 notwendige Zeit zu optimieren wird die Kompressoreinheit 18 in deren Füllbetrieb mit einer Betriebsfrequenz Bf betrieben, die größer als die Nennbetriebsfrequenz NBf ist und Füllbetriebsfrequenz FBf genannt wird. Der Betrieb der Kompressoreinheit 18 mit der Füllbetriebsfrequenz FBf bewirkt das Fließen eines Luftstroms in die Druckluftanlage 12 mit einem gegenüber dem Nennbetrieb erhöhten Durchfluss DF. Durch die Ausbildung der Nennbetriebsfrequenz NBf unterhalb der Füllbetriebsfrequenz FBf kann für den Nennbetrieb der mechanische Verschleiß der Kompressoreinheit vorteilhaft gering gehalten werden.
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2 zeigt ein Diagramm, in welchem der Durchfluss D des Luftstroms in die Druckluftanlage 12 als Funktion der Betriebsfrequenz Bf der Kompressoreinheit 18 dargestellt ist. Durch die Erhöhung der Betriebsfrequenz Bf über die Nennbetriebsfrequenz NBf hinaus wird der Durchfluss D erhöht, wodurch die Füllzeit der Druckluftanlage 12 reduziert wird.
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3 zeigt die Anordnung der Steuereinheit 20 und der Kompressoreinheit 18 in einer stark schematisierten Ansicht. In dieser Ausführung weist die Luftdruckerzeugungsvorrichtung 16 eine Frequenzsignalserzeugungseinheit 22 auf, die zur Erzeugung eines mit der Betriebsfrequenz Bf behafteten Frequenzsignals vorgesehen ist, mit welchem die Kompressoreinheit 18 gespeist wird. Die Frequenzsignalerzeugungseinheit 22 ist insbesondere als Umrichter ausgebildet, welcher eine elektrische Energie aus einer Zugsammelschiene 24 bezieht. In der betrachteten Ausführung wird von der Zugsammelschiene 24 eine konstante Gleichspannung bereitgestellt. Die Frequenzsignalerzeugungseinheit 22 erzeugt, ausgehend von dieser Gleichspannung, einen Wechselstrom, mit welchem die Kompressoreinheit 18 gespeist wird. Die Steuereinheit 20 dient zum Steuern eines frequenzvariablen Betriebs der Frequenzsignalserzeugungseinheit 22, sodass diese die entsprechenden Betriebsfrequenzen Bf der Kompressoreinheit 18 in deren Nennbetrieb und deren Füllbetrieb erzeugt. Hierzu weist die Steuereinheit 20 einen Nennbetriebsmodus, in welchem sie das Erzeugen eines Wechselstroms mit der Nennbetriebsfrequenz NBf durch die Frequenzsignalserzeugungseinheit 22 bewirkt, und einen Füllbetriebsmodus auf, in welchem sie das Erzeugen eines Wechselstroms mit der Füllbetriebsfrequenz FBf durch die Frequenzsignalserzeugungseinheit 22 bewirkt.
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Die Kompressoreinheit 18 weist wie oben erwähnt einen elektrischen Motor 26 auf, der mittels der Frequenzsignalserzeugungseinheit 22 mit dem erzeugten Wechselstrom gespeist wird und zum Antreiben eines Kompressors 28 dient. Hierzu ist der Kompressor 28 mit dem Motor 26 antriebstechnisch verbunden. In der betrachteten Ausführung entspricht die Betriebsfrequenz Bf – als Frequenz des elektrischen Wechselstroms zum Speisen des Motors 26 – der Betriebsdrehzahl dieses Motors 26, die wiederum eine bestimmte Betriebsdrehzahl für den Kompressor 28 vorgibt.
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4 zeigt die Anordnung der Kompressoreinheit und der Steuereinheit gemäß einer alternativen Ausführung. Um unnötige Wiederholungen zu vermeiden ist die folgende Beschreibung insbesondere auf die Unterschiede zur Ausführung gemäß 3 gerichtet. Zum Zweck der Unterscheidung zwischen den Ausführungsbeispielen werden Bezugszeichen der Buchstabe „a“ hinzugefügt.
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Der elektrische Motor 26 der Kompressoreinheit 18.a wird von einer Stromquelle mit einem elektrischen Strom gespeist. Die Luftdruckerzeugungseinheit 16 ist in der betrachteten Ausführung mit einer Schalteinheit 30 versehen, die für den Füllbetrieb der Kompressoreinheit 18.a bzw. die Erhöhung der Betriebsfrequenz des elektrischen Motors 26 eine elektrische Polumschaltung desselben ausführt. Die Steuereinheit 20.a ist hierbei zur Steuerung der Schalteinheit 30 vorgesehen und steht hierzu in Wirkverbindung mit dieser. In der betrachteten Ausführung entspricht die Betriebsfrequenz Bf der Kompressoreinheit 18.a der Betriebsdrehzahl des elektrischen Motors 26, welche durch die auf die Schalteinheit 30 agierende Steuereinheit 20.a entsprechend dem gewählten Modus – Nennbetriebsmodus oder Füllbetriebsmodus der Steuereinheit 20.a – eingestellt wird. Die Betriebsdrehzahl des elektrischen Motors 26 bzw. die Betriebsfrequenz Bf gibt wiederum eine bestimmte Betriebsdrehzahl für den Kompressor 28 vor.
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5 zeigt die Anordnung der Kompressoreinheit und der Steuereinheit gemäß einer alternativen Ausführung. Um unnötige Wiederholungen zu vermeiden ist die folgende Beschreibung insbesondere auf die Unterschiede zur Ausführung gemäß 3 gerichtet. Zum Zweck der Unterscheidung zwischen den Ausführungsbeispielen werden Bezugszeichen der Buchstabe „b“ hinzugefügt.
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Der elektrische Motor 26 der Kompressoreinheit 18.b wird von einer Stromquelle mit einem elektrischen Strom gespeist. Die Luftdruckerzeugungseinheit 16 ist in der betrachteten Ausführung mit einer Verstelleinheit 32 versehen, die zu einer Drehzahlverstellung vorgesehen ist. Sie ist im Antriebsstrang zwischen dem elektrischen Motor 26 und dem Kompressor 28 angeordnet und weist mechanisch betätigbare, mit dem Motor 26 und dem Kompressor 28 mechanisch koppelbare Übersetzungselemente auf (nicht gezeigt), die ausgehend von einer konstanten Drehzahl des elektrischen Motors 26 eine Einstellung der Drehzahl des Kompressors 28 realisiert. In der betrachteten Ausführung entspricht die Betriebsfrequenz Bf der Kompressoreinheit 18.b der einstellbaren Drehzahl des Kompressors 28. Zur Einstellung der gewünschten Drehzahl des Kompressors 28 – und daher der Betriebsfrequenz Bf – wird die Verstelleinheit 32 mittels der Steuereinheit 20.b entsprechend dem gewählten Modus-Nennbetriebsmodus oder Füllbetriebsmodus der Steuereinheit 20.a – gesteuert. Die Einstellung der Betriebsfrequenz Bf erfolgt hierbei durch eine mechanische Betätigung der Übersetzungselemente der Verstelleinheit 32 mittels der Steuereinheit 20.b.
