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Die Erfindung betrifft eine elektrische Vorrichtung für ein Schienenfahrzeug, insbesondere eine Vorrichtung für den Schutz und das Schalten eines elektrischen Stromkreises und/oder Verbrauchers in dem Schienenfahrzeug.
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Moderne Schienenfahrzeuge bzw. Züge weisen in der Regel eine elektrische Ausrüstung bestehend aus einer Vielzahl elektrischer Geräte und Komponenten auf. Dies können einerseits Geräte zur Erzeugung, andererseits Geräte als Verbraucher elektrischer Energie sein. Eine Energieübertragung zwischen einem Gerät zur Erzeugung von elektrischer Energie, einer elektrischen Energiequelle, und einem oder mehreren elektrischen Verbrauchern erfolgt, da diese üblicherweise an verschiedenen Orten innerhalb des Fahrzeugs angeordnet sind, dabei mittels elektrischer Leitungen, die in dem Fahrzeug verlegt werden. Derartige Leitungen werden beispielsweise als Versorgungsleitungen bezeichnet. Weitere Leitungen werden üblicherweise eingesetzt, um die Funktionalität von elektrischen Geräten und Komponenten zu steuern. Diese werden als Steuerleitungen bezeichnet und können ebenfalls als elektrische, aber beispielsweise auch als optische Leitungen ausgestaltet sein.
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Elektrisch angetriebene Schienenfahrzeuge beziehen elektrische Energie üblicherweise aus einer Oberleitung, wobei die Hochspannung der Oberleitung beispielsweise einer Spannung von 1.5kV DC, 3kV DC, 15kV AC oder 25kV AC entspricht (DC - Gleichstrom, AC - Wechselstrom). Die aufgenommene elektrische Energie wird jedoch nicht nur für den Antrieb bzw. die Traktion, sondern auch für die Versorgung weiterer elektrischer Geräte und Komponenten des Schienenfahrzeugs verwendet. Die elektrische Energie wird dabei mittels einer so genannten Zugsammelschiene verteilt, welche sich bei aus mehreren Wagen bestehenden Schienenfahrzeugen wie beispielsweise Triebzügen über alle Wagen des Fahrzeugs erstreckt. Bei aufgerüstetem Fahrzeug, d.h. hergestelltem Kontakt mit der Oberleitung über beispielsweise einen Pantographen, und eingeschaltetem Hauptschalter steht die Zugsammelschiene permanent unter Spannung.
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In Deutschland beträgt die Spannung der Zugsammelschiene beispielsweise 1000V, 16 2/3 Hz, welche aus der Oberleitungsspannung 15kV, 16 2/3 Hz generiert wird. Aufgrund einer anderen Oberleitungsspannung kann die Spannung der Zugsammelschiene in anderen Ländern jedoch unterschiedlich sein. Dabei werden beispielsweise Gleichspannungen von 1.5kV oder 3kV unverändert zu der Zugsammelschiene durchgeschaltet, während hochvoltige Wechselspannungen mittels Transformatoren auf dem Schienenfahrzeug auf die gewünschte Spannung der Zugsammelschiene transformiert wird.
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Während die Spannung der Zugsammelschiene üblicherweise zwischen 1kV AC und 3kV DC liegt, benötigen elektrische Verbraucher im Schienenfahrzeug beispielsweise Gleichspannungen zwischen 24V und 120V, Wechselspannungen von 230V und Drehspannungen von 400V mit teilweise variabler Frequenz. Das zugeigene Energieversorgungssystem des Schienenfahrzeugs stellt dabei eine Angleichung zwischen den unterschiedlichen Spannungen der Zugsammelschiene und den Anforderungen der elektrischen Verbraucher bezüglich Spannung und Frequenz her. In der Regel ist dieses System modular aufgebaut und deren Komponenten in mehreren Behältern bzw. Containern unterhalb des Wagenbodens der Wagen des Schienenfahrzeugs angeordnet. Bei Triebzügen können diese Komponenten auch über mehrere Wagen verteilt angeordnet sein.
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Beim elektrischen Triebzug ICE 3 der Deutschen Bahn AG ist die Energieversorgungssystem beispielsweise über den Zug verteilt angeordnet. Dabei sind die jeweils vier Wagen einer Traktionseinheit über eine Zugsammelschiene mit 670V DC elektrisch miteinander verbunden. Bei einem Betrieb des Triebzugs in Deutschland wird die Gleichspannung der Zugsammelschiene aus den 15kV, 16 2/3 Hz, der Oberleitung über Wicklungen des Haupttransformators und Umrichtern generiert. Aus der Zugsammelschiene wird wiederum ein Drehstromsystem mit maximal 480V, 60 Hz, mittels Drehwechselrichtern generiert. Spannungsumrichter der Klimaanlage und Hauptheizung sind wagenweise direkt an der Zugsammelschiene angeschlossen. In einem der Wagen, beispielsweise dem Endwagen, ist zudem eine zentrale Bordnetzversorgung mit Gleichstrom untergebracht. Das Bordnetz versorgt elektrische Hilfsbetriebe wie beispielsweise Lüfter und Pumpen, Komfortverbraucher wie Klimaanlage und Heizung, sowie weitere Verbraucher, wie sie beispielsweise für das Bordbistro benötigt werden.
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Teil des Bordnetzes ist ebenfalls eine sich über den gesamten Triebzug erstreckende Batteriesammelschiene mit 110V DC, über welche beispielsweise die Wagenbeleuchtung, Steuergeräte für Antrieb, Bremse, Klimatisierung, Türen und Fahrgastinformation, Steckdosen im Fahrgastbereich sowie Batterieladegeräte zum Laden von Batteriesätzen versorgt werden. Die für diese Endverbraucher erforderlichen Spannungen werden dabei mittels so genannter Hilfsbetriebeumrichter aus der niedervoltigen Spannung der Batteriesammelschiene generiert.
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Die elektrischen Verbraucher eines Wagens sowie die elektrischen Versorgungsleitungen sind in der Regel jeweils über thermomagnetische Leitungsschalter bzw. Motorschutzschalter gegen Überlast und Kurzschluss in den Stromkreisen abgesichert. Hierbei werden Schutzschalter sowohl für den Leitungsschutz als auch für den Geräteschutz eingesetzt. Die Leitungs- bzw. Motorschutzschalter sind üblicherweise Teil einer im Innenraum des Wagens angeordneten zentralen Schalt- bzw. Bedientafel, auch E-Tafel genannt, eines Schaltschranks und können über diese manuell bedient werden.
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Neben Leitungs- und Motorschutzschaltern, die eine Schutzfunktion für die Leitungen und Verbraucher darstellen, werden separate Schaltkomponenten wie Schaltschütze oder Relais eingesetzt, welche eine Schaltfunktion realisieren und beispielsweise der Steuerung bzw. dem Schalten der Verbraucher dienen. Die Schaltschütze und Relais sind dabei üblicherweise in dem zentralen Schaltschrank des Wagens oder auch in einem getrennt, beispielsweise unterflur angeordneten so genannten Schaltcontainer untergebracht.
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In einem Stromkreis zwischen Energiequelle und Verbraucher sind somit bis zu drei Schalter in Serie geschaltet, je einer für den Leitungs- und Geräteschutz sowie einer für das Ein- und Ausschalten der Energieversorgung.
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Aus der
Europäischen Patentanmeldung Nr. 12798242.9 , veröffentlicht als
EP 2 755 844 A2 , ist ein Schienenfahrzeug mit einer elektrischen Versorgungseinrichtung bekannt. Hierbei werden elektrische Verbraucher einer Wageneinheit des Schienenfahrzeugs über eine Sammelschiene, eine Hauptsicherung, eine im Innenraum der Wageneinheit angeordnete Verteilereinrichtung mit Leitungsschutzschaltern, sowie Schaltgeräte, die in einen im Unterflurbereich der Wageneinheit angebrachten Gerätecontainer angeordnet sind, mit elektrischer Energie versorgt.
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Die Funktion bzw. der Status der Leitungs- und Motorschutzschalter wird überwacht und dem Zugführer im Führerstand des Zuges in geeigneter Weise mitgeteilt bzw. angezeigt. Komponenten für die Überwachung sind wiederum ebenfalls in dem zentralen Schaltschrank des Wagens oder in einem separaten Einbauraum angeordnet. Kommt es zu einem Auslösen eines Leitungsschalters und somit zu einer Unterbrechung der Energieversorgung eines Verbrauchers in einem Wagen, so wird dies dem Zugführer angezeigt. Da Leitungs- und Motorschutzschalter keine selbsttägige Rückstellung besitzen, ist es in einem solchen Fall erforderlich, dass der Zugführer beispielsweise bei einem nächsten Halt des Zugs, wenn der Zugführer den Führerstand verlassen kann, und nach Ermitteln des Grunds für das Auslösen den entsprechenden Leitungsschalter manuell bedient und damit die Energieversorgung des Verbrauchers wieder herstellt. Dies führt dazu, dass die Funktion eines Verbrauchers unter Umständen erst nach einem relativ langen Zeitraum wieder hergestellt werden kann, welches beispielsweise bei einer Unterbrechung der Versorgung von Klimatisierungsgeräten für den Fahrgastraum nachteilig zu einer Beeinträchtigung des Wohlbefindens der Fahrgäste führen kann.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung anzugeben, die eine einfache Behebung von Störungen aufgrund eines Auslösens von Leitungs- oder Motorschutzschaltern ermöglicht. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in abhängigen Patenansprüchen angegeben.
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Gemäß einer ersten erfindungsgemäßen Ausgestaltung weist eine Vorrichtung für ein Schienenfahrzeug zumindest eine elektrische Energiequelle und zumindest einen elektrischen Verbraucher, welche mittels zumindest einer Leitung elektrisch miteinander verbunden sind, sowie zumindest eine elektronische Schalt- und Schutzeinrichtung für eine Schutz- und Schaltfunktion des zumindest einen Verbrauchers auf.
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Gemäß einer Weiterbildung der Vorrichtung ist die elektronische Schalt- und Schutzeinrichtung als ein Halbleiterschutzschalter, insbesondere als ein Solid State Power Controller, ausgestaltet.
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Gemäß einer weiteren Weiterbildung der Vorrichtung ist die elektronische Schalt- und Schutzeinrichtung derart ausgestaltet, dass sie einen Schutz des zumindest einen Verbrauchers und/oder der zumindest einen Leitung vor Überlast und/oder Kurzschluss verwirklicht.
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Gemäß einer weiteren Weiterbildung der Vorrichtung ist die elektronische Schalt- und Schutzeinrichtung ferner zur Ausführung einer Überwachungsfunktion ausgestaltet.
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Gemäß einer weiteren Weiterbildung der Vorrichtung ist die zumindest eine Leitung als eine Versorgungsleitung ausgestaltet.
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Gemäß einer zweiten erfindungsgemäßen Ausgestaltung weist ein Schienenfahrzeug zumindest eine Vorrichtung gemäß der ersten Ausgestaltung auf.
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Gemäß einer Weiterbildung des Schienenfahrzeugs weist dieses eine Mehrzahl Wagen für einen Personentransport auf.
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Gemäß einer weiteren Weiterbildung des Schienenfahrzeugs weist dieses eine Sammelschiene zur Übertragung elektrischer Energie von der Energiequelle zu Verbrauchern in den mehreren Wagen auf.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren erläutert. Dabei zeigen
- 1 eine schematische Darstellung eines Schienenfahrzeugs mit elektrischer Ausrüstung zum Schützen und Schalten nach dem Stand der Technik,
- 2a, 2b schematische Darstellungen der Komponenten zum Schützen und Schalten nach dem Stand der Technik sowie gemäß der Erfindung, und
- 3 eine schematische Darstellung des Schienenfahrzeugs nach 1 mit Komponenten gemäß der Erfindung.
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Die 1 zeigt schematisch eine Seitenansicht eines Wagens 2 eines Schienenfahrzeugs als beispielhafte Einheit eines Triebzugs oder eines lokbespannter Verbands von Reisezugwagen. Der Wagen 2 weist einen Wagenkasten 4 auf, welcher mittels Fahrwerken, insbesondere Drehgestellen 6, auf Schienen 8 abgestützt ist. Der Wagen 2 weist ferner einen Innenraum 10 auf, welcher vom Wagenkasten 4 umschlossen ist und mit einer nicht dargestellten Sitzanordnung oder sonstigen Einrichtungen für den Aufenthalt von Fahrgästen ausgestattet ist. Unterhalb des Wagenkastens 4 befindet sich der so genannte Unterflurbereich 12 mit einer Anzahl von Gerätecontainern 14, in denen für den Betrieb des Fahrzeugs erforderliche Komponenten untergebracht sind.
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Im Innenraum 10 des Wagenkastens 4 sind ebenfalls Komponenten angeordnet, wobei diese sowohl Funktionskomponenten zur Realisierung bestimmter Funktionen als auch Steuerkomponenten zur Steuerung der Funktionskomponenten bzw. zur Koordinierung der mit den Funktionen verbundenen Aufgaben umfassen können. Die Komponenten können dabei insbesondere in einem oder mehreren speziellen Geräte- oder Schaltschränken untergebracht sein. Im Beispiel der 1 wird angenommen, dass sämtliche Steuerkomponenten in einem zentralen Schaltschrank 16 angeordnet sind, während die Funktionskomponenten, nachfolgend vereinfacht als elektrische Verbraucher 18 betrachtet, an verschiedenen Orten sowohl innerhalb des Wagenkastens 4 als auch in einem Gerätecontainer unterflur angeordnet sind. Eine Vernetzung der Funktionskomponenten und Steuerkomponenten erfolgt beispielsweise mittels nicht dargestellter Steuerleitungen und wird hier nicht näher betrachtet. Der zentrale Schaltschrank 16 weist eine Schalt- bzw. Bedientafel auf, welche es Bedien- und Wartungspersonal ermöglicht, Funktionen zu steuern und deren jeweiligen Status anzuzeigen.
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Die Versorgung der Verbraucher
18 mit elektrischer Energie erfolgt beispielhaft über die oben genannte zugweite niedervoltige Batteriesammelschiene, welche nicht gesondert in der
1 dargestellt ist. Die Batteriesammelschiene wird über eine ebenfalls nicht dargestellte zentrale Schutzeinrichtung in Form einer Hauptsicherung mit Anschlüssen in dem zentralen Schaltschrank
16 im Innenraum
10 des Wagenkastens
4 verbunden. Dies kann beispielsweise entsprechend der Vorrichtung in der eingangs genannten
Europäischen Patentanmeldung Nr. 12798242.9 , veröffentlicht als
EP 2 755 844 A2 , verwirklicht sein. Der Schaltschrank
16 wirkt somit als ein Verteiler der gespeisten elektrischen Energie und die Hauptsicherung ermöglicht eine vollständige Trennung aller von der Batteriesammelschiene gespeisten elektrischen Verbraucher
18 in und an dem Wagen
2. Sofern erforderlich wird die Spannung der Batteriesammelschiene auf die erforderlichen Spannungen und Frequenzen der Verbraucher
18 mittels nicht dargestellter Hilfsbetriebeumrichter generiert, welche beispielsweise in einem der dargestellten Gerätecontainer
14 im Unterflurbereich
12 des Wagens
2 angeordnet sind.
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In dem zentralen Schaltschrank 16 der 1 ist ferner eine Mehrzahl Schutzeinrichtungen 20, beispielsweise thermomagnetische Leitungsschalter und Motorschutzschalter, angeordnet, die über die Schalt- bzw. Bedientafel des Schaltschranks 16 manuell bedient werden können. Diese dienen einem Schutz der Stromkreise bzw. Leitungen 24, 26 sowie der Verbraucher 18 in dem Wagen 2 vor Überstrom und Kurzschluss. Beispielsweise ist hierbei für jeden Verbraucher 18 des Wagens 2 eine Schutzeinrichtung 20 vorgesehen, wobei bei mehreren Verbrauchern eines Typs bzw. einer Funktion auch nur eine Schutzeinrichtung für die mehreren Verbraucher vorgesehen werden kann. Ist sowohl ein Leitungsschutz als auch ein Geräteschutz verwirklicht, so sind entsprechend für jeden Verbraucher bzw. für jeden Verbrauchertyp oder Funktionstyp zwei derartige Schutzeinrichtungen 20 vorzusehen, wobei in der Regel die Schutzeinrichtung für den Leitungsschutz näher an der Energiequelle und die Schutzeinrichtung für den Geräteschutz näher an dem Verbraucher angeordnet ist. Die Funktion der Schutzeinrichtungen 20 wird üblicherweise überwacht und beispielsweise ein Auslösen eines Leitungsschalters aufgrund beispielsweise eines Kurzschlusses erkannt und dem Fahrzeugführer mitgeteilt, damit dieser entsprechende Schritte zur Behebung des Kurzschlusses einleiten kann. Komponenten für die Überwachung der Funktion der Schutzeinrichtungen 20 sind beispielsweise ebenfalls in dem Schaltschrank 16 oder getrennt von diesem angeordnet.
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In dem linken der beiden in 1 dargestellten Gerätecontainer 14 im Unterflurbereich 12 des Wagens 2 ist zudem eine Mehrzahl Schaltgeräte 22 angeordnet. Dieser Gerätecontainer 14 kann entsprechend auch als Schaltgerätecontainer bezeichnet werden. Die Schaltgeräte 22 dienen einem Ein- und Ausschalten der jeweiligen Verbraucher bzw. Mehrzahl Verbraucher eines Typs, wobei der Schaltvorgang beispielsweise durch Steuerkomponenten in dem zentralen Schaltschrank 16 gesteuert wird. Die Anzahl Schaltgeräte 22 richtet sich nach der Anzahl Verbraucher bzw. dem Verbrauchertyp, wobei bestimmte Verbraucher beispielsweise permanent, d.h. ohne Möglichkeit des Ein- und Ausschaltens durch ein Schaltgerät, mit Energie versorgt werden können. In der 1 sind beispielhaft vier Schaltgeräte 22 dargestellt, die jeweils einem der vier Verbraucher 18 des Wagens 2 zugeordnet sind.
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Ausgehend von der vorstehenden Beschreibung ist der Stromkreis der Stromversorgung eines der in 1 beispielhaft angegebenen Verbraucher 18 derart gestaltet, dass Energie von der Batteriesammelschiene über eine Hauptsicherung und mittels Leitungen zu dem Schaltschrank 16 geführt wird, in dem Schaltschrank 16 mittels Leitungen oder beispielsweise einer Sammelschiene zu einer oder mehreren ersten Schutzeinrichtungen 20 in Form von Leitungsschutzschaltern geführt wird, von diesen Leitungsschutzschaltern mittels Leitungen 24 zu einem Schaltgerät 22 in dem unterflur angeordneten Schaltcontainer 14 geführt wird, von diesem Schaltgerät 22 mittels Leitungen 24 wieder zurück zu einer oder mehreren zweiten Schutzeinrichtungen 20 in Form von Geräteschutzschaltern in dem Schaltschrank 16 geführt wird, und schließlich mittels weiterer Leitungen 26 zu dem speziellen Verbraucher 18 geführt wird.
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Die Verbindungen bzw. Leitungen zwischen Anschlüssen des Schaltschranks 16, des Verbrauchers 18 sowie der Schutz- und Schalteinrichtungen können ein-, zwei- oder auch dreipolig ausgeführt sein. Dies hängt von dem Typ des jeweiligen Verbrauchers bzw. der erforderlichen elektrischen Versorgung sowie der Tatsache ab, ob der Verbraucher geerdet ist oder nicht. Die Verbindungen bzw. Leitungen in 1 sind nur beispielhaft angegeben, natürlich kann beispielsweise für die Verbindung zwischen Schaltschrank 16 und Schaltcontainer 14 anstelle der gezeigten gesonderter Leitungen ein einziges Kabel bzw. ein Kabel für jede Stromrichtung mit der erforderlichen Anzahl Leitungen verwendet werden. Steuerleitungen beispielsweise zur Steuerung des Schaltgerätes 22 oder des Verbrauchers 18 selbst sind in der 1 nicht dargestellt.
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Wie aus der vorstehenden Beschreibung im Zusammenhang mit der 1 deutlich wird, ist für die elektrische Versorgung und Absicherung eines Verbrauchers eine Vielzahl Leitungen sowie Komponenten erforderlich. Insbesondere die Vielzahl Komponenten in dem zentralen Schaltschrank 16 beansprucht dabei Raum im Innenraum 10 des Wagens 2, der Fahrgästen nicht zur Verfügung gestellt werden kann und damit die Fahrgastkapazität des Zugs nachteilig begrenzt.
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In der 2a ist der vorstehend zu 1 beschriebene Stromkreis für einen speziellen Verbraucher 18 nochmals vereinfacht schematisch dargestellt. Von einer Energiequelle 28 wird elektrische Energie über Leitungen zu einer ersten Schutzeinrichtung 20.1 für einen Leitungsschutz geführt, von dieser ersten Schutzeinrichtung 20.1 über Leitungen 24 zu einer Schalteinrichtung 22 für ein Ein- und Ausschalten des Verbrauchers 18 bzw. ein gesteuertes Versorgen des Verbrauchers 18 mit elektrischer Energie, von der Schalteinrichtung 22 über Leitungen 24 zu einer zweiten Schutzeinrichtung 20.2 für einen Geräteschutz, und schließlich von der zweiten Schutzeinrichtung 20.2 über Leitungen 26 zu dem Verbraucher 18 bzw. dem mit Energie zu versorgenden elektrischen Gerät. Gegebenenfalls kann von dem zusätzlichen Geräteschutz, d.h. dem Einsatz der zweiten Schutzeinrichtung, abgesehen werden. In diesem Fall werden Leitungen direkt von der Schalteinrichtung 22 zu dem Verbraucher 18 geführt. Die Anzahl erforderlicher Leitungen und Schutzelemente bzw. Schaltelemente zwischen der Energiequelle 28 und dem Verbraucher 18 ist dabei abhängig von Art der Stromversorgung, d.h. ob Gleich-, Wechsel- oder Drehstrom übertragen wird und ob Energiequelle 28 und Verbraucher 18 geerdet sind. Bei geerdeter Energiequelle und Verbraucher und Gleich- bzw. Wechselstrom ist beispielsweise nur eine einzige Leitung bzw. eine einzige Schutz- und Schalteinrichtung erforderlich, während beispielsweise bei Drehstrom (Dreiphasenwechselstrom) für alle drei Phasen Leitungen, Schutz- und Schalteinrichtungen vorgesehen werden müssen.
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Der erfindungsgemäße Einsatz einer elektronischen Schalt- und Schutzeinrichtung in dem beispielhaften Stromkreis der 2a ist beispielhaft in 2b dargestellt. In diesem Stromkreis werden sowohl die erste 20.1 und zweite Schutzeinrichtung 20.1 als auch die Schalteinrichtung 22 durch die elektronische Schalt- und Schutzeinrichtung 30 ersetzt. Alternativ kann die elektronische Schalt- und Schutzeinrichtung 30 auch nur eine der beiden in 2a dargestellten Schutzeinrichtungen ersetzten, beispielsweise wenn ein Einsatz der zweiten, für den Geräteschutz verwendeten Schutzeinrichtung 20.2 nicht erforderlich ist oder diese trotzdem als gesonderte Schutzeinrichtung vorgesehen ist.
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Vorteilhaft können elektronische Schalt- und Schutzeinrichtungen, beispielsweise in Form eines so genannten Halbleiterschutzschalters bzw. Solid State Power Controllers (SSPC), entsprechend der Funktion bekannter und aktuell eingesetzter thermomagnetischer Leitungsschutzschalter Stromkreise bei Überlast und Kurzschluss selbsttätig abschalten. Eine kontinuierliche Messung von Strom und Spannung in einem Stromkreis durch die Einrichtung ermöglicht dabei das Erkennen einer Überlast oder eines Kurzschlusses und ein Trennen des Stromkreises aufgrund dieses Erkennens, um entsprechend einem Geräteschutz eventuell resultierenden Schaden an einem versorgten Verbraucher zu vermeiden. Das Schalten sowie die Steuerung des Schaltens erfolgt dabei mittels Halbleiterbauelementen. Die Einrichtung besitzt somit sowohl eine schaltende als auch eine absichernde Funktion, wobei diese Funktionen über eine in der Regel vorhandene Kommunikationsschnittstelle ferngesteuert werden können. Diese beiden Funktionen werden zudem in einer Baueinheit verwirklicht, wodurch gegenüber einer vorstehend beschriebenen Anordnung von getrennten und vergleichsweise voluminösen Schutz- und Schalteinrichtungen erforderlicher Bauraum für die Unterbringung dieser Einrichtungen vorteilhaft verringert werden kann. Neben diesen beiden Funktionen kann zudem auch die Funktion der Überwachung in der Einrichtung verwirklicht werden. Mittels vorhandener Sensoren und die Kommunikationsschnittstelle können Informationen über den jeweiligen Status der einzelnen Funktionen beispielsweise einer zentralen Instanz des Fahrzeugs kommuniziert und dort ausgewertet werden. Somit sind auch keine, zusätzlichen Bauraum beanspruchende Komponenten für die Funktionsüberwachung erforderlich.
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Weiterhin kann der Einbau der elektronischen Schalt- und Schutzeinrichtungen flexibler gestaltet werden, da eine Steuerung über die Kommunikationsschnittstelle möglich und kein manueller Eingriff erforderlich ist. Die Einrichtungen können somit auch in Bauräumen des Wagens angeordnet werden, die nicht oder nur schwer für Wartungs- und Bedienpersonal zugänglich sind, und müssen nicht in beispielsweise einem zentralen Schaltschrank angeordnet werden, um über eine Schalttafel dieses Schaltschranks vom Personal bedient werden zu können.
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Ein Beispiel für die flexible und bauraumsparende Anordnung von elektronischen Schalt- und Schutzeinrichtungen ist in der 3 dargestellt. Dieses Beispiel basiert auf dem Beispiel der vorstehend beschriebenen 1. Wiederum sind in bzw. unter dem Wagenkasten 4 des Wagens 2 beispielhaft vier Verbraucher 18 an verschiedenen Orten angeordnet. Weiterhin sind in und unter dem Wagenkasten 4 beispielhaft zwei Gerätecontainer 14 angeordnet, in denen jeweils eine Anzahl elektronischer Schalt- und Schutzeinrichtungen 30 für die Verbraucher 18 angeordnet ist. Die elektronischen Schalt- und Schutzeinrichtungen 30 können dabei beispielsweise Teil eines Standard- 19"-Einschubgehäuses bzw. einer 19"-Baugruppe sein, welche in einem Gerätecontainer 14 montiert sind. Ferner sind die elektronischen Schalt- und Schutzeinrichtungen 30 über Leitungen 32 mit den jeweils versorgten Verbrauchern 18 verbunden.
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Wie aus der 3 ersichtlich ist, können durch die Zusammenfassung der Funktionen des Schützens und Schaltens sowie durch die Möglichkeit des Fernsteuerns dieser Funktionen die elektronischen Schalt- und Schutzeinrichtungen 30 vorteilhaft einerseits flexibel positioniert werden. Aufgrund hoher Anforderungen an den Leitungsschutz ist eine Anordnung in relativer Nähe der Energiequelle dabei vorteilhaft, andererseits können die Einrichtungen 30 in gleicher Weise nahe der elektrischen Verbraucher 18 angeordnet werden. In jedem Fall kann durch die flexible Positionierbarkeit einerseits vorhandener Bauraum, beispielsweise im Unterflurbereich 12 oder Deckenbereich des Wagens 2 bzw. Wagenkastens 4, genutzt werden, andererseits hierdurch freiwerdender Raum im Inneren des Wagenkastens Fahrgästen zur Verfügung gestellt werden. Ferner kann durch eine geeignete Positionierung der Einrichtungen 30 nahe der Energiequelle bzw. nahe den Verbrauchern 18 die Länge erforderlicher Leitungen zwischen den Containern 14 und den Verbrauchern 18 vorteilhaft optimiert werden.
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Ein zentraler Schaltschrank, wie er bezüglich der 1 beschrieben wird, ist in der 3 nicht speziell dargestellt, obwohl ein solcher Schaltschrank mit einer Schalttafel beispielsweise für andere Funktionen weiterhin in dem Wagen 2 vorgesehen sein kann. Sofern ein Schaltschrank im Innenraum des Wagenkastens vorgesehen ist, können alternativ zu der dargestellten Anordnung in Gerätecontainern 14 in gleicher Weise elektronische Schalt- und Schutzeinrichtungen 30 in diesem Schaltschrank angeordnet werden.
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Es sind außerdem, entsprechend dem Beispiel der 1, keine Leitungen für die Speisung der Gerätecontainer 14 bzw. der Schalt- und Schutzeinrichtungen 30 mit elektrischer Energie sowie für die Steuerung dieser Einrichtungen 14 und der Verbraucher 18 in der 3 dargestellt. Wie bezüglich der 1 beschrieben, sind solche Leitungen in bekannter Weise in dem Wagen anzuordnen.
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Vorteilhaft verwirklichen die genannten Halbleiterschutzschalter bzw. Solid State Power Controller (SSPC) somit Funktionen mehrerer derzeit in Schienenfahrzeugen eingesetzter Komponenten für den Schutz, das Schalten und das Überwachen von Stromkreisen zur Versorgung von Verbrauchern mit elektrischer Energie. Die Hauptfunktion einer SSPC-Baugruppe ist eine Vereinigung der Funktionen Leistungsverteilung sowie Schützen und Schalten in einer Baugruppe. Dabei werden zum Schalten von Lasten elektronische Schalter, beispielsweise Transistoren, anstelle von elektromechanischen Komponenten eingesetzt, welche verschleißfrei arbeiten und damit eine höhere Lebensdauer der Baugruppe gegenüber bekannten mechanischen Schützen und Relais bei gleichzeitig geringerer Verlustleitung ermöglichen. Weiterhin verwirklicht der SSPC einen i2t-Schutz des Verbrauchers mittels einer Strom- und Spannungserfassung sowie eines Mikrocontroller. Eine Auslösekennlinie kann dabei programmiert und damit frei definiert werden, wodurch vorteilhaft eine individuelle Anpassung an spezifische Situationen ermöglicht wird. Durch die vorhandene Sensorik wird außerdem ermöglicht, dass eine Situation, die zu einem Auslösen führte, in dem Controller erfasst wird und Informationen hierzu, beispielsweise bezüglich der Last und des Status der Einrichtung, einer zentralen Überwachungseinrichtung kommuniziert und von dieser ausgewertet werden kann. Auch kann hierdurch beispielsweise ein Erdschluss oder Isolationsfehler ermittelt werden, wenn das Vorhandensein eines elektrischen Störlichtbogens von der Sensorik erkannt wird.
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Verschiedene Typen von Solid State Power Controllern (SSPC) sind bekannt, wobei diese zum Schalten von Gleichstrom (AC Controller), Wechselstrom (DC Controller) oder auch beiden Stromarten (AC/DC Controller) ausgestaltet sein können. Sie sind somit flexibel und für alle bekannten in Schienenfahrzeugen verwendeten elektrischen Komponenten einsetzbar.
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Zusammenfassend wird nochmals hervorgehoben, dass die Verwendung von elektronischen Schalt- und Schutzeinrichtungen in einem Schienenfahrzeug vorteilhaft ermöglicht, den bisher erforderlichen Bauraum für die Anordnung von Leitungs- und Motorschutzschaltern, Schaltschützen und Relais, sowie von Überwachungskomponenten zu verringern. Insbesondere der Ersatz von vergleichsweise großvolumigen Schaltschützen und Relais durch elektronische Baugruppen und der damit verbundene Gewinn an Bauraum ermöglicht vorteilhaft eine Vergrößerung des Raums für die Unterbringung von Fahrgästen im Innenraum eines Wagens und damit einer Erhöhung der Fahrgastkapazität. Zudem erlaubt der Einsatz von elektronischen Schalt- und Schutzeinrichtungen anstelle von Leitungs- und Motorschutzschaltern, dass diese nicht an dem Ort einer Schalt- bzw. Bedientafel angeordnet werden müssen, sondern vergleichsweise flexibel im Innenraum oder auch außerhalb des Wagenkastens angeordnet werden können, wodurch wiederum Raum für Fahrgäste geschaffen werden kann. Vorteilhaft wird durch das Zusammenfassen der verschiedenen Funktionen in einem Gerät zudem der Aufwand für die elektrische Verbindung der zuvor getrennt angeordneten Komponenten miteinander deutlich verringert, wodurch sowohl Kosten als auch wiederum für diese Verbindungen vorzusehender Raum verringert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 12798242 [0011, 0025]
- EP 2755844 A2 [0011, 0025]
