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Die Erfindung betrifft eine Energieversorgungsvorrichtung zur Energieversorgung eines Verbrauchers, insbesondere einer Erfassungseinheit zur Überwachung von Schienenfahrzeugen, insbesondere zur Überwachung von Betriebseinheiten, wobei die Energieversorgungsvorrichtung zur Erzeugung einer Versorgungsspannung des Verbrauchers aus Strömungskraft, insbesondere Fahrtwindkraft, konfiguriert ist, und eine Turbine, die die innere Energie eines strömenden Fluids in mechanische Rotationsenergie wandelt, und ein Generator, der die Rotationsenergie in elektrische Energie wandelt, umfasst ist, wobei weiter eine Übertragungselektronik, die den Verbraucher elektrisch leitend mit dem Generator verbindet, umfasst ist, und die Übertragungselektronik zwischen Generator und Verbraucher angeordnet ist, und der Generator und die Turbine derart ausgebildet und angeordnet sind, dass der Generator eine Ausgangsspannung erzeugt, wobei die Übertragungselektronik derart ausgebildet ist, dass die Übertragungselektronik aus der Ausgangsspannung des Generators die Versorgungsspannung des Verbrauchers erzeugt. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Überwachungssystem mit einer Energieversorgungsvorrichtung und ein Verfahren zur Energieversorgung eines Verbrauchers zur Überwachung eines Schienenfahrzeugs, insbesondere zur Überwachung einer Betriebseinheit eines Schienenfahrzeugs.
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Prinzipiell sind Vorrichtungen und Verfahren zur Energieversorgung von Verbrauchern an Schienenfahrzeugen und zur Überwachung von Schienenfahrzeugen bzw. deren Betriebseinheiten bekannt. Bei den bekannten Vorrichtungen und Verfahren wird beispielsweise mittels eines Sensors, der unmittelbar am Schienenfahrzeug bzw. einer Betriebseinheit angebracht ist, ein Zustand der Betriebseinheit überwacht bzw. ein Messwert und/oder Daten ermittelt. So kann beispielsweise innerhalb eines Schleifstücks bzw. einer Schleifleiste eines Dachstromabnehmers eine mit Druckluft beaufschlagte Leitung angeordnet sein, wobei bei einem Bruch oder vollständigen Verschleiß des Schleifstücks die Druckluft aus der Leitung entweicht und ein Absenken des Schleifstücks von einem Fahrdraht bewirkt wird. Alternativ können auch mittels eines entsprechend verbauten Sensors eine Andruckkraft des Schleifstücks an dem Fahrdraht, eine Windgeschwindigkeit oder andere Umgebungs- und Betriebsparameter gemessen und zur Regelung einer Betätigung des Dachstromabnehmers oder einer anderen Betriebseinheit des Schienenfahrzeugs genutzt werden.
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Zur Überwachung der Betriebseinheiten können zahlreiche Sensoren zum Einsatz kommen, deren Stromversorgung entweder kabelgebunden oder kabellos erfolgen kann. Eine kabelgebundene Stromversorgung, die den Strom direkt aus einem Stromnetz bezieht, ist meist mit hohen Materialkosten und einem hohen Verkabelungsaufwand verbunden oder scheidet aufgrund der Anforderungen an die Stromversorgung aus. Beispielsweise bei mobilen Anwendungen, wie dem Einsatz einer Erfassungseinheit mit Sensoren in oder an Verkehrsmitteln, wie Zügen, Automobilen oder Flugzeugen, wird oftmals eine autarke oder kabellose oder netzunabhängige Stromversorgung der kabelgebundenen Stromversorgung aufgrund der Anforderungen vorgezogen. Bekannte Erfassungseinheiten mit Sensorsystemen, die eine kabellose Stromversorgung aufweisen, also nicht direkt an ein Stromnetz angeschlossen sind, werden üblicherweise einzig über Batterien oder Akkumulatoren mit elektrischer Energie versorgt. Dies hat jedoch den Nachteil, dass die Batterie ersetzt oder der Akkumulator regelmäßig aufgeladen werden muss, und somit ein erhöhter Wartungsaufwand an der Erfassungseinheit erforderlich ist. Daneben können äußere Einflüsse die Lebensdauer der Batterien oder Akkumulatoren stark beeinträchtigen. Beispielsweise können Temperaturschwankungen zu einer schnelleren Entladung führen oder je nach Jahreszeit und/oder klimatischen Bedingungen, insbesondere bei Kälte, kürzere Wartungsintervalle notwendig werden. Dies ist, insbesondere wenn die Erfassungseinheit sowie die Energieversorgungseinheit nur schwer zugänglich sind, mit erhöhtem Aufwand verbunden und daher unerwünscht.
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Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Energieversorgungsvorrichtung und ein Verfahren zur lokalen Spannungserzeugung und Energieversorgung eines an einem Schienenfahrzeug angeordneten Verbrauchers vorzuschlagen, die keine Batterie, keinen Akkumulator und keine aufwendige Kabelverbindung zur Energieversorgung erfordert.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Energieversorgungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Die erfindungsgemäße Energieversorgungsvorrichtung zur Energieversorgung eines Verbrauchers, ist zur Erzeugung einer Versorgungsspannung des Verbrauchers aus Strömungskraft, insbesondere Fahrtwindkraft, konfiguriert, und weist eine Turbine und einen Generator auf, wobei die Turbine die innere Energie eines strömenden Fluids in mechanische Rotationsenergie wandelt, und der Generator die Rotationsenergie in elektrische Energie wandelt. Der Generator und die Turbine sind derart ausgebildet und angeordnet, dass der Generator eine Ausgangsspannung erzeugt. Weiter ist eine Übertragungselektronik umfasst, die den Verbraucher elektrisch leitend mit dem Generator verbindet und zwischen Generator und Verbraucher angeordnet ist. Die Übertragungselektronik ist derart ausgebildet, dass die Übertragungselektronik aus der Ausgangsspannung des Generators die Versorgungsspannung des Verbrauchers erzeugt.
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Bevorzugt ist der Verbraucher als Erfassungseinheit zur Überwachung von Schienenfahrzeugen, insbesondere zur Überwachung einer Betriebseinheit eines Schienenfahrzeugs, ausgebildet.
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Bei Schienenfahrzeugen kann die Kraft eines strömenden Fluids, insbesondere der Fahrtwind, genutzt werden, um über eine Turbine und einen Generator eine elektrische Spannung zu erzeugen und für die Energieversorgung eines Verbrauchers oder eines Überwachungssystems nutzbar zu machen.
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Im Rahmen der Erfindung betrifft der Begriff „strömendes Fluid“ strömende Gase und Dämpfe sowie Flüssigkeiten. Bevorzugt ist der Fahrtwind erzeugt durch die Bewegung eines Fahrzeugs, insbesondere eines Schienenfahrzeugs, im Rahmen der Erfindung ein strömendes Fluid.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Energieversorgung eines an einem Schienenfahrzeug angeordneten Verbrauchers, bevorzugt einer Erfassungseinheit zur Überwachung von Schienenfahrzeugen, insbesondere zur Überwachung von Betriebseinheiten, ist zur Erzeugung einer Versorgungsspannung des Verbrauchers aus Strömungskraft, insbesondere Fahrtwindkraft, konfiguriert.
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Die Energieversorgungsvorrichtung umfasst zur Energieversorgung des Verbrauchers eine Übertragungselektronik und eine Turbine sowie einen Generator. Die Übertragungselektronik ist zwischen Generator und Verbraucher geschaltet. Aus der über Turbine und Generator erzeugten Spannung wird mittels der Übertragungselektronik die Versorgungsspannung des Verbrauchers erzeugt. Dadurch kann eine Möglichkeit zur lokalen Spannungserzeugung und Versorgung des Verbrauchers, d.h. in unmittelbarer Nähe zum Verbraucher, bereitgestellt werden.
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Die Turbine ist bevorzugt in einem als Venturi-Düse ausgebildeten Gehäuse angeordnet. Die Turbine umfasst bevorzugt mehrere an einer Welle angeordnete Schaufelräder. Es kann vorteilhafterweise eine generative Nutzung einer als Lüfter ausgebildeten Turbine erfolgen.
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Das Gehäuse kann eine Längserstreckung entlang der Fahrtrichtung aufweisen bzw. ist derart am Schienenfahrzeug angeordnet, dass die Längserstreckung des Gehäuses in Fahrtrichtung orientiert ist.
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Im Rahmen der Erfindung kann der Verbraucher als Erfassungseinheit ausgebildet sein und die Erfassungseinheit eine an der jeweiligen Betriebseinheit oder dem Schienenfahrzeug ortsfest angeordnete Sensorvorrichtung aufweisen. Die Sensorvorrichtung kann dann beispielsweise einen Sensor umfassen, mit dem beispielsweise eine Funktion der betreffenden Betriebseinheit und eine Betriebsdauer ermittelbar sind. Umfasst die Erfassungseinheit weiter eine Übermittlungsvorrichtung, kann diese Datensätze an eine übergeordnete Einheit übermitteln, wie beispielsweise die Bezeichnungen der Betriebseinheit oder die mit dem Sensor ermittelten Werte.
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Im Rahmen der Erfindung kann es sich bei Betriebseinheiten um Stromabnehmer, Erdungskontakte, Schmiervorrichtungen, Schleifstücke, Schleifvorrichtungen, Kontaktbürsten, Erdungsbürsten oder dergleichen handeln.
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Im Rahmen der Erfindung kann ein Stromabnehmer als Dachstromabnehmer, Dachladestromabnehmer, invertierter Dachladestromabnehmer, Unterboden-Stromabnehmer oder Dritte-Schiene-Stromabnehmer ausgebildet sein.
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Mit der erfindungsgemäßen Energieversorgungsvorrichtung kann auch eine Mehrzahl von Verbrauchern mit Energie versorgt werden. Somit können mit der erfindungsgemäßen Energieversorgungsvorrichtung auch mehrere Erfassungseinheiten, die Daten an unterschiedlichen Stellen eines Schienenfahrzeugs erfassen, mit der erfindungsgemäßen Energieversorgungsvorrichtung mit Energie versorgt werden und somit ohne Batterie oder Akkumulator betrieben werden.
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Die Übertragungselektronik ist derart ausgebildet, dass die Übertragungselektronik aus der Ausgangsspannung des Generators die Versorgungsspannung des Verbrauchers erzeugt. Somit ist es durch die erfindungsgemäße Übertragungselektronik möglich, die Ausgangsspannung des Generators derart anzupassen, dass der Verbraucher mit Spannung versorgt werden kann, ohne den Verbraucher selbst zu beschädigen oder den Betrieb des Verbrauchers zu beeinträchtigen. Denn die Ausgangsspannung des Generators kann beispielsweise Spannungsschwankungen unterliegen und/oder Spannungsspitzen aufweisen, welche im Zuge der Versorgung des Verbrauchers nicht an den Verbraucher weitergeleitet werden sollen.
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Mit der erfindungsgemäßen Energieversorgungsvorrichtung ist es somit möglich, einen Verbraucher auf einfache Art und Weise sicher mit elektrischer Energie zu versorgen, ohne dass wartungsanfällige Batterien oder Akkumulatoren eingesetzt werden müssen.
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Im Rahmen der Erfindung ist eine Batterie ein Speicher für elektrische Energie, die in einer Batterie vollständig in elektrochemischer Form gespeichert wird. Ein Akkumulator ist im Rahmen der Erfindung eine wieder aufladbare Batterie.
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Dadurch, dass die Energieversorgungsvorrichtung direkt aus Strömungskraft eines Fluids Energie erzeugt, ist die Energieversorgungsvorrichtung autark betreibbar und vorteilhafterweise kein Eingriff in das interne Bordnetz des Schienenfahrzeugs notwendig, wodurch unabhängig vom Schienenfahrzeugbetreiber ein universeller Einsatz an unterschiedlichen Schienenfahrzeugen ermöglicht wird.
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Der Stromabnehmer kann elektrisch isoliert zum Wagenkasten eines Schienenfahrzeugs sein. In diesem Fall ist zum Betrieb von elektrischen Systemen wie Erfassungseinheiten zur Überwachung des Schienenfahrzeugs auf dem Stromabnehmer eine Stromquelle am Stromabnehmer außerhalb des Wagenkastens nötig, die durch die Anordnung der erfindungsgemäßen Energieversorgungsvorrichtung am Stromabnehmer dem Dach oder an anderer Position außerhalb des Wagenkastens bereitgestellt werden kann.
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Die Lösung bietet zudem einen guten Zugriff auf die Energieversorgungsvorrichtung, da diese außerhalb des Systems „Zug“ angeordnet ist. Es ist vorteilhafterweise kein Eingriff in das Bahnsystem und/oder den Strompfad notwendig, was diese Lösung besonders sicher macht und eine einfache Zulassung ermöglicht. Es ist denkbar, dass eine Zulassung aufgrund des Aufbaus und der Positionierung der Energieversorgungsvorrichtung nicht notwendig ist. Mit anderen Worten, kann in einfacher Art und Weise auf die Energieversorgungsvorrichtung zugegriffen werden, ohne dass ein Zugang in das Innere des Schienenfahrzeugs bzw. den Wagenkasten oder ein Eingriff in das interne Bordnetz des Schienenfahrzeugs erforderlich ist. Somit ist vorteilhafterweise kein Eingriff in das Bahnsystem, in die Hard-oder Software des Schienenfahrzeugs und/oder den Strompfad notwendig, wodurch die Energieversorgung besonders sicher und einfach umsetzbar ist und zur Zulassung von Schienenfahrzeugen erforderliche Anforderungen erfüllt werden können.
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Weiter bietet die erfindungsgemäße Lösung vorteilhafterweise die Möglichkeit zum Betrieb energieautarker Messsysteme auf Fahrzeugen. Mit anderen Worten kann eine Erfassungseinheit und/oder ein Überwachungssystem energieautark auf einem Schienenfahrzeug betrieben werden, ohne das eine Energieversorgung durch das Schienenfahrzeug oder dem Schienenfahrzeug zugeordnete Infrastruktur, wie beispielsweise Oberleitungen, notwendig ist.
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Die Lösung bietet die Möglichkeit Energy Harvesting bis zu 50 W, je nach Strömungsgeschwindigkeit, zu betreiben.
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Es sind verschiedene Dimensionierungen der Energieversorgungsvorrichtung denkbar, insbesondere verschiedene Durchmesserverhältnisse und Längen des Gehäuses und/oder der Turbine.
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Es ist denkbar, dass die Ausgangsspannung des Generators mittels der Übertragungselektronik unverändert als Versorgungsspannung zur Versorgung des Verbrauchers genutzt wird. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann die Übertragungselektronik jedoch auch eine Komponente zur Strom- oder Spannungstransformation aufweisen, mittels derer die Ausgangsspannung des Generators gewandelt wird, so dass sich die Ausgangsspannung des Generators und die Versorgungsspannung des Verbrauchers unterscheiden. Im Rahmen der Erfindung kann eine Komponente zur Strom- oder Spannungstransformation als eine Komponente zur Strom- oder Spannungsbegrenzung oder als eine Komponente zur Strom- oder Spannungsreduktion oder als eine Komponente zur Strom- oder Spannungserhöhung ausgebildet sein. Eine Komponente zur Spannungstransformation kann beispielsweise ein Wechselspannungswandler oder ein Gleichspannungswandler sein. Unter Gleichspannungswandler wird eine elektrische Schaltung verstanden, die eine am Eingang zugeführte Gleichspannung in eine Gleichspannung mit höherem, niedrigerem oder invertiertem Spannungsniveau umwandelt. Unter einem Wechselspannungswandler ist im Rahmen der Erfindung ein elektrotechnisches Bauteil zu verstehen, das eine Eingangswechselspannung, die am Eingang des Wechselspannungswandlers anliegt, in eine Ausgangswechselspannung, die am Ausgang des Wechselspannungswandlers abgegriffen werden kann, umwandelt. Dabei kann die Ausgangsspannung des Wechselspannungswandlers kleiner, größer oder gleich der Eingangsspannung des Wechselspannungswandlers sein. Die Spannungserhöhung der Ausgangsspannung des Generators erfolgt bevorzugt unter Verwendung eines Boost-Converters, dessen Betrag der Ausgangsspannung stets größer als der Betrag dessen Eingangsspannung ist. Die Reduzierung der Ausgangsspannung des Generators erfolgt bevorzugt unter Verwendung eines Buck-Converters, dessen Betrag der Ausgangsspannung stets kleiner als der Betrag dessen Eingangsspannung ist. Beispielsweise kann mittels der Komponente zur Spannungstransformation eine Eingangsspannung der Komponente zur Spannungstransformation zwischen 0,35 und 16 V in eine Ausgangsspannung von 3,8 V gewandelt werden. Somit kann vorteilhafterweise eine zuverlässige Bereitstellung der Versorgungsspannung des Verbrauchers erfolgen. Bevorzugt stellt die Komponente zur Spannungstransformation eine Gleichspannung bereit. Weiter bevorzugt stellt die Komponente zur Spannungstransformation eine Niederspannung von 3,8 V bereit. Am meisten bevorzugt stellt die Komponente zur Spannungstransformation eine Gleichspannung von 3,8 V bereit. Die Spannungstransformation kann unabhängig von einer Gleichrichtung vor oder nach einer Gleichrichtung erfolgen.
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Die Übertragungselektronik kann eine Komponente zur Gleichrichtung aufweisen. Durch die Komponente zur Gleichrichtung kann eine vom Generator erzeugte Wechselspannung gleichgerichtet und in der Folge eine Gleichspannung dem Verbraucher als Versorgungsspannung zugeführt werden. Als Komponente zur Gleichrichtung können bekannte Gleichrichter verwendet werden. Bevorzugt werden Halbleitergleichrichter verwendet.
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Alternativ oder zusätzlich zu einer Komponente zur Gleichrichtung kann die Übertragungselektronik eine Komponente zur Strom- oder Spannungsbegrenzung aufweisen. Eine derartige Komponente zur Strom- oder Spannungsbegrenzung lässt auf einfache Art und Weise einen Schutz vor Überspannung oder zu hohen Strömen zu. Somit kann sichergestellt werden, dass nachfolgende Bauteile der Übertragungselektronik oder des Verbrauchers durch Überspannungen oder zu hohe Ströme nicht geschädigt oder in ihrer Funktion beeinträchtigt werden. Als Komponenten zur Spannungsbegrenzung können elektrotechnische Bauteile, wie Suppressor-Dioden oder Varistoren eingesetzt werden, welche einen diskreten Überspannungsschutz bieten. Bevorzugt wird jedoch ein aktiver Begrenzer als Komponente zur Strom- oder Spannungsbegrenzung eingesetzt. Ein derartiger aktiver Begrenzer misst kontinuierlich die Spannung oder den Strom auf der Versorgungsleitung des aktiven Begrenzers und isoliert bei Überspannungen bzw. bei zu hohem Stromfluss die nachgelagerten Elemente. Besonders bevorzugt wird ein aktiver Spannungsbegrenzer eingesetzt. Falls der Generator Wechselspannung liefert, muss die Wechselspannung vor Zuführung zur Erfassungseinheit gleichgerichtet werden, was bevorzugt mit Hilfe eines aktiven Begrenzers in Kombination mit einem Gleichrichter erfolgt.
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Die Übertragungselektronik der Energieversorgungsvorrichtung kann so ausgebildet sein, dass die Übertragungselektronik eine Ladeelektronik aufweist, welche zumindest eine Komponente zur Energiespeicherung, bevorzugt zumindest einen Kondensator, aufweist. Durch die Energiespeicherung können die Zeiten überbrückt werden, in denen der Spannungsabgriff am Generator zu gering oder nicht vorhanden ist, und somit der Generator keine ausreichende Ausgangsspannung zur Erzeugung einer Versorgungsspannung des Verbrauchers bereitstellt. Somit kann sichergestellt werden, dass der Verbraucher auch während einer unzureichenden Versorgung durch den Generator, beispielsweise bei Stillstandszeiten im Bahndepot, zuverlässig betrieben werden kann. Bevorzugt wird als Komponente zur Energiespeicherung ein Kondensator eingesetzt, der über die Ladeelektronik versorgt wird. Noch mehr bevorzugt wird als Komponente zur Energiespeicherung ein sogenannter Superkondensator (Supercapacitor) eingesetzt, der über die Ladeelektronik versorgt wird. Dabei ist es denkbar, dass auch eine Komponente zur Spannungstransformation und/oder eine Komponente zur Gleichrichtung und/oder eine Komponente zur Strom- oder Spannungsbegrenzung aus dem Energiespeicher mit Energie versorgt werden. Des Weiteren ist es denkbar, dass bei vollständiger Entladung der Energiespeicher das System über eine zusätzliche Notbatterie versorgt wird, die bei Bedarf ausgetauscht werden kann. Da diese Notbatterie jedoch lediglich in Ausnahmefällen genutzt wird, sind deren Wartungs- und Austauschintervalle vergleichsweise lang.
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Die Energieversorgungsvorrichtung kann eine Überwachungselektronik zur Überwachung der Komponente zur Spannungstransformation, insbesondere eines Spannungswandlers, aufweisen. Die Komponente zur Spannungstransformation kann über einen Puls initial gezündet werden, welcher bevorzugt von der Komponente zur Energiespeicherung erzeugt wird. Die Überwachungselektronik zur Überwachung der Komponente zur Spannungstransformation überwacht insbesondere die initiale Zündung der Komponente zur Spannungstransformation, bevorzugt eines Spannungswandlers, und verhindert unnötige Zündvorgänge, beispielsweise bei einer instabilen Ausgangsspannung des Generators. Somit trägt die Überwachungselektronik einerseits zum sicheren Betrieb des Verbrauchers bei und verhindert andererseits ein unnötiges Entladen der Komponente zur Energiespeicherung durch die Verhinderung unnötiger Zündvorgänge.
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Die Versorgungsspannung des Verbrauchers, insbesondere einer Erfassungseinheit, welche durch die dem Generator nachgeschaltete Übertragungselektronik bereitgestellt werden kann, beträgt bevorzugt 3,3 V. Falls eine Ladeelektronik vorgesehen ist, beträgt deren Eingangsspannung bevorzugt 3,8 V und die Eingangsspannung der Komponente zur Spannungstransformation beträgt bevorzugt 0,35 V bis 16 V. Da die Versorgungsspannung an den Bedarf des Verbrauchers anzupassen ist, ist es zudem denkbar, dass bei vergleichsweise geringer am Generator erzeugter Spannung, welche geringer ist als die zur Versorgung des Verbrauchers notwendige Versorgungsspannung, eine Erhöhung der am Generator erzeugten Spannung notwendig ist.
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Zur Überbrückung einer unzureichenden Versorgung der Turbine mit Strömungskraft, insbesondere Fahrtwind, und somit einer unzureichenden Versorgung des Verbrauchers kann von der Energieversorgungsvorrichtung eine von der Strömungskraft unabhängige Energieerzeugungseinheit umfasst sein. Dabei ist es denkbar, dass die Energieerzeugungseinheit als Brennstoffzelle, als photoelektrischer Generator, als piezoelektrischer Generator, als kinetischer Generator und/oder als thermoelektrischer Generator ausgebildet ist. Beispielsweise kann Energie aus verschiedenen weiteren Energiequellen neben der Strömungskraft durch Photovoltaik, Staudruck, kinetischer Energie, beispielsweise aufgrund einer Bewegung einer Betriebseinheit oder einer Komponente einer Betriebseinheit, Temperaturgradienten oder Druckänderungen genutzt werden, um mittels der Energieerzeugungseinheit dem Verbraucher Energie bereitzustellen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann die Energieversorgungseinrichtung einen Einströmkanal, einen Saugstromkanal und einen Ausströmkanal aufweisen, wobei der Einströmkanal, der Saugstromkanal und der Ausströmkanal fluidleitend verbunden sind, und wobei die Turbine innerhalb des Saugstromkanals angeordnet ist. So kann vorteilhafterweise das Fluid ungehindert durch den Einströmkanal einströmen und durch den Ausströmkanal ausströmen während im Saugstromkanal ein Saugstrom erzeugt wird und mittels des im Saugstromkanal strömenden Fluids die Turbine angetrieben werden kann. Vorteilhafterweise ist gemäß dieser bevorzugten Ausführungsform die Turbine im Saugstromkanal geschützt angeordnet und nicht direkt dem in den Einströmkanal einströmenden Fluid, beispielsweise dem Fahrtwind, ausgesetzt. Der Saugstromkanal ist komplementär zur Turbine ausgebildet. Bevorzugt weist der Saugstromkanal eine zylindrische Innengeometrie auf. Der Einströmkanal ist bevorzugt trichterförmig ausgebildet, das heißt, dass die Einströmöffnung größer als die Ausströmöffnung ausgebildet ist. Bevorzugt ist auch der Ausströmkanal trichterförmig ausgebildet, wobei die Einströmöffnung des Ausströmkanals kleiner als die Ausströmöffnung des Ausströmkanals ausgebildet ist. Weiter bevorzugt sind Einströmkanal und Ausströmkanal an der Stelle ihres geringsten Durchmessers miteinander verbunden. Die Energieversorgungseinrichtung kann ein Gehäuse aufweisen, in dem sowohl Einströmkanal, Ausströmkanal als auch Saugstromkanal angeordnet sind.
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Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn Einströmkanal und Ausströmkanal identisch ausgebildet und gegengleich angeordnet sind. Bevorzugt sind Einströmkanal und Ausströmkanal derart zueinander angeordnet, dass die Längsachsen von Einströmkanal und Ausströmkanal zusammenfallen. Sofern Einströmkanal und Ausströmkanal identisch ausgebildet und gegengleich angeordnet sind, kann der Einströmkanal auch als Ausströmkanal und der Ausströmkanal auch als Einströmkanal eingesetzt werden. Das heißt mit anderen Worten, dass es unerheblich ist aus welcher Richtung das Fluid, bevorzugt der Fahrtwind einströmt. Somit kann unabhängig von der Fahrtrichtung des Schienenfahrzeugs mit der Energieversorgungsvorrichtung Energie erzeugt werden.
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Um in einfacher Art und Weise im Saugstromkanal einen Saugstrom eines strömenden Fluids zu erzeugen, kann der Einströmkanal und/oder der Ausströmkanal senkrecht zum Saugstromkanal angeordnet sein. Bevorzugt können sowohl Einströmkanal als auch Ausströmkanal senkrecht zum Saugstromkanal angeordnet sein. Mit anderen Worten ist eine Welle der Turbine und somit auch die Rotationsachse der Turbine bevorzugt senkrecht zur Strömungsrichtung des Fluids, bevorzugt des Fahrtwinds, angeordnet. Dadurch kann die Turbine witterungsgeschützt im Gehäuse angeordnet werden. Um die Turbine zuverlässig mit einem strömenden Fluid zu versorgen und im Saugstromkanal vor Umgebungseinflüssen zu schützen, kann der Saugstromkanal in Gebrauchsposition nach unten weisen, beispielsweise in Richtung des Dachs eines Schienenfahrzeugs. Die Gebrauchsposition betrifft im Rahmen der Erfindung die Position der Energieversorgungsvorrichtung, in der die Energieversorgungsvorrichtung zum erfindungsgemäßen Gebrauch ausgerichtet ist. Beispielsweise ist die Energieversorgungsvorrichtung in Gebrauchsposition auf dem Dach eines Schienenfahrzeugs derart angeordnet, dass der Fahrtwind bei Bewegung des Schienenfahrzeugs in den Einströmkanal einströmen kann.
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Um den Einströmkanal und den Ausströmkanal mit dem Saugstromkanal fluidleitend zu verbinden, kann zwischen Einströmkanal und Ausströmkanal ein Verbindungskanal zur Verbindung von Einströmkanal und Ausströmkanal angeordnet sein, wobei in den Verbindungskanal eine Verbindungsöffnung zur Verbindung des Verbindungskanals mit dem Saugstromkanal angebracht sein kann. Bevorzugt weist der Verbindungskanal eine zylindrische Innengeometrie auf. Weiter bevorzugt entspricht der Durchmesser des Verbindungskanals dem geringsten Durchmesser des Einströmkanals und/oder des Ausströmkanals. Die Verbindungsöffnung kann als kreisrunde Öffnung, beispielsweise als Bohrung ausgebildet sein. Die Verbindungsöffnung kann einen geringeren Durchmesser als der Saugstromkanal aufweisen, sodass zwischen Verbindungsöffnung und Saugstromkanal ein stumpfförmiger Verengungsabschnitt, bevorzugt ein kegelstumpfförmiger Verengungsabschnitt, ausgebildet ist.
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Insbesondere, wenn die Energieversorgungseinrichtung eine Erfassungseinheit zur Überwachung eines Stromabnehmers mit Energie versorgen soll, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Energieversorgungseinrichtung am Stromabnehmer oder auf einem Dach eines Schienenfahrzeugs, und somit an der zu überwachenden Betriebseinheit und/oder in der Nähe der Erfassungseinheit, angeordnet ist, um die Übertragungswege zu minimieren. Der Stromabnehmer kann in der Art eines Pantographen ausgebildet sein. Bei Anordnung der Energieversorgungsvorrichtung am Stromabnehmer oder auf dem Dach eines Schienenfahrzeugs, kann die Energieversorgungsvorrichtung optimal im Fahrtwind positioniert werden, um eine möglichst hohe Energieausbeute zu erzielen. Um eine besonders einfache und sichere Festlegung der Energieversorgungsvorrichtung an einem Stromabnehmer zu ermöglichen, kann die Energieversorgungsvorrichtung am Grundrahmen, der Oberschere und/oder der Unterschere des Stromabnehmers angeordnet sein.
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Die Energieversorgungsvorrichtung kann zum Schutz der Turbine und des Generators eine Drehzahlbegrenzungseinrichtung umfassen. Die Drehzahlbegrenzungseinrichtung verhindert vorteilhafterweise bei Erreichen einer oberen Grenz-Drehzahl eine weitere Drehzahlerhöhung, wodurch sowohl Turbine als auch Generator geschützt werden. Der Drehzahlbegrenzer kann als Drehzahlregler ausgebildet sein, um die Drehzahl möglichst konstant zu halten.
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Das erfindungsgemäße Überwachungssystem weist zumindest eine erfindungsgemäße Energieversorgungsvorrichtung und einen als Erfassungseinheit ausgebildeten Verbraucher zur Überwachung eines Schienenfahrzeugs, insbesondere zur Überwachung einer Betriebseinheit, auf, wobei mittels der Erfassungseinheit für verschiedene Attribute der jeweiligen Betriebseinheit jeweils Daten erfassbar sind. Von der Erfassungseinheit zu überwachende Betriebseinheiten von Schienenfahrzeugen können beispielsweise Stromabnehmer, Erdungskontakte, Schmiervorrichtungen, Schleifstücke oder -leisten, Schleifvorrichtungen, Kontaktbürsten, Erdungsbürsten, Wellenerdungssystem oder dergleichen sein. Unter einem Attribut wird hier eine objektspezifische Eigenschaft einer Betriebseinheit verstanden, die Attribute können aus den Attributtypen Art, Identifikation, Baujahr, Fahrzeug, Nutzung, Laufzeit, Material, Verschleiß, Fehler, Schäden, Ort, Bild, Ton, Erfassungszeit oder dergleichen, der Betriebseinheit ausgewählt werden. Unter Daten werden im Rahmen der Erfindung Attributwerte verstanden, wie beispielsweise ein tatsächlicher Messwert zur Erfassung des Verschleißes einer Betriebseinheit. Die Daten können beispielsweise eine Bezeichnung, eine Seriennummer, eine Jahreszahl, ein Datum, eine Fahrzeugtypbezeichnung, ein Messwert, eine Fehlerbeschreibung, eine Schadensbeschreibung, eine Positionsangabe, eine Bilddatei, eine Tondatei, eine Uhrzeit, ein Zeitraum oder dergleichen sein.
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Wenn die Betriebseinheit ein Dachstromabnehmer bzw. ein Pantograph ist, können bevorzugt folgende Attribute verwendet werden: Typ des Schleifstücks, Werkstoff des Schleifstücks, Ausgangshöhe und Verschleißhöhe, Laufzeit des Fahrzeugs in Kilometer, Laufzeit des Stromabnehmers in Kilometer, Verschleißangabe in Millimeter für ein erstes Schleifstück, Verschleißangabe in Millimeter für ein zweites Schleifstück.
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Wenn die Betriebseinheit ein Dritte-Schiene-Stromabnehmer ist, können bevorzugt folgende Attribute verwendet werden: Typ der Sicherung, Typ des Schleifstücks, Werkstoff des Schleifstücks, Ausgangshöhe und Verschleißhöhe, Laufzeit des Fahrzeugs in Kilometer, Laufzeit des Stromabnehmers in Kilometer, Verschleißangabe in Millimeter für das Schleifstück.
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Wenn die Betriebseinheit eine Erdungsbürste ist, können bevorzugt folgende Attribute verwendet werden: Schleifringwerkstoff, Bürstenwerkstoff, Bürstenquerschnitt, Ausgangshöhe und Verschleißhöhe, Laufzeit des Fahrzeugs in Kilometer, Laufzeit des Erdungskontakts in Kilometer, Verschleißangabe in Millimeter für mehrere Kohlebürsten.
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Wenn die Betriebseinheit ein Wellenerdungssystem ist können bevorzugt folgende Attribute verwendet werden: Gegenlaufmaterial, Faserwerkstoff, Faserquerschnitt, Ausgangsquerschnitt und Verschleißhöhe, Laufzeit des Fahrzeugs in Kilometer, Laufzeit des Erdungssystems in Kilometer, Verschleißangabe in Millimeter für eine erste Faser und eine zweite Faser.
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Wenn die Betriebseinheit eine Spurkranzschmierung ist, können bevorzugt folgende Attribute verwendet werden: Schmierstiftwerkstoff, Ausgangslänge und Verschleißlänge, Laufzeit des Fahrzeugs in Kilometer, Laufzeit des Schmierstifts in Kilometer, Verschleißangabe in Millimeter.
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Mit dem erfindungsgemäßen Überwachungssystem können auch Schienenfahrzeuge mit mehreren Betriebseinheiten gleicher und/oder unterschiedlicher Art überwacht werden. Es ist denkbar, dass das Überwachungssystem auch eine Mehrzahl von Erfassungseinheiten zur Erfassung von Daten der Betriebseinheiten aufweist. Dabei kann die Mehrzahl von Erfassungseinheiten jeweils mit einer eigenen Energieversorgungsvorrichtung verbunden sein oder eine einzelne Energieversorgungsvorrichtung versorgt eine Mehrzahl an Erfassungseinheiten mit elektrischer Energie.
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Vorteilhafterweise können die von den Erfassungseinheiten jeweils für verschiedene Attribute einer Betriebseinheit erfassten Daten diesen Attributen zugeordnet werden. Die Daten können durch Werte, Zeichen oder Dateien repräsentiert sein. Die Attribute bilden zusammen mit den jeweils zugeordneten Daten Datensätze, die von den jeweiligen Erfassungseinheiten an eine Überwachungseinheit übermittelt werden können. Die Überwachungseinheit kann Bestandteil des Überwachungssystems sein oder übergeordnet bzw. nebengeordnet einem weiteren System angehören.
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Es ist denkbar, dass das Überwachungssystem mehrere Erfassungseinheiten aufweist, deren Datensätze zumindest einer einzelnen Überwachungseinheit übermittelt und in dieser zusammengeführt werden, wobei auch mehrere Überwachungseinheiten, beispielsweise für unterschiedliche Anwendungen, vorhanden sein können. Die Datensätze können in einer Datenbank der Überwachungseinheit gespeichert und kontinuierlich oder nach Bedarf mit einer Auswertevorrichtung der Überwachungseinheit verarbeitet werden. Die Überwachungseinheit bzw. die Auswertevorrichtung kann durch einen Computer mit einer darauf ausgebrachten Softwareanwendung ausgebildet sein. Um die Datensätze miteinander in Beziehung zu setzen, kann mittels der Auswertevorrichtung eine Musteranalyse der Datensätze durchgeführt werden und mit einer Ausgabevorrichtung beispielsweis eines Bildschirms, ausgegeben werden. Durch die Musteranalyse ist es möglich, eine Wechselbeziehung von Datensätzen zu ermitteln, sofern diese vorliegt. Aus den Wechselbeziehungen wiederum lassen sich regelmäßig Kausalzusammenhänge ableiten, welche dazu genutzt werden können, eine Optimierung des Betriebs der überwachten Schienenfahrzeuge vorzunehmen. Beispielsweise kann ein Auftreten eines Fehlers an einer bestimmten Art einer Betriebseinheit mit einem bestimmten Typ eines Schienenfahrzeugs korrelieren. Dadurch wird es möglich eine Ursache für den Fehler bzw. die Wirkbeziehung zwischen Schienenfahrzeug und Fehler zu ermitteln und gezielt abzustellen.
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Das Überwachungssystem kann eine Erfassungseinheit umfassen, die eine an der jeweiligen Betriebseinheit oder dem Schienenfahrzeug ortsfest angeordnete Sensorvorrichtung aufweist. Die Sensorvorrichtung kann dann beispielsweise einen Sensor umfassen, mit dem eine Funktion der betreffenden Betriebseinheit und eine Betriebsdauer ermittelbar sind. Beispielsweise können mit der Sensorvorrichtung Daten bezüglich des Verschleißes eines Bauteils einer Betriebseinheit erfasst werden. Bevorzugt wird mit der Sensorvorrichtung der Verschleiß eines Stromabnehmers, weiter bevorzugt einer Schleifleiste eines Stromabnehmers, erfasst.
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Die Erfassungseinheit des Überwachungssystems kann eine an der jeweiligen Betriebseinheit oder dem Schienenfahrzeug ortsfest angeordnete Übermittelungsvorrichtung aufweisen. Diese Übermittlungsvorrichtung kann dann Datensätze, insbesondere von einer Sensorvorrichtung erfasste Daten, bevorzugt an eine Überwachungseinheit, übermitteln. Beispielsweise kann die Übermittlungsvorrichtung einen Datensatz aus Typbezeichnung der Betriebseinheit und einen mit dem Sensor ermittelten Wert sowie eine Betriebsdauer übermitteln. Die Übermittlungsvorrichtung weist dann hierzu die für den Sensor erfassten Daten den entsprechenden Attributen zu. Auch kann es vorgesehen sein, dass in der Übermittlungsvorrichtung bereits Datensätze gespeichert sind, die übermittelt werden, wie beispielsweise eine Seriennummer oder ein Baujahr der Betriebseinheit oder des Schienenfahrzeugs. Die Daten können über eine Datenverbindung übermittelt werden. Die Datenverbindung kann prinzipiell durch eine Leitungsverbindung ausgebildet sein.
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Weiter kann es sich bei der Datenverbindung um eine Funkverbindung oder um eine andere geeignete Art der Datenverbindung handeln. Die Datenverbindung kann kontinuierlich, in regelmäßigen Abständen oder ereignisbasiert hergestellt werden. Insgesamt wird es so möglich, mit der Übermittlungsvorrichtung Datensätze der Betriebseinheiten, unabhängig von der Art der Datenverbindung, beispielsweise zur Auswertung, zu übermitteln. Es ist denkbar, dass die Datenverbindung über ein externes Netzwerk ausgebildet ist. Die Datenverbindung kann dabei über ein Mobilfunknetz, WLAN, eine Satellitenverbindung, das Internet oder einen anderen beliebigen Funkstandard für sich alleine oder in Kombination ausgebildet werden. Das Ziel der von der Übermittlungsvorrichtung übermittelten Daten, beispielsweise eine Überwachungseinheit oder Auswertevorrichtung kann dann auch von den Betriebseinheiten, den Schienenfahrzeugen und/oder der Übermittlungsvorrichtung räumlich beabstandet sein. Insbesondere wird es dadurch möglich, Datensätze von einem Schienenfahrzeug zentral auszuwerten.
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Die Erfassungseinheit des erfindungsgemäßen Überwachungssystems kann einen Zeitsensor und einen Positionssensor aufweisen, so dass ein Erfassungszeitpunkt und eine Ortsposition der jeweiligen Betriebseinheit bestimmt werden können. Der Erfassungszeitpunkt und die Ortsposition können ebenfalls als jeweils ein Datensatz in einer Datenbank gespeichert werden. Die Ortsposition kann beispielsweise über Sattelitennavigation eine Position des Schienenfahrzeugs bzw. der betreffenden Betriebseinheit bestimmen. So kann unter anderem festgestellt werden, an welchem Punkt einer Fahrstrecke ein bestimmter Datensatz erfasst wurde. Hierdurch lässt sich einem Ereignis bzw. dem zu diesem Zeitpunkt erfassten Datensatz die betreffende Ortsposition zuordnen. Falls eine Musteranalyse durchgeführt wird, können sich dann beispielsweise Korrelationen zwischen der Ortsposition, die im Erfassungszeitpunkt und gegebenenfalls ermittelten Fehlern der Betriebseinheiten ergeben. Beispielsweise kann dann einer Jahreszeit oder einer Fahrtstrecke ein vergleichsweiser erhöhter Verschleiß oder ein bestimmter Fehler an der Betriebseinheit zugeordnet werden.
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Das erfindungsgemäße Überwachungssystem, insbesondere die Erfassungseinheit, kann eine Energiemessvorrichtung aufweisen. Diese Energiemessvorrichtung ist bevorzugt als Strommessvorrichtung und/oder Spannungsmessvorrichtung ausgebildet. Mittels der Energiemessvorrichtung kann beispielsweise der an einem Hauptstromleiter anliegende Fahrstrom und/oder die Menge der durch Rückspeisung vom Schienenfahrzeug dem Netz zugeführte elektrische Energie erfasst werden. Daneben kann eine derartige Energiemessvorrichtung zur Detektion von Arcing, das heißt zur Erfassung elektrischer Lichtbögen, beispielsweise zwischen Oberleitung und Schleifstück eines Stromabnehmers, aufgrund von Spannungsänderungen, insbesondere aufgrund eines starken Spannungsabfalls, genutzt werden. Zudem kann durch die Auswertung der Energieausbeute ein Fahrprofil des Schienenfahrzeugs aufgenommen und modelliert werden. Die Messung des Fahrstroms, das heißt des durch einen Hauptstromleiter des Schienenfahrzeugs, welcher Stromübergabepunkt und Motor verbindet, fließenden Stroms, erfolgt bevorzugt durch Aufnahme der negativen Halbwelle in Wechselstromnetzen und/oder durch eine hochimpedante Spannungsmessschaltung.
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Das Überwachungssystem kann zumindest eine Betriebseinheit umfassen. Das Überwachungssystem kann auch mehrere Betriebseinheiten umfassen, deren Daten als Datensätze in einer Datenbank gespeichert werden können. Die Betriebseinheiten können über die Erfassungseinheit und/oder eine Übermittlungsvorrichtung mit Datenverbindung mit einer übergeordneten Auswertevorrichtung verbunden werden. Beispielsweise kann das Überwachungssystem als Betriebseinheit einen Stromabnehmer, einen Erdungskontakt, eine Schmiervorrichtung, Schleifstücke, Schleifvorrichtungen, Kontaktbürsten oder Erdungsbürsten aufweisen. Bevorzugt umfasst das Überwachungssystem eine stromführende Betriebseinheit, wie einen Stromabnehmer, eine Schleifvorrichtung oder Kontaktbürsten. Besonders bevorzugt umfasst das Überwachungssystem als Betriebseinheit einen Stromabnehmer, an welchem die Energieversorgungsvorrichtung angeordnet ist. Das Überwachungssystem kann auch eine Mehrzahl von Erfassungseinheiten zur Überwachung mehrerer Stromabnehmer umfassen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Energieversorgung eines an einem Schienenfahrzeug angeordneten Verbrauchers, insbesondere einer Erfassungseinheit zur Überwachung eines Schienenfahrzeugs, wird mittels einer Turbine und eines Generators eine Ausgangsspannung des Generators aus der Strömungskraft eines Fluids, bevorzugt aus der Kraft eines Fahrtwinds, erzeugt, und die Ausgangsspannung des Generators zur Energieversorgung des Verbrauchers verwendet. Bevorzugt ist die Erfassungseinheit zur Überwachung einer Betriebseinheit eines Schienenfahrzeugs ausgebildet.
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Grundsätzlich soll zur Vermeidung unnötiger Wiederholungen im Hinblick auf die Merkmale, Eigenschaften und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens auf die obige Offenbarung der erfindungsgemäßen Energieversorgungsvorrichtung und des erfindungsgemäßen Überwachungssystems Bezug genommen werden. Dies bedeutet, dass grundsätzlich verfahrensmäßig offenbarte und beschriebene Merkmale als vorrichtungsmäßig beschrieben und beanspruchbar gelten sollen, und umgekehrt.
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Bevorzugt ist der Verbraucher als Erfassungseinheit ausgebildet und es werden mit der Erfassungseinheit, welche mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Energieversorgung mit Energie versorgt werden kann, Stromabnehmer, Erdungskontakte, Schmiervorrichtungen, Schleifstücke, Schleifvorrichtungen, Kontaktbürsten, Erdungsbürsten oder dergleichen überwacht.
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Um die Ausgangsspannung des Generators zur Energieversorgung des Verbrauchers zu verwenden, kann die Ausgangsspannung des Generators direkt als Versorgungsspannung des Verbrauchers genutzt werden oder einer Übertragungselektronik zugeführt werden, mittels derer die Ausgangsspannung des Generators umgewandelt, stabilisiert und/oder die vom Generator übertragene elektrische Energie gespeichert wird.
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Vorteilhafterweise wird die vom Verbraucher benötigte Versorgungsspannung durch Spannungstransformation der Ausgangsspannung des Generators erzeugt. Dies kann in der Übertragungselektronik erfolgen. Zur Spannungstransformation werden bevorzugt Komponenten zur Spannungstransformation, wie beispielsweise ein Spannungswandler oder ein Spannungstransformator, eingesetzt. Durch den Schritt der Spannungstransformation ist es möglich, die benötigte Versorgungsspannung des Verbrauchers zuverlässig bereitzustellen. Im Rahmen der Erfindung betrifft der Begriff „Transformieren der Ausgangsspannung des Generators“ ein Begrenzen oder ein Reduzieren oder ein Erhöhen der Ausgangsspannung des Generators. Durch die Spannungsbegrenzung oder Spannungsreduzierung kann sichergestellt werden, dass der Verbraucher nicht durch Spannungsspitzen oder Ähnliches beschädigt wird. Es ist jedoch auch denkbar, dass die Ausgangsspannung erhöht wird. Die Erhöhung der Ausgangsspannung des Generators erfolgt bevorzugt unter Verwendung eines Boost-Converters, dessen Betrag der Ausgangsspannung stets größer als der Betrag dessen Eingangsspannung ist. Die Reduzierung der Ausgangsspannung des Generators erfolgt bevorzugt unter Verwendung eines Buck-Converters, dessen Betrag der Ausgangsspannung stets kleiner als der Betrag dessen Eingangsspannung ist. Die Spannungstransformation kann unabhängig von einer Gleichrichtung vor oder nach der Gleichrichtung erfolgen.
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Die Ausgangsspannung des Generators kann gleichgerichtet werden. Durch die Gleichrichtung ist es möglich, den Verbraucher mit Gleichspannung zu versorgen, unabhängig davon, ob der Generator Gleich- oder Wechselspannung erzeugt. Bevorzugt wird die Ausgangsspannung des Generators gleichgerichtet und anschließend einer Spannungstransformation unterzogen. Weiter bevorzugt wird die Ausgangsspannung des Generators begrenzt und gleichgerichtet sowie anschließend einer Spannungstransformation unterzogen.
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Die Versorgungsspannung des Verbrauchers kann von zumindest einer Komponente zur Energiespeicherung zumindest zeitweise bereitgestellt werden. Dies bietet den Vorteil, dass unabhängig von Fehlern oder Ausfällen der Versorgung des Generators der Verbraucher, insbesondere eine Erfassungseinheit, aus dem Energiespeicher versorgt werden kann. Bevorzugt wird eine am Generator erzeugte Spannung gleichgerichtet und/oder begrenzt, anschließend die elektrische Energie einer Komponente zur Energiespeicherung zugeführt, wobei die Komponente zur Energiespeicherung die erforderliche Versorgungsspannung zur Versorgung des Verbrauchers bereitstellt.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Überwachungssystems mit einer an einem Stromabnehmer angeordneten Energieversorgungsvorrichtung;
- 2 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energieversorgungsvorrichtung in isometrischer Ansicht;
- 3 die Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energieversorgungsvorrichtung gemäß 2 in einer gegenüber 1 gedrehten isometrischen Ansicht;
- 4 die Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energieversorgungsvorrichtung gemäß 2 in Schnittdarstellung entlang der Längsachse;
- 5 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energieversorgungsvorrichtung in räumlicher Darstellung;
- 6 die Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energieversorgungsvorrichtung gemäß 5 in einer gegenüber 5 gedrehten räumlichen Darstellung; und
- 7 die Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energieversorgungsvorrichtung gemäß 5 in einer gegenüber 5 und 6 gedrehten räumlichen Darstellung;
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Die 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Überwachungssystems 15 mit einer Energieversorgungsvorrichtung 1. Die Übertragungselektronik 5 dient der Übertragung der elektrischen Energie vom Generator 4 zum als Erfassungseinheit 23 ausgebildeten Verbraucher 2. Die Erfassungseinheit 23 ist der Ladeelektronik 13 nachgeschaltet. Hier nicht dargestellt ist das Schienenfahrzeug, auf dessen Dach der Stromabnehmer angeordnet ist, an welchem wiederum die Energieversorgungsvorrichtung 1 angeordnet sein kann. Gemäß der dargestellten Ausführungsform erzeugt der Generator 4 eine Wechselspannung. Diese Wechselspannung wird mit der Komponente zur Gleichrichtung 11 gleichgerichtet. Mit Hilfe der Komponente zur Spannungstransformation 10, hier eines Spannungswandlers, wird aus der Ausgangsspannung der Komponente zur Gleichrichtung 11 eine abweichende Spannung erzeugt. Über eine Ladeelektronik 13 werden die als Komponente zur Energiespeicherung eingesetzten Kondensatoren 14 versorgt, so dass auch bei Stillstandszeiten des Schienenfahrzeugs, wenn der Generator 4 keine Energie liefert, die Erfassungseinheit 1 mit der notwendigen Versorgungsspannung versorgt werden kann. Die 1 zeigt somit eine Ausführungsform bei der der Stromfluss ausgehend vom Generator 4 durch eine Komponente zur Gleichrichtung 11 anschließend durch eine Komponente zur Spannungstransformation 10 und die Ladeelektronik 13 hin zur Erfassungseinheit 23 erfolgt.
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Durch den dargestellten Aufbau der Energieversorgungsvorrichtung 1 kann die Erfassungseinheit 23 sicher und zuverlässig durch eine mittels Fahrtwind von Turbine 3 und Generator 4 erzeugte Wechselspannung mit der zum Betrieb der Erfassungseinheit 1 erforderlichen Gleichspannung versorgt werden. Dabei können neben der Erfassungseinheit 23 auch der Gleichrichter 11 und der Spannungswandler 10 über die Komponente zur Energiespeicherung der Ladeelektronik 13 versorgt werden.
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Die initiale Zündung des Spannungswandlers 10 wird über einen Puls erzeugt, dessen Energiebedarf ebenfalls aus der Komponente zur Energiespeicherung gedeckt werden kann. Um ein unnötiges Entladen der Komponente zur Energiespeicherung zu vermeiden ist eine Überwachungselektronik 15 vorgesehen, welche die Zündung des Spannungswandlers 10 überwacht und unnötige Zündvorgänge, beispielsweise bei instabiler Ausgangsspannung des Generators 4, verhindert. Die Erfassungseinheit 23 kann eine ortsfest am Schienenfahrzeug angeordnete Sensorvorrichtung 16 zur Überwachung einer Betriebseinheit, hier eines Stromabnehmers, aufweisen, wobei mittels der Erfassungseinheit 23 für verschiedene Attribute des Stromabnehmers Daten erfasst werden. Die Daten können mit der Übermittlungsvorrichtung 17 an eine hier nicht dargestellte Auswertevorrichtung übermittelt werden. So kann beispielsweise der Zustand der Schleifleiste des Stromabnehmers ermittelt werden, und rechtzeitig eine Wartung bzw. ein Austausch der Schleifleisten vorgenommen werden.
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2 bis 7 zeigen eine erfindungsgemäße Erfassungseinheit aufweisend ein Gehäuse, eine Turbine und einen Generator. Das Gehäuse weist zwei trichterförmige Öffnungen auf und erstreckt sich entlang der Fahrtrichtung. Turbine und Generator sind witterungsgeschützt an der Unterseite des Gehäuses angeordnet. Die Turbine ist zusammen mit dem Generator als Lüfter ausgebildet.
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Aus der Zusammenschau der 2 bis 4 ergibt sich der Aufbau und die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Energieversorgungsvorrichtung 1. Die gezeigte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energieversorgungsvorrichtung 1 weist ein Gehäuse 18 auf, in dem ein Einströmkanal 6, ein Ausströmkanal 7 sowie ein Saugstromkanal 8 ausgebildet sind. Der Einströmkanal 6 und der Ausströmkanal 7 sind durch den Verbindungskanal 19 verbunden. Über die Verbindungsöffnung 20 und den Verbindungskanal 19 ist der Saugstromkanal 8 mit dem Einströmkanal 6 und dem Ausströmkanal 7 wiederum verbunden. Innerhalb des Saugstromkanals 8 sind eine Turbine 3 und ein Generator 4, die zusammen als Lüfter ausgebildet sind, angeordnet. Durch die fluidleitende Verbindung von Einströmkanal 6, Ausströmkanal 7 und Saugstromkanal 8, kann wie in 4 gezeigt, bei Einströmen des Fahrtwinds 21 in den Einströmkanal 6 und Durchströmen des Verbindungskanals 19 sowie des Ausströmkanals 7 ein Saugstrom 22 im Saugstromkanal 8 erzeugt werden, der den Saugstromkanal 8 durch die Verbindungsöffnung 20, in Richtung des Ausströmkanals 7 verlässt und dabei die Turbine 3 antreibt. Insbesondere der 4 ist zu entnehmen, dass der Einströmkanal 6 und der Ausströmkanal 7 identisch ausgebildet sind und gegengleich zueinander angeordnet sind. Dadurch ist es möglich, dass bei Umkehr der Fahrtrichtung der Fahrtwind 21 auch durch den Ausströmkanal 7 einströmen und durch den Einströmkanal 6 ausströmen kann, wobei wiederum ein Saugstrom 22 im Saugstromkanal 8 zum Antrieb der Turbine 3 erzeugt wird. Weiter ist aus 4 ersichtlich, dass der Verbindungskanal 19 eine kreiszylindrische Innenkontur aufweist und der Einströmkanal 6 sowie der Ausströmkanal 7 trichterförmig ausgebildet sind. Die trichterförmige Ausbildung des Einströmkanals 6 sowie des Ausströmkanals 7 bewirkt, dass die Eintrittsöffnung 61 des Einströmkanals 6 größer als die Ausströmöffnung 62 des Einströmkanals 6 ausgebildet ist und die Einströmöffnung 72 des Ausströmkanals 7 kleiner als die Ausströmöffnung 71 des Ausströmkanals 7 ausgebildet ist. Der Verbindungskanal 19 verbindet den Einströmkanal 6 und den Ausströmkanal 7 an der Stelle ihres geringsten Durchmessers, das heißt vorliegend an der Stelle der Ausströmöffnung 62 des Einströmkanals 6 und der Einströmöffnung 72 des Ausströmkanals 7. Der Saugstromkanal 8 ist komplementär zur Turbine 3 oder zu deren Turbinengehäuse ausgebildet. Es ist denkbar, dass der Saugstromkanal 8 als Hohlzylinder oder, wie gemäß der vorliegenden Ausführungsform vorgesehen, als Hohlquader ausgebildet ist. Zur Verbindung des Saugstromkanals 8 mit dem Verbindungskanal 19 kann weiter ein stumpfförmiger Verengungsabschnitt 24 des Saugstromkanals 8 zwischen Turbine 3 und Verbindungskanal 19 vorgesehen sein. Der stumpfförmige Verengungsabschnitt 24 ist vorliegend als pyramidenstumpfförmiger Abschnitt ausgebildet, kann jedoch auch bei einem im Wesentlichen hohlzylindrisch ausgebildeten Saugstromkanal 8 kegelstumpfförmig ausgebildet sein. In den 2 und 4 ist das Gehäuse 18 in Gebrauchsposition dargestellt, das heißt, dass der Saugstromkanal 8 nach unten, beispielsweise in Richtung eines hier nicht dargestellten Daches eines Schienenfahrzeugs, ausgerichtet ist. In Gebrauchsposition durchströmt der durch den Fahrtwind 21 hervorgerufene Saugstrom 22 den Saugstromkanal 8 von unten, sodass die Luft des Saugstroms 22 durch den Saugstromkanal 8, die Turbine 3, anschließend durch den Verengungsabschnitt 24 und über die Verbindungsöffnung 20 weiter in den Verbindungskanal 19 und in den Ausströmkanal 7 strömt.
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Die in den 5 bis 7 dargestellte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Energieversorgungsvorrichtung 1 weist grundsätzlich den gleichen Aufbau wie die in den 2 bis 4 dargestellte Energieversorgungsvorrichtung 1 auf. Wiederum sind Turbine 3 und Generator 4 im Saugstromkanal 8 angeordnet. Der Saugstromkanal 8 ist senkrecht zum Einströmkanal 6 und Ausströmkanal 7 angeordnet. Einströmkanal 6, Ausströmkanal 7 sowie Saugkanal 8 sind innerhalb des Gehäuses 18 ausgebildet. Auch ist aus einer Zusammenschau der 5 bis 7 ersichtlich, dass der Einströmkanal 6 und der Ausströmkanal 7 identisch ausgebildet und gegengleich zueinander angeordnet sind. Somit kann unbeachtlich von welcher Richtung Fahrtwind 21 in das Gehäuse 18 einströmt, ein Saugstrom 22 im Saugstromkanal 8 zum Antrieb der Turbine 3 erzeugt werden.
