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Die Erfindung betrifft die Bordnetzenergieversorgung
für ein
Schienenfahrzeug, insbesondere die Ausbildung einer Strom-Sammelschiene und
der sie speisenden Energiequellen.
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Stand der Technik
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Während
die Bordnetzenergieversorgung von Schienenfahrzeugen früher häufig über Drehstrom-Sammelschienen
mit drei Leitern erfolgte und auch heute noch teilweise erfolgt,
gelangen in modernen Schienenfahrzeugen zumeist Bordnetzenergieversorgungen
zum Einsatz, welche sich einer Gleichstrom-Sammelschiene (DC-Sammelschiene)
mit zwei Leitern bedienen. Dies trifft für Schienenfahrzeuge des Fernverkehrs,
Regionalverkehrs und solche des öffentlichen
Nahverkehrs gleichermaßen
zu. Gegenüber
der Bordnetzversorgung über
Drehstrom-Sammelschienen ergibt sich beim Einsatz von Gleichstrom-Sammelschienen
eine Reihe von Vorteilen. So ist mit den 2-Leiter-Gleichstromanlagen
beispielsweise eine projekt- und fahrzeugübergreifende Gleichartigkeit
der Bordnetzenergieversorgung einfacher zu gewährleisten. Insbesondere betrifft
dies auch die Gleichartigkeit zwischen Triebfahrzeugen und Wagen.
Darüber
hinaus ist die Gestaltung des Bordnetzes weitgehend unabhängig von
der Traktionsart des Triebfahrzeugs, also unabhängig davon, ob es sich um ein
diesel-mechanisch, diese lhydraulisch, diesel-elektrisch oder um
ein elektrisch arbeitendes Fahrzeug handelt. Aus dieser Gleichartigkeit der
Bordnetzenergieversorgung ergibt sich unmittelbar der Vorteil, dass
unabhängig
vom Fahrzeugtyp bzw. vom System gleichartige Komponenten und gleiche
Schnittstellen zum Einsatz gelangen. Diese Komponenten können somit
in höherer
Stückzahl
gefertigt werden, so dass sich hierdurch insbesondere durch einen
geringeren Aufwand beim Engineering geringere Kosten ergeben. Ein
weiterer Vorteil ist in der Vereinfachung der Fahrzeugverkabelung
zu sehen. Dabei kann bei ungefähr
gleichem Strom und folglich gleichem Kabelquerschnitt bei der Gleichstromsammelschiene
mit nur zwei Leitungen annähernd
die gleiche Leistung übertragen
werden, wie bei der drei Leitungen umfassenden Drehstrom-Sammelschiene.
Zudem ist ein weiterer, wesentlicher Vorteil bei der Verwendung
von Gleichstrom-Sammelschienen
in einem verbesserten EMV-Verhalten des Fahrzeugs zu sehen. Auf
schwere und teure Sinus- und EMV-Filter kann dabei verzichtet werden.
Auch die Schnittstellen zu den Subsystemen gestalten sich einfacher.
In Schienenfahrzeugen des Fernverkehrs kommen daher verbreitet Gleichstrom-Sammelschienen mit
zwei Leitern und vorzugsweise 670 V zum Einsatz. Mit dieser Spannung
werden vorzugsweise Großverbraucher
mit einer hohen Leistungsaufnahme versorgt. Aber gerade daraus resultiert
auch ein Nachteil der eingesetzten Gleichstrom-Sammelschienen mit
2-Leitungstechnik. Da in den Schienenfahrzeugen auch eine Vielzahl von
Verbrauchern mit einer vergleichsweise geringen Leistungsaufnahme
(z. B. Heizung für
die Frontscheibe des Triebfahrzeugs oder Rohrbegleitheizung am WC-System)
im Einsatz ist, ergibt sich eine Diskrepanz zwischen der von diesen
Verbrauchern benötigten
Leistung (im Bereich einiger Watt) und den auf dem Markt befindlichen
Schutz- und Schaltgeräten mit
Leistungen im Kilowattbereich.
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Aufgabe der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die
vorgenannten Nachteile zu vermeiden. Insbesondere besteht die Aufgabe
darin, eine Bordnetzenergieversorgung zu schaffen, welche unter
Beibehaltung der aus dem Einsatz von Gleichstrom-Sammelschienen resultierenden Vorteile
dem unterschiedlichen Leistungsbedarf der Vielzahl in einem Schienenfahrzeug
betriebener Verbraucher Rechnung trägt. Die Aufgabe wird durch
eine Bordnetzenergieversorgung gemäß den Merkmalen des Hauptanspruchs
gelöst.
Vorteilhafte Aus- bzw. Weiterbildungen der Erfindung sind durch
die Unteransprüche
gegeben. Die gemäß der Erfindung
vorgeschlagene Bordnetzenergieversorgung basiert ebenfalls auf einer
Gleichstrom-Sammelschiene. Aller dings umfasst diese Sammelschiene
abweichend von den nach dem Stand der Technik bekannten Gleichstrom-Sammelschienen
ebenso wie Drehstrom-Sammelschienen drei Leiter. Die Sammelschiene
wird durch einen ersten, positives Potenzial führenden Leiter, einen zweiten
negatives Potenzial führenden
Leiter und einen dritten Mittelleiter ausgebildet. Der Mittelleiter führt ein
Potenzial, welches zwischen dem Potenzial des ersten und des zweiten
Leiters liegt. Die Spannungsversorgung von Verbrauchern und oder
Wandlern bzw. Umformern des Schienenfahrzeugs erfolgt demgemäß durch
deren Anschluss an den ersten und den zweiten Leiter oder den Anschluss
an den Mittelleiter und an einen der beiden anderen Leiter. Entsprechend
einer möglichen
Ausbildung der Erfindung stellt der Mittelleiter der Gleichstrom-Sammelschiene
hinsichtlich des von ihm geführten
Potenzials schaltungstechnisch eine so genannte schwimmende Masse
dar. Vorzugsweise ist aber die Strom-Sammelschiene hinsichtlich
der Potenzialverhältnisse
symmetrisch ausgebildet. Zwischen dem ersten Leiter positiven Potenzials
und dem Mittelleiter sowie zwischen dem zweiten Leiter negativen
Potenzials und dem Mittelleiter besteht dabei die gleiche Potenzialdifferenz.
Zur Gewährleistung
dessen sollte der Mittelleiter der Gleichstrom-Sammelschiene vorteilhafterweise
mit der Schaltungsmasse einer die Sammelschiene speisenden Energiequelle
verbunden sein. Abhängig
von der die Sammelschiene speisenden Energiequelle für die Bordnetzenergieversorgung
wird deren Mittelleiter durch ein Netzwerk erzeugt, welches beispielsweise
ein Schaltungsbestandteil eines Generators oder Umrichters ist.
Denkbar ist allerdings auch die Erzeugung durch eine nachgeschaltete
Einheit, beispielsweise durch ein der Schaltungseinheit zur Gleichspannungserzeugung
in einem Generator nachgeschaltetes Netzwerk, mittels welchem die
Spannung zwischen dem ersten Leiter positiven Potenzials und dem
zweiten Leiter negativen Potenzials halbiert wird. Dabei besteht
eine Möglichkeit darin,
den ersten Leiter positiven Potenzials und den zweiten Leiter negativen
Potenzials durch zwei in Reihe geschaltete Kapazitäten bzw.
Kondensatoren miteinander zu verbinden und den Mittelleiter zwischen
diesen beiden Kapazitäten herauszuführen. Der
erste und der zweite Leiter bleiben dabei gleichspannungsmäßig voneinander
entkoppelt. Die Erfindung eröffnet
die Möglichkeit, grundsätzlich am
Konzept einer vorzugsweise 670 V-Gleichspannungsversorgung und den
sich daraus ergebenden, eingangs erwähnten Vorteilen festzuhalten.
Durch geringfügige
schaltungstechnische Veränderungen
im Bereich der Energiequellen erfolgt lediglich mittels eines einfachen
Netzwerkes die Erzeugung eines Mittelleiters und somit die Erzeugung eines,
gegebenenfalls auch (im Falle einer unsymmetrischen Spannungsteilung)
zweier weiterer Spannungswerte, wodurch dem unterschiedlichen Leistungsbedarf
der Verbraucher besser Rechnung getragen werden kann. Größere, leistungsstarke
Verbraucher werden demnach weiterhin mit einer zwischen dem ersten
und dem zweiten Leiter abgenommenen Eingangsspannung von vorzugsweise
670 V versorgt, während
leistungsschwächere
Verbraucher bzw. Kleinverbraucher im Falle der bevorzugten spannungssymmetrischen
Aufteilung dieser Spannung mit vorzugsweise 335 V versorgt werden
können.
Letztere werden hierzu an den Mittelleiter und den positives oder
den negatives Potenzial führenden
Leiter angeschlossen. Hierbei ist lediglich auf eine annähernd gleiche
Belastung der beiden positives bzw. negatives Potenzial führenden
Leiter zu achten, was jedoch bei der Anlagenprojektierung ohne Schwierigkeiten
sichergestellt werden kann. Vorteile, wie das gegenüber mit
Drehstrom arbeitenden Bordnetzen verbesserte EMV-Verhalten, wodurch auf schwere sowie
teure Sinus- und EMV-Filter verzichtet
werden kann, bleiben ebenso erhalten wie die Gleichartigkeit der
Energieversorgung bezogen auf Triebfahrzeuge und Wagen sowie die
Unabhängigkeit
von der Traktionsart. Die bisher verwendeten Komponenten (Verbraucher
sowie Schutz- und Schaltgeräte)
können
weiterhin eingesetzt und unter Nutzung einfacher Schnittstellen
dezentral im Schienenfahrzeug angeordnet werden, wodurch der Vorteil einer
gegenüber
Drehstromanlagen besseren Platzausnutzung und Masseverteilung ebenfalls
erhalten bleibt. Dem sich bei der Verkabelung im Verhältnis zu
2-Leitersystemen aufgrund des zusätzlichen Mittelleiters ergebenden
Mehraufwand stehen eine Reihe von weiteren Vorteilen gegenüber. So
ist zunächst
festzuhalten, dass sich die Zahl der für den Einsatz in den Fahrzeugen
zur Verfügung
stehenden Standardgeräte
durch die im Hinblick auf die zur Verfügung stehenden Versorgungsspannungen
gegebene Variabilität
erhöht.
Dabei können
zum Beispiel einige Verbraucher mit kleiner Leistungsaufnahme, wie Heizungen
zu Frostschutzzwecken oder für
die Fahrzeugfrontscheibe, zumindest teilweise unmittelbar mit vorzugsweise
335 V betrieben werden, ohne dass ein separates Drehstromnetz zur
Versorgung dieser Komponenten aufgebaut werden muss. Komponenten,
welche für
den Anschluss an 400 V geeignet sind, können gegebenenfalls ebenso
verwendet werden. Aber auch für
Schutz- und Schaltgeräte
besteht gegenüber
2-Leiteranlagen mit vorzugsweise 670 V eine höhere Geräteauswahl. Standard-Drehstromgeräte weisen
bei vorzugsweise DC 335 V eine höhere noch
akzeptable Schaltleistung auf als bei vorzugsweise 670 V, worin
ein weiterer Vorteil besteht. Für Steckdosen
kann die Wechselspannung von 230 V bei 50 Hz über einphasige Wechselrichter
direkt aus der Zwischenkreisspannung von vorzugsweise 335 V erzeugt
werden.
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[Beispiele] Die Erfindung soll nachfolgend anhand
eines Ausführungsbeispiels
nochmals näher erläutert werden.
In der zugehörigen
Zeichnung wird ein einfaches Beispiel für ein Netzwerk 4 zur
Erzeugung des Mittelleiters 3 in einem mit 670 V arbeitenden
DC-System dargestellt. Der Mittelleiter 3 wird erzeugt,
in dem der erste Leiter 1 mit positivem Potenzial und der
zwei te, negatives Potenzial führende
Leiter 2 über
zwei in Reihe zueinander geschaltete Kondensatoren 5, 6 (mit
selbstverständlich
entsprechender Spannungsfestigkeit) verbunden werden. Im Hinblick
auf die zwischen ihnen abnehmbare Gleichspannung, von im Beispiel
670 V, bleiben der Leiter 1 und der Leiter 2 voneinander
entkoppelt. Zwischen den Kondensatoren 5, 6 wird
der Mittelleiter 3 herausgeführt. Durch das Netzwerk 4 mit
dem vorzugsweise auf der Schaltungsmasse einer Energiequelle, wie
einem Generator oder Umrichter, liegenden Mittelleiter 3 wird
die Gleichspannung von 670 V, wie im Bild erkennbar, symmetrisch
geteilt. Zwischen dem Mittelleiter 3 und jeweils einem
der Leiter 1 bzw. 2 steht eine Gleichspannung von 335 V
zur Verfügung. Diese
Spannung steht für
die Versorgung von Verbrauchern mit kleinerer Leistungsaufnahme
zur Verfügung,
während
für große Verbraucher
oder Schaltgeräte
wie bisher eine Gleichspannung von 670 V zwischen den Leitern 1 und 2 abnehmbar
ist. Für
die Ausbildung des Netzwerkes 4 zur Erzeugung eines Mittelleiters, 3 sind
unterschiedliche Möglichkeiten gegeben,
welche in Abhängigkeit
von der Ausführung
der Energiequelle (z. B. Generator oder Umrichter) differieren.
Das dargestellte Netzwerk 4 stellt somit nur eine grundsätzliche
einfache Möglichkeit
dar.
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- 1
- Leiter
mit positivem Potenzial P (+)
- 2
- Leiter
mit negativem Potenzial N (–)
- 3
- Mittelleiter
MP
- 4
- Netzwerk
- 5;
6
- Kapazität bzw. Kondensator