DE19831204A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Betrieb von elektromotorisch angetriebenen Fahrzeugen - Google Patents

Abstract

Zum Betrieb von elektromotorisch angetriebenen, aus einem Fahrstromnetz 2 gespeisten Fahrzeugen 3 wird zumindest ein Teil der von den elektromotorisch angetriebenen Fahrzeugen 3 beim Anfahren oder Beschleunigen benötigten Energie in kinetische Energie speichernden Energiespeichern 4 gespeichert, die mit einem einen Streckenabschnitt des Fahrstromnetzes 2 speisenden Unterwerken 1 und/oder den Fahrzeugen 3 selbst verbunden sind. Damit wird zum einen die Aufnahme von Rückspeiseenergie von bremsenden Fahrzeugen möglich, die ihre Bremsenergie an das Fahrstromnetz abgeben, und zum anderen erfolgt eine Vergleichmäßigung der Stromaufnahme aus der Sicht des Versorgungsnetzes und damit ein Abbau von Lastspitzen, so daß Unterwerke geringer elektrischer Leistung bei Gewährleistung eines sicheren Fahrbetriebes geschaffen werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betrieb elektromotorisch angetriebener, aus einem Fahrstromnetz gespeister Fahrzeuge.

Elektromotorisch angetriebene Fahrzeuge, insbesondere elektromotorisch angetriebene Nahverkehrs-Fahrzeuge, wie U-, S- oder Straßenbahnen sowie Oberleitungsbusse, werden üblicherweise aus einem Fahrstromnetz gespeist, das die Fahrspannung aus mehreren Unterwerken bereitstellt, die an das Energieversorgungsnetz von Energieversorgungsunterneh­ men angeschlossen sind und üblicherweise die aus dem Ener­ gieversorgungsnetz erhaltene Mittelspannung von beispiels­ weise 10 kV in eine Fahrspannung von 750 V Gleichspannung umwandeln. Jedes der Unterwerke befindet sich im Bereich des von ihm zu versorgenden Streckenabschnittes des Fahr­ stromnetzes für die elektromotorisch betriebenen Fahrzeuge und versorgt diesen Streckenabschnitt mit der Fahrspannung.

Fig. 1 zeigt in einer Prinzipdarstellung die Einspeisung einer Mittelspannung U_M aus einem Energieversorgungsnetz in ein Unterwerk 1, das über ein Fahrstromnetz 2 eine Fahrspan­ nung U_F für einen Streckenabschnitt einspeist, aus dem elek­ tromotorisch angetriebene Fahrzeuge 3 versorgt werden.

Weist ein Nahverkehrsnetz beispielsweise 50 Unterwerke und ca. 200 Bahnhöfe auf, so versorgt jedes Unterwerk im Mittel einen Streckenabschnitt mit vier Bahnhöfen. Im Falle größe­ rer Verkehrsdichte würde somit jedes Unterwerk beispielswei­ se zwei elektromotorisch angetriebene Fahrzeuge speisen.

Ein elektromotorisch angetriebenes Nahverkehrs-Fahrzeug benötigt beispielsweise bei einer Fahrspannung von 750 V für eine Zeitdauer von 10 bis 15 Sekunden einen Fahrstrom von ca. 4000 A, um auf Nenngeschwindigkeit zu beschleuni­ gen. Nach Erreichen der Nenngeschwindigkeit sinkt die Stromaufnahme auf ca. 1000 A ab und wird im Bremsbetrieb des Fahrzeugs auch unter Verwendung einer Gegenstrombremse weiter reduziert. Beim Abbremsen der Fahrzeuge wird die kinetische Energie des Fahrzeugs mechanisch über die Fahr­ zeugbremsen und elektrisch über hochbelastbare elektrische Bremswiderstände, die in den Hauptstrom der Elektromotoren des Fahrzeugs eingeschaltet werden, in Wärme umgewandelt.

Moderne elektromotorisch angetriebene Fahrzeuge weisen Einrichtungen zur Rückspeisung der Bremsenergie in das Fahrstromnetz auf, die beispielsweise aus steuerbaren Stromrichtern bestehen, die entweder die Antriebsmotoren der Fahrzeuge aus dem Fahrstromnetz gesteuert speisen oder beim Abbremsen des Fahrzeugs und einem damit verbundenen Generatorbetrieb der Antriebsmotoren Strom in das Fahrstrom­ netz zurückspeisen.

Mit einer Rückspeisung elektrischer Energie in das Fahr­ stromnetz stehen somit anfahrenden Fahrzeugen in dem Mo­ ment, in dem es im selben Streckenabschnitt ein bremsendes Fahrzeugs gibt, die von dem bremsenden Fahrzeug zurückge­ speiste Energie zur Verfügung. Eine Verwertung der rückge­ speisten Energie ist also nur dann möglich, wenn in dem Moment des Abbremsens eines Fahrzeugs im selben Streckenab­ schnitt ein anfahrendes Fahrzeug vorhanden ist. Da dies nicht immer der Fall ist, müssen diese Fahrzeuge zusätzlich einen hochbelastbaren elektrischen Bremswiderstand haben, um unzulässige Spannungserhöhungen in dem Streckenabschnitt des Fahrstromnetzes zu vermeiden. Damit geht aber ebenfalls die Energieabgabe des bremsenden Fahrzeugs verloren.

Fig. 2 zeigt einen für ein Unterwerk typischen Verlauf der abgegebenen elektrischen Leistung über der Zeit und verdeut­ licht, daß bei der mittleren Leistungsabgabe (P_mittel) von 1,6 MW Spitzenleistungen von P_max = 5,4 MW zur Verfügung ge­ stellt werden müssen, so daß der Spitzenlastbereich 3,8 MW beträgt.

Für den Betreiber elektromotorisch angetriebener Fahrzeuge, insbesondere elektrisch betriebener Nahverkehrsmittel bedeutet dies, daß für das gesamte Fahrstromnetz Spitzenlei­ stungen bereitgestellt werden müssen, die nur in vergleichs­ weise kurzen Zeitabständen auftreten und die entsprechend hohe Anschlußwerte für die von dem Energieversorgungsunter­ nehmen bereitgestellten Mittelspannungsnetze erforderlich machen. Aus diesem Grunde zahlen Nahverkehrsbetreiber einen hohen Prozentsatz ihrer Energiekosten an die EVUs (Elektri­ zitäts-Versorgungsunternehmen) für die Bereitstellung von Spitzenlasten.

Zum Beispiel sind ca. 70% der typischen Unterwerksleistung nur für kurzzeitige Spitzen vorhanden, die auch in unregel­ mäßigen Abständen benötigt werden. Die EVUs berechnen nun einen Teil der Energiekosten, beispielsweise 30% nach der höchsten Spitze, die in einem sehr langen Betrachtungszei­ traum aufgetreten ist, so daß die nur kurzzeitigen Energie­ spitzen von den Nahverkehrsbetreibern teuer bezahlt werden müssen.

Außerdem muß die gesamte Anlage eines Unterwerks zur Ein­ speisung in das Fahrstromnetz einschließlich der Transforma­ toren, Gleichrichter, Schaltanlagen und dergleichen auf die größte anzunehmende Spitzenlast zzgl. Reserve ausgelegt werden, wobei eine Reserve unabdingbar ist, um im Fahr­ stromnetz aufgenommene Spitzenleistung sicher von Kurz­ schlüssen unterscheiden zu können.

Beispielsweise benötigen zwei anfahrende elektromotorisch angetriebene Fahrzeuge eine kurzzeitige Spitzenleistung von 2 × 750 V × 4000 A = 6 MW. Die vorzuhaltende Spitzenlei­ stung muß jedoch mit einem Sicherheitszuschlag von bei­ spielsweise 2 MW größer sein, um anfahrende elektromoto­ risch angetriebene Fahrzeuge sicher von Kurzschlüssen im Fahrstromnetz unterscheiden zu können, so daß die Unterwer­ ke in solchen Fällen eine Anschlußleistung von z. B. 8 MW benötigen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, die Anschlußlei­ stung der Unterwerke zur Speisung von Streckenabschnitten eines Fahrstromnetzes unter Gewährleistung eines sicheren Betriebes des Fahrstromnetzes zu verringern.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zumindest ein Teil der von den elektromotorisch angetriebe­ nen Fahrzeugen beim Anfahren oder Beschleunigen benötigten Energie in Energiespeicher gespeichert wird.

Diese Energiespeicher können mit dem Fahrstromnetz verbun­ den sein und einen Teil der vom Fahrstromnetz bereitgestell­ ten Energie speichern und/oder auf den Fahrzeugen selbst angeordnet sein.

Die Aufladung der Energiespeicher kann sowohl aus einem Versorgungsnetz eines Elektrizitäts-Versorgungsunternehmens als auch durch die Rückspeiseenergie von Fahrzeugen mit einer Einrichtung zur Rückspeisung elektrischer Energie im Bremsbetrieb erfolgen.

Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht somit die Aufnahme von Rückspeiseenergie, die von bremsenden Fahrzeugen an das Fahrstromnetz abgegeben wird, ohne daß die Fahrzeuge über einen hochbelastbaren und damit teuren Bremswiderstand verfügen müssen und Energie in Bremswiderständen oder mechanischen Bremsen verloren geht. Die gespeicherte Ener­ gie kann im Bedarfsfall beim Beschleunigen elektromotorisch angetriebener Fahrzeuge wiederverwendet werden.

Darüber hinaus erfolgt eine Vergleichmäßigung der Stromauf­ nahme aus der Sicht des Versorgungsnetzes und damit ein Abbau von Lastspitzen. Auf diese Weise werden Spitzenlei­ stungen abgefedert und die von einem Unterwerk vorzuhalten­ de Spitzenleistung muß beispielsweise nicht mehr 8 MW, sondern nur noch 2 MW betragen, was der mittleren Leistungs­ entnahme der auf einem Streckenabschnitt eines Fahrstromnet­ zes befindlichen Fahrzeuge zuzüglich eines Sicherheitszu­ schlages entspricht.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, daß die gespeicherte Energie als kinetische Energie gespeichert und im Bedarfsfall, d. h. beim Anfahren oder Beschleunigen elektromotorisch angetrie­ bener Fahrzeuge in elektrische Energie umgewandelt wird.

Die Umwandlung der rückgespeisten elektrischen Energie in kinetische Energie sowie deren Rückwandlung in elektrische Energie beim Beschleunigen der an das Fahrstromnetz ange­ schlossenen elektromotorisch angetriebenen Fahrzeuge ist mit einem hohen Wirkungsgrad verbunden, wobei die Energie­ speicherung in Verbindung mit einer intelligenten Steuerung wie die Speicherung elektrischer Energie in einer stromspei­ chernden Batterie funktioniert. Dabei muß der Energiespei­ cher in der Lage sein, Energie für beispielsweise zwei oder mehr gleichzeitig beschleunigende elektromotorisch angetrie­ bene Fahrzeuge zu speichern, beispielsweise für zwei oder mehr U-Bahnen auf einem von einem Unterwerk versorgten Streckenabschnitt.

Um den Betrag der notwendigen Energiespeicherung im Energie­ speicher zu minimieren, wird nach einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung der Fahrbetrieb der elektromoto­ risch angetriebenen Fahrzeuge in Abhängigkeit von der gespeicherten Energie gesteuert, wobei insbesondere ein Anfahren der elektromotorisch angetriebenen Fahrzeuge aus dem Stillstand und/oder ein Beschleunigen der Fahrzeuge in Abhängigkeit von der in den Energiespeichern gespeicherten Energie freigegeben oder gesperrt wird.

Vorzugsweise erfolgt die Fahrbetriebssteuerung der elektro­ motorisch angetriebenen Fahrzeuge selektiv für die in einem Segment des Fahrstromnetzes, d. h. in einem Streckenab­ schnitt befindlichen Fahrzeuge.

Nach einem weiteren Merkmal der erfindungsgemäßen Lösung wird der Fahrbetrieb der Fahrzeuge mittels Ampeln gesteu­ ert, die an den von einem Unterwerk gespeisten Streckenab­ schnitten vorgesehen sind. Damit kann beispielsweise das Anfahren oder Beschleunigen eines elektromotorisch angetrie­ benen Fahrzeuges um eine vorgegebene Zeitspanne verzögert werden, bis die in den Energiespeichern gespeicherte Ener­ gie einen vorgegebenen Wert erreicht hat.

Alternativ hierzu kann die Beeinflussung des Fahrbetriebs der elektromotorisch angetriebenen Fahrzeuge über eine Anzeigeeinrichtung in den Fahrzeugen selbst oder durch die Abgabe externer Steuersignale an die Motorsteuerung der elektromotorisch angetriebenen Fahrzeuge gesteuert werden.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemä­ ßen Lösung ist dadurch gekennzeichnet, daß die jeweilige Stromaufnahme der elektromotorisch angetriebenen Fahrzeuge an eine zentrale Steuer- und Regeleinrichtung für das Fahrstromnetz zurückgemeldet wird.

Durch diese Maßnahme kann beispielsweise ein Unterwerk die Gesamtstromaufnahme der elektromotorisch angetriebenen Fahrzeuge in dem von ihm gespeisten Streckenabschnitt addieren und mit dem vom Unterwerk abgegebenen Strom ver­ gleichen. Dadurch ist eine sichere Aussage gewährleistet, ob auf dem Streckenabschnitt ein Kurzschluß vorliegt oder nicht.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Betrieb von elektromo­ torisch angetriebenen, aus einem Fahrstromnetz gespeisten Fahrzeugen, die eine Einrichtung zur Rückspeisung elektri­ scher Energie im Bremsbetrieb aufweisen, ist durch mit dem Fahrstromnetz verbundenen und/oder in den Fahrzeugen ange­ ordneten Energiespeichern gekennzeichnet.

Anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbei­ spielen soll der der Erfindung zugrundeliegende Gedanke näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild der Speisung elektromotorisch angetriebener Fahrzeuge aus einem Streckenabschnitt eines Fahrstromnetzes gemäß dem Stand der Technik;

Fig. 2 eine Darstellung der zeitlichen Leistungsabgabe eines Unterwerks an einen Streckenabschnitt nach dem Stand der Technik;

Fig. 3 ein Blockschaltbild eines mit einem Energiespei­ cher verbundenen Unterwerks zur Versorgung eines Streckenabschnitts eines Fahrstromnetzes;

Fig. 4 ein Blockschaltbild einer Anordnung gemäß Fig. 3 mit einer Ampelsteuerung des Fahrbetriebs;

Fig. 5 ein Blockschaltbild gemäß Fig. 3 mit einer Steuerung des Fahrbetriebs durch Abgabe von Steuer- und/oder Anzeigesignalen an Fahrzeuge und

Fig. 6 ein Blockschaltbild mit im Fahrzeug angeordneten Energiespeichern.

Fig. 3 zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines Streckenabschnitts 2 eines Fahrstromnetzes, der aus einem Unterwerk 1 gespeist wird. Das Unterwerk 1 ist an ein Energieversorgungsnetz eines Energieversorgungsunternehmens angeschlossen, das eine Mittelspannung U_M von beispielswei­ se 10 kV in das Unterwerk 1 einspeist. Die vom Unterwerk 1 bereitgestellte Fahrspannung U_F dient zur Speisung elektro­ motorisch angetriebener Fahrzeuge 3, beispielsweise von elektrisch betriebenen Nahverkehrszügen, wie U-, S- oder Straßenbahnen sowie Oberleitungsbussen.

Das elektromotorisch angetriebene Fahrzeug 3 ist mit einer Schaltungsanordnung versehen, mit der beim Abbremsen des Fahrzeugs 3 ein Teil der im Bremsbetrieb freiwerdenden und durch den im Generatorbetrieb arbeitenden Antrieben des Fahrzeugs 3 als elektrische Energie in den betreffenden Streckenabschnitt des Fahrstromnetzes 2 zurückgespeist wird. Derartige Schaltungsanordnungen sind an sich bekannt, sie können beispielsweise aus Thyristorschaltungen beste­ hen, die die Stromzufuhr zu den elektrischen Antrieben des Fahrzeugs 3 und damit den Fahrbetrieb steuern und im Genera­ torbetrieb der Fahrzeugantriebe den von den Elektromotoren des Fahrzeugs 3 abgegebenen Strom in den betreffenden Streckenabschnitt des Fahrstromnetzes 2 zurückspeisen.

Der Energiespeicher 4 besteht vorzugsweise aus einem kineti­ sche Energie speichernden Energiespeicher beispielsweise in Form einer rotierenden Schwungscheibe, deren Welle mit der Motorwelle eines Elektromotors verbunden ist, der wahlweise im Motor- oder Generatorbetrieb arbeitet. Elektromotor und rotierende Schwungscheibe sind vorzugsweise im Vakuum angeordnet, um mechanische Verluste so gering wie möglich zu halten.

Eine Steuereinrichtung 5 ist elektrisch wechselseitig mit dem Unterwerk 1 und dem Energiespeicher 4 verbunden und empfängt Istwertsignale vom Unterwerk 1 und dem Energiespei­ cher 4 und gibt Steuersignale an das Unterwerk 1 und den Energiespeicher 4 ab.

Beim Abbremsen des Fahrzeugs 3 speisen die im Generatorbe­ trieb betriebenen Antriebsmotoren des Fahrzeugs 3 Energie in den Streckenabschnitt des Fahrstromnetzes 2 ein und diese zurückgespeiste Energie wird über das Fahrstromnetz 2 an den Energiespeicher 4 abgegeben. Über das Unterwerk 1 erfaßt die Steuereinrichtung 5 beispielsweise eine Erhöhung der Fahrspannung U_F auf dem Streckenabschnitt des Fahrstrom­ netzes 2 und steuert den Energiespeicher 4 in der Weise an, daß der mit der rotierenden Schwungscheibe verbundene Elektromotor im Motorbetrieb betrieben wird und die Schwung­ scheibe auf eine höhere Drehzahl und damit eine höhere kinetische Energie des Energiespeichers 4 beschleunigt.

Im normalen Fahrbetrieb des elektromotorisch angetriebenen Fahrzeugs 3, das heißt bei Nenngeschwindigkeit des Fahr­ zeugs 3, speist das Unterwerk 1 den normalen Fahrstrom in den Streckenabschnitt des Fahrstromnetzes 2 ein. Beim Anfahren oder Beschleunigen des elektromotorisch angetriebe­ nen Fahrzeugs 3 wird zusätzliche Energie aus dem Energie­ speicher 4 auf dem Streckenabschnitt des Fahrstromnetzes 2 bereitgestellt, indem die Steuereinrichtung 5 den mit der Schwungscheibe der Speichereinrichtung 4 verbundenen Elek­ tromotor in den Generatorbetrieb umschaltet und damit die in der rotierenden Schwungscheibe gespeicherte Energie in elektrische Energie umwandelt, die in den Streckenab­ schnitt 2 eingespeist wird.

Dadurch ist es beim Anfahren und Beschleunigen des elektro­ motorisch angetriebenen Fahrzeugs 3 nicht erforderlich, daß das Unterwerk 1 die gesamte Spitzenleistung von beispiels­ weise 4000 A bei einer Fahrspannung U_F von 750 V, das heißt von ca. 8 MW, für 10 bis 15 Sekunden zur Verfügung stellt, sondern lediglich einen Anteil von beispielsweise 2 MW. Der Energiespeicher 4 in Verbindung mit der Steuereinrichtung 5 übt somit die Funktion einer den rückgespeisten Strom speichernden und diesen im Bedarfsfall wieder abgebenden Batterie aus.

Nachteilig bei dieser Anordnung ist, daß der Energiespei­ cher 4 so ausgelegt werden muß, daß er Energie für zwei oder mehr gleichzeitig anfahrende elektromotorisch angetrie­ bene Fahrzeuge 3 speichern muß, die sich in dem betreffen­ den Streckenabschnitt 2 des Fahrstromnetzes befinden. Damit verbunden ist eine entsprechend große Auslegung des Energie­ speichers 4, das heißt eine entsprechende Vielzahl rotieren­ der, mit Elektromotoren verbundener Schwungscheiben zur Speicherung kinetischer Energie.

Eine Möglichkeit, die Speicherkapazität des Energiespei­ chers 4 zu minimieren, ist in Fig. 4 dargestellt und besteht bei ansonsten gleicher Schaltungsanordnung wie in Fig. 3 darin, daß der Fahrbetrieb der elektromotorisch angetriebenen Fahrzeuge 3 durch eine Ampelsteuerung 6 beeinflußt wird. Die Ampeln 6 auf einem Streckenabschnitt des Fahrstromnetzes 2 werden von der Steuereinrichtung 5 angesteuert. Dadurch wird erreicht, daß ein haltendes Fahrzeug 3 erst dann anfahren und damit Energie aus dem Energiespeicher 4 beziehen kann, wenn die betreffende Ampel 6 die Freigabe erteilt. Damit wird der Fahrbetrieb sämtlicher auf dem betreffenden Streckenabschnitt des Fahrstromnetzes 2 befindlicher elektromotorisch angetriebe­ ner Fahrzeuge 3 in der Weise beeinflußt, daß z. B. nur ein Fahrzeug 3 anfahren kann, während andere, stehende Fahrzeu­ ge für eine kurze Zeitspanne von beispielsweise 15 s ange­ halten werden.

Nachdem ein Fahrzeug 3 die Freigabe erhalten und nach der Beschleunigung die Nenngeschwindigkeit erreicht hat, kann einem zweiten Fahrzeug 3 die Freigabe erteilt und dieses auf Nenngeschwindigkeit beschleunigt werden usw.

Durch eine entsprechende Aufteilung der Streckenabschnit­ te 2 und der damit verbundenen maximalen Anzahl auf dem Streckenabschnitt befindlicher Fahrzeuge 3 kann die gesamte Anordnung in der Weise beeinflußt werden, daß der Energie­ speicher 4 den Energiebedarf eines anfahrenden oder be­ schleunigenden Fahrzeuges deckt und somit in seiner Baugrö­ ße minimiert wird, ohne daß eine nennenswerte Verzögerung im Fahrbetrieb der Fahrzeuge 3 auftritt.

Eine weitere Möglichkeit der Beeinflussung des Fahrbetrie­ bes der Fahrzeuge bei Minimierung der Baugröße des Energie­ speichers 4 ist als Blockschaltbild in Fig. 5 dargestellt. Bei dieser Anordnung erfolgt die Beeinflussung des Fahrbe­ triebs der Fahrzeuge 3 nicht über eine Ampelsteuerung, sondern über Steuer- und/oder Anzeigeeinrichtungen in den Fahrzeugen selbst. Zu diesem Zweck ist ein Modulator 7 vorgesehen, über den von der Steuereinrichtung 5 abgegebene Steuersignale beispielsweise der Fahrspannung U_F des Streckenabschnittes des Fahrstromnetzes aufmoduliert und zu den Fahrzeugen 3 übertragen werden.

Die Beeinflussung des Fahrbetriebes der auf einem Strecken­ abschnitt befindlichen elektromotorisch angetriebenen Fahr­ zeuge 3 kann beispielsweise durch Anzeigesignale im Führer­ stand der Fahrzeuge 3 erfolgen und damit dem Fahrer des Fahrzeugs 3 signalisieren, daß ein Anfahren oder Beschleuni­ gen des Fahrzeugs 3 möglich oder gesperrt ist. Alternativ hierzu kann die Steuereinrichtung 5 unmittelbar in die Fahrzeugsteuerung eingreifen und beispielsweise ein Be­ schleunigen oder Anfahren des Fahrzeugs aus dem Stillstand blockieren oder freigeben.

Eine weitere Möglichkeit der Optimierung des Fahrbetriebes besteht darin, daß das elektromotorisch angetriebene Fahr­ zeug 3 seine aktuelle Stromaufnahme an das Unterwerk 1 bzw. die Steuereinrichtung 5 zurückmeldet, indem beispielsweise ein entsprechendes Istwertsignal der Fahrspannung U_F aufmo­ duliert wird. Damit wird das Unterwerk 1 bzw. die Steuerein­ richtung 5 in die Lage versetzt, die Stromaufnahme sämtli­ cher elektromotorisch angetriebener Fahrzeuge 3 auf dem betreffenden Streckenabschnitt des Fahrstromnetzes 2 zu addieren und mit dem vom Unterwerk 1 bzw. vom Energiespei­ cher 4 abgegebenen summierten Strom zu vergleichen. Auf diese Weise ist eine absolut sichere Aussage gewährleistet, ob ein Kurzschluß auf dem Streckenabschnitt 2 vorliegt oder ob die Höhe des Gesamtstromes in dem Streckenabschnitt 2 durch die erhöhte Stromaufnahme anfahrender Fahrzeuge 3 bedingt ist.

Fig. 6 zeigt ein schematisches Blockschaltbild einer Anordnung mit einem auf einem elektromotorisch angetriebe­ nen Fahrzeug 3 angeordneten Energiespeicher 8, der im Brems­ betrieb des Fahrzeugs 3 rückgespeiste elektrische Energie in kinetische Energie umwandelt und beim Anfahren und Be­ schleunigen des Fahrzeugs 3 die kinetische Energie in elektrische Energie zurückwandelt und an den Antrieb des Fahrzeugs 3 abgibt. Die Steuerung des Energieflusses zwi­ schen dem Antrieb des Fahrzeugs 3 und dem Energiespeicher 8 wird mittels einer Steuereinrichtung 9 durchgeführt, die zu­ gleich die Fahrspannung U_F im Streckenabschnitt, in dem sich das Fahrzeug 3 befindet, überwachen kann.

Die Steuereinrichtung 9 erfaßt zusätzlich den Speicherzu­ stand des Energiespeichers 8 und kann beispielsweise bei verringertem Energiebetrag auch eine Nachladung aus dem Fahrstromnetz 2 bewirken, wobei das Nachladen über einen größeren Zeitraum erfolgen kann, so daß keine wesentliche Belastung des Fahrstromnetzes 2 erforderlich ist. Der von der Steuereinrichtung 9 erfaßte Ladezustand des Energiespei­ chers 8 kann zusätzlich dem Fahrer des Fahrzeugs 3 ange­ zeigt werden bzw. entsprechend der Anordnung gemäß Fig. 5 unmittelbar in die Steuerung des Fahrzeugs 3 eingreifen.

Die Anordnung gemäß Fig. 6 weist den Vorteil auf, daß der vom Unterwerk 1 in das Fahrstromnetz 2 bzw. den ihm zugeord­ neten Streckenabschnitt des Fahrstromnetzes 2 zu liefernden Strom konstant niedrig ist, so daß das Unterwerk 1 eine konstante Leistung an das Fahrstromnetz 2 abgibt und somit eine konstante Leistung aus dem Energieversorgungsnetz mit der entsprechenden Mittelspannung U_M entnimmt.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß das elektromoto­ risch angetriebene Fahrzeug 3 wie mit einer Batterie auch ohne Anordnung eines Unterwerks fahrbereit ist. So kann beispielsweise eine Straßenbahn mit einem aufgeladenen Energiespeicher 8 ohne Vorhandensein einer Fahrstromlei­ tung, das heißt ohne Oberleitung, mehrere Stationen anfah­ ren, bevor ihr Energiespeicher 8 erneut nachgeladen werden muß. Damit entfallen die Kosten der Installation einer Fahr­ stromleitung und insbesondere in Ballungsräumen entfällt die Notwendigkeit der Anbringung von Oberleitungen.

Schließlich besteht ein weiterer Vorteil dieser Betriebswei­ se darin, daß die von dem elektromotorisch angetriebenen Fahrzeug 3 rückgespeiste Energie direkt in dem Fahrzeug verwendet werden kann.

Selbstverständlich ist auch ein Mischbetrieb möglich, bei dem sowohl das elektromotorisch angetriebene Fahrzeug 3 als auch die Unterwerke 1 mit Energiespeichern 4 bzw. 8 verbun­ den sind. Mit einer solchen Anordnung kann beispielsweise ein Fahrzeug 3 einen Teil der zum Anfahren oder Beschleuni­ gen benötigten Energie in dem bordeigenen Energiespeicher mit sich führen und eine Rest aus dem Fahrstromnetz decken, das seinerseits Energie für eine bestimmte Anzahl auf dem von ihm gespeisten Streckenabschnitt befindlicher Fahrzeuge bereitstellt, die in seinem Energiespeicher gespeichert werden. Im Bremsbetrieb speisen die Fahrzeuge zunächst Energie in den bordeigenen Speicher zurück und geben einen Restbetrag der zurückgespeisten elektrischen Energie an den mit dem Unterwerk verbundenen Energiespeicher ab.

Mit einer derartigen Anordnung kann die Baugröße sowohl der bordeigenen Energiespeicher der Fahrzeuge als auch der Unterwerke minimiert, eine weitgehend autonome Energiever­ sorgung der Fahrzeuge sichergestellt und gleichwohl ein sicherer Betrieb im Fahrstromnetz gewährleistet werden.

Claims (18)

1. Verfahren zum Betrieb von elektromotorisch angetriebe­ nen, aus einem Fahrstromnetz gespeisten Fahrzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der von den elektromotorisch an­ getriebenen Fahrzeugen (3) beim Anfahren oder Beschleu­ nigen benötigten Energie in Energiespeicher (4, 8) ge­ speichert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in den Energiespeichern (4, 8) gespeicherte Energie aus dem Versorgungsnetz eines Elektrizitäts-Versorgungs­ unternehmens und/oder aus der Rückspeiseenergie von Fahrzeugen mit einer Einrichtung zur Rückspeisung elek­ trischer Energie im Bremsbetrieb bezogen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Rückspeiseenergie in mit dem Fahrstromnetz (2) verbundenen Energiespeichern (4) gespeichert und als Teil der vom Fahrstromnetz (2) abgegebenen Energie bereitgestellt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Rückspeiseenergie in auf den Fahrzeugen (3) angeordneten Energiespeichern (8) gespeichert wird.

5. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die gespeicherte Energie als kinetische Energie gespeichert wird.

6. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die gespeicherte Energie bei einem Absinken der Spannung (U_F) des Fahr­ stromnetzes (2) unter einen vorgegebenen Spannungswert in elektrische Energie umgewandelt und in das Fahrstrom­ netz (2) eingespeist wird.

7. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die gespeicherte Energie bei einem Absinken der Speisespannung der elek­ tromotorisch angetriebenen Fahrzeuge (3) unter einen vorgegebenen Spannungswert in elektrische Energie umgewandelt und an den Antrieb der Fahrzeuge (3) abgege­ ben wird.

8. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Fahrbetrieb der Fahrzeuge (3) in Abhängigkeit von der gespeicherten Energie des Fahrstromnetzes (2) und/oder der in den Fahrzeugen (3) gespeicherten Energie gesteuert wird.

9. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Anfahren der Fahrzeuge (3) aus dem Stillstand und/oder ein Beschleu­ nigen der Fahrzeuge (3) in Abhängigkeit von der gespei­ cherten Energie freigegeben oder gesperrt wird.

10. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fahrbetriebs­ steuerung der Fahrzeuge (3) selektiv für die in einem Streckenabschnitt des Fahrstromnetzes (2) befindlichen Fahrzeuge (3) durchgeführt wird.

11. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Fahrbetrieb der Fahrzeuge (3) mittels auf der bzw. den Streckenab­ schnitten des Fahrstromnetzes (2) angeordneten Ampeln (6) gesteuert wird.

12. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Fahrbetrieb der Fahrzeuge (3) durch Anzeigesignale in den Fahrzeu­ gen (3) gesteuert wird.

13. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Fahrbetrieb der Fahrzeuge (3) durch Abgabe externer Steuersignale an die Antriebssteuerung der Fahrzeuge (3) gesteuert wird.

14. Verfahren nach mindestens einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweilige Stromaufnahme der Fahrzeuge (3) an eine zentrale Steuer- und Regeleinrichtung (5) für das Fahrstromnetz zurückgemeldet wird.

15. Vorrichtung zum Betrieb von elektromotorisch angetrie­ benen, aus einem Fahrstromnetz gespeisten Fahrzeugen, die eine Einrichtung zur Rückspeisung elektrischer Energie im Bremsbetrieb aufweisen, gekennzeichnet durch mit dem Fahrstromnetz (2) verbundene und/oder in den Fahrzeugen (3) angeordnete Energiespeicher (4, 8).

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Energiespeicher (4, 8) und den Fahrstrom in das Fahrstromnetz (2) einspeisende Unterwerke (1) mit einer Steuereinrichtung (5) verbunden sind.

17. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Energiespeicher aus kinetische Energie speichernden Energiespeichern, vorzugsweise aus mit im Generator- und Motorbetrieb arbeitenden Elektromotoren verbundenen rotierenden Schwungschei­ ben, bestehen.

18. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrich­ tung mit einer in der Fahrstrecke angeordneten Licht­ signalanlage (6) verbunden ist.