DE2357504A1

DE2357504A1 - Einrichtung zur versorgung von nutzverbrauchern in einem eisenbahnfahrzeue

Info

Publication number: DE2357504A1
Application number: DE19732357504
Authority: DE
Inventors: Herbert Seeger
Original assignee: Fried Krupp AG
Current assignee: Fried Krupp AG
Priority date: 1973-11-17
Filing date: 1973-11-17
Publication date: 1975-05-28
Also published as: BE822055A; LU71291A1; DE2357504C3; CH585627A5; IT1017972B; FR2251454A1; FR2251454B1; ATA913974A; NL7414421A; DE2357504B2; ES431807A1; AT340006B

Description

FRIED. KRUPP GESELLSCHAFT MIT
BESCHRÄNKTER HAFTUNG in Essen

Einrichtung zur Versorgung von Nutzverbrauchern in einem Eisenbahnfahrzeug

Für Reisezugwagen, die in Eisenbahnnetzen verschiedener Länder verkehren sollen, wird vielfach gefordert, daß die Energieversorgung der Nutzverbraucher der Wagen aus den Fahrleitungen erfolgt, die in den verschiedenen Ländern unterschiedliche elektrische Spannungen aufweisen. In Betracht kommen Gleichspannungen von 1500 und 3000 Volt sowie Wechselspannungen von 15 000 Volt bei 16 2/3 Hz und von 25 000 Volt bei 50 Hz» Hierbei erhalten die Nutzverbraucher der Wagen eines Reisezuges die Energie aus einer durch den Zug hindurchgehenden Sammelleitung, die über den Stromabnehmer der Lokomotive an die Fahrleitungen angeschlossen ist, und zwar bei Wechselspannung über einen Transformator, so daß die Wechselspannungen an der Sammelleitung 1000 bzw. 1500 Volt betragen,,

Die Erfüllung der genannten Forderung bereitet nicht nur wegen der Verschiedenheit der jeweils zur Verfügung stehenden Spannungen Schwierigkeiten, sondern auch wegen der Vielfalt der in Betracht kommenden Nutzverbraucher, welche mit unterschiedlichen Spannungen betrieben werden, die zum Teil erheblich niedriger sind als die an der Sammelleitung auftretenden Spannungen. Es handelt sich z.B_e um Batterieladegeräte, Küchenmaschinen, Brauchwasserbereiter, Vorraum- und WC-Heizungen sowie um Klimatisierungsanlagen mit Kompressoren, Dabei ist insbesondere der Antrieb der Kompressoren wegen des unregelmäßigen Betriebes mit Stromstößen verbunden.

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Zur Lösung des hiernach anstehenden Problemes sind schon eine Reihe von Vorschlägen gemacht worden.

So ist es aus der deutschen Patentschrift 1 563 947 bekannt, daß dann, wenn an der Fahrleitung eine Gleichspannung ansteht, ein rotierende. Umformer mit zwei Drehstrom-Ausgängen über Gleichrichter verschiedene Nutzverbraucher mit unterschiedlichen Spannungen speist, während aus einer Fahrleitung mit Wechselspannung den Nutzverbrauchern die Energie über einen Transformator und weitere Gleichrichter zugeführt wird,,

Ferner ist in einem Aufsatz über "Die zentrale elektrische Energieversorgung von Reisezugwagen", abgedruckt in "Glasers Annalen¹¹ 1966 in Bild 10 auf Seite 374 vorgeschlagen worden, daß zwei statische Wechselrichter, die je nach der Höhe der anstehenden Gleichspannungen parallel oder in Reihe geschaltet werden, mit je einem für die volle Strom stärke bemessenen Transformator versehen werden,, Eine solche Schaltung einer Viersystem-Energieversorgung bedingt einen beträchtlichen Aufwand und hat außerdem den Nachteil, daß die Motoren der Klimaanlage zusammen mit der Batterie an das für diese benötigte Regelgerät angeschlossen sind.

Gegenüber dieser Anordnung wird eine erhebliche Ersparnis gemäß der deutschen Offenlegungsschrift 2 124 390 dadurch erzielt, daß ein und derselbe Transformator nicht nur für den Wechselspannungsbetrieb, sondern als Bestandteil eines statischen Wechselrichters auch für den Gleichspannungsbetrieb ausgenutzt wird. Hierbei sind an eine Sekundärwicklung des Transformators ein Batterieladegerät mit nachgeschalteten Gleichstromverbrauchern und an eine weitere Sekundärwicklung verschiedene

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Wechselstromverbraucher angeschlossene Da für den Antrieb der Kompressörmotoren der Klimaanlage eine einphasige Wechselspannung aus der letzteren Sekundärwicklung nicht zweckdienlich ist, hat man vorgeschlagen, an diese Sekundärwicklung einen Drehstrom-Umrichter anzuschließen, der Drehstrom zum Antrieb der Kompressoren liefert (deutsche Patentanmeldung P 22 02 302.5).

Demgegenüber liegt der vorliegenden, in den Ansprüchen gekennzeichneten Erfindung die Aufgabe zugrunde, das erwähnte Problem, insbesondere hinsichtlich unregelmäßig arbeitender, starker Nutzverbraucher,, vor allem hinsichtlich der Klimatisierungsanlage, noch wirtschaftlicher zu lösen.

Die Erfindung bringt den Fortschritt, daß der statische Umrichter, der auch '■ gemäß der vorliegenden Erfindung Anwendung findet, weitgehend von Stromspitzen verschont wird, wie sie bisher insbesondere beim Einschalten der Kompressoren für die Klimatisierungsanlage in Rechnung gestellt werden mußten. Auch ergibt sich gegenüber den bisherigen Vorschlägen eine namhafte Vereinfachung der Schaltung und damit eine Verringerung der Kosten und des Gewichtes.

Die Zeichnung besteht aus Schaltbildern von Einrichtungen nach zwei Ausführungsbeispieleh des Erfindungsgegensfandes; und zwar zeigens

Fig· 1 ein Blockschaltbild einer Einrichtung nach dem ersten Ausführungsbeispiel,

Fig» 2 ein Schaltbild für eine Einrichtung nach dem zweiten Ausführungsbeispiel,

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Fig. 3, 4, 5 und 6 dasselbe Schaltbild wie in Fig. 2 mit verschiedenen

Stromläufen bei Sammelleitungs-Spannungen von 1500 Volt Gleichspannung, 3000 Volt Gleichspannung, 1000 Volt Wechselspannung bzw. 1500 Volt Wechselspannung.

In Fig. 1 ist mit 1 die durch den Zug hindurchgehende Sammelleitung bezeichnet, die wie erwähnt, an die jeweilige Fahrleitung über den Stromabnehmer der Lokomotive gegebenenfalls unter Vermittelung eines Transformators angeschlossen ist. An die Sammelleitung ist eine Mehrspannungs-Wähleinrichtung 2 angeschlossene Von dieser werden die elektrischen Heizkörper 3 des Reisezugwagens gespeist.

Für die Klimaanlage ist ein Hochspannungs-Gleichstrommotor 4 vorgesehen, der mit einem Wellenende einen Kompressor 5 und mit dem anderen Wellenende einen Lüfter 6 für den Kondensator der Klimaanlage antreibt. Der Motor 4 ist als Doppelmotor für 3000/1500 Volt Gleichspannung ausgelegt und an die Mehrspannungs-Wähleinrichtung über einen Gleichrichter 7 und zwei parallel zueinander verlaufende Leitungen 8, 9 angeschlossen, von denen die Leitung 8 einen Transformator 10 enthält.

Die übrigen Nutzverbraucher sind an die Mehrspannungs-Wähleinrichtung 2 über einen statischen Umrichter 11 angeschlossen, der in bekannter Weise einen Taktgeber und einen Transformator 12 enthält, der in dem Schaltbild besonders dargestellt ist. An Sekundärwicklungen des Transformators 12 sind einmal Nutzverbraucher für

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eine einphasige Wechselspannung von 220 Volt angeschlossen, und zwar Brauchwasserbereiter 13 und Vorraum- und WC-Heizungskörper Zum anderen liegt an einer Sekundärwicklung des Transformators 12 ein Batterieladegerät 15 mit einem Thyristorregler für eine Akkumulatoren-Batterie 16 mit einer Nenn-Spannung von 24 Volt.

Wenn an der Fahrleitung und damit auch an der Sammelleitung eine Gleichspannung von 1500 Volt ansteht,.'wird der Gleichstrommotor aus der Mehrspannungs-Wähleinrichtung 2 über die Leitung 9 und den Gleichrichter 7 mit Energie versorgt«, Gleichzeitig liefert der statische Umrichter 11 an den Sekundärwicklungen seines Transformators 12 die Spannungen für die Nutzverbraucher 13, 14 sowie für das Batterieladegerät 15.

Hieran ändert sich grundsätzlich nichts, wenn an der Fahrleitung und damit an der Sammelleitung eine Gleichspannung von 3000 Volt ansteht. - : ■

Wenn Fahrleitungen mit 15 000 oder 25 000 Volt Wechselspannung gegeben sind und demgemäß an der Sammelleitung 1 Wechselspannungen von 1000 bzw,, 1500 Volt anstehen, wird die Leitung unterbrochen und werden diese Spannungen durch den Transformator auf etwa 1600 Volt Wechselspannung hochtransformiert, so daß der Motor 4 über den Gleichrichter 7 eine Gleichspannung von 1500 Volt erhält. V

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Gleichzeitig werden die Wechselspannungen von 1000 bzw. 2000 Volt von dem Transformator 12 unter Umgehung des zu dem statischen Umrichter 11 gehörenden Taktgebers herabtransformiert auf 220 Volt für die Nutzverbraucher 13, 14 und etwa 47 Volt für das Batterieladegerät 15„

In jedem Fall wird eine Belastung des statischen Umrichters 11 durch Stromspitzen vermieden, die bei dem bisher vorgesehenen Betrieb der Kompressor-Motoren über den Umrichter in diesem auftreten und dessen Lebensdauer herabsetzen würden.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 bis 7 ist nur ein einziger Transformator sowohl für die Energieversorgung des einen Teiles der Nutzverbraucher (Batterieladegerät, Brauchwasserbereiter, Vorraum-Heizkörper und dgl,) als auch für die Energieversorgung der Klimaanlage mit Kompressoren und Lüftern vorhanden,,

Der Transformator hat zwei Primärwicklungen 17 und 18 mit Anzapfungen, die Kontakte b bis g bzw₀ h bis m aufweisen. Den Kontakten b und m der Anzapfungen an den voneinander abgewandten Enden der Primärwicklungen 17, 18 liegen Kontakte b bzw. m gegenüber, die in der weiter unten näher beschriebenen Weise mit einem Gleichrichter für Motoren der Klimaanlage verbunden sind. Den Kontakten g und h der Anzapfungen an den einander zugekehrten Enden der Primärwicklungen 17 und 18 liegen Kontakte g bzw. h gegenüber, die parallel zueinander an eine Leitung 19 angeschlossen ist, welche über einen Trennschalter 20

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und eine Sicherung 21 zu der Sammelleitung 1 führt» Zwischen den Kontakten b und g bzw. h und m befinden sich Kontakte c, d, e bzw. k, I, die zu weiteren Anzapfungen der Primärwicklungen 17 bzw. 18 gehören und denen Kontakte c, d, e bzw» k, I gegenüberliegen, welche parallel zueinander an die Leitung 19 angeschlossen sind. Zwischen den Kontakten d und g befinden sich zwei einander gegenüberliegende Kontakte f^ von denen einer zu einer weiteren Anzapfung der Primärwicklung 17 gehört und der andere zu dem erwähnten Gleichrichter geführt ist. Entsprechende Kontakte i befin- ; den sich zwischen den Kontakten h und k.

Der Transformator hat eine Sekundärwicklung 22, an welcher Nutzverbraucher für eine Emphasen-Spannung von 220 Volt anliegen. Es handelt ■ sich um Heizkörper für die Vorraum- und WC-Heizung, um Brauchwasserbereiter und etwaige sonstige Küchengeräte sowie um Heizkörper, die im Falle einer Einkanal-Klimaanlage zur Nachheizung benötigt werden»

An eine weitere Sekundärwicklung 23 des Transformators ist ein Batterieladegerät 24 angeschlossen, das beispielsweise nach dem deutschen Patent 1275 665 ausgebildet sein kann. Die zugehörige Batterie, die eine Nennspannung von 24 Volt hat, ist mit 25 bezeichnet.

Von den voneinander abgewandten Enden der Primärwicklung 17, 18 verlaufen parallel zueinander zwei Stromzweige 26, 27, die in einem Punkt 28 vereinigt sind«, Dieser Punkt ist über eine KöVnmutierungsdrossel 29 und einen ohmschen Widerstand 30 durch eine Leitung 31 mit der Erde (über die Wagenräder und die Schienen) verbundene In jedem der beiden

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Stromzweige 26, 27 ist eine Gruppe von in Reihe liegenden Thyristoren 32 bzw«, 33 so angeordnet, daß ihre Kathoden nach dem Punkt 28 hin gerichtet sind. (Der Einfachheit halber sind Gruppen mit nur zwei Thyristoren dargestellt; je nach Bedarf können mehr als zwei Thyristoren hintereinander angeordnet werden.) Die Thyristoren werden von einem Taktgeber 34 so gesteuert, daß wechselweise die Thyristoren 32 der einen Gruppe gezündet und gleichzeitig die Thyristoren 33 der anderen Gruppe gelöscht werden und umgekehrt. Zum Löschen dient ein Löschkondensator 35, der in einer Verbindungsleitung 36 liegt, welche in Punkten 37, 38 an die Stromzweige 26 bzw. 27 zwischen den Anoden je eines Thyristors 32 bzw. 33 und den Primärwicklungen 17 bzw. 18 angeschlossen ists Der Taktgeber 34 kann beispielsweise in der Weise ausgeführt sein, wie es aus Fig. 2 der deutschen Offenlegungsschrift 2 124 390 ersichtlich ist.

In den Stromzweigen 26 und 27 liegt je eine Gruppe von hintereinander angeordneten Gleichrichter-Dioden 39 bzw. 40 zwischen der betreffenden Primärwicklung 17 bzw. 18 und dem Punkt 37 bzw„

38 in solcher Anordnung, daß ihre Kathoden dem Punkt 37 bzw. 38 zugewandt sind. Von der Leitung 31 sind zwei Leitungen 41, 42 abgezweigt, die an die Stromzweige 26 bzw_e 27 in Punkten 43 bzw. 44 angeschlossen sind, welche zwischen den Gleichrichter-Dioden

39 bzw. 40 und den Primärwicklungen 17 bzw. 18 liegen. In den; Leitungen 41 bzw, 42 sind zwei Gruppen von hintereinander angeordneten Freilauf-Dioden 45, 46 parallel zu den Gleichrichter-Dioden 39 bzw. 40 so angeordnet, daß ihre Kathoden nach den Punkten 43 bzw. 44 hin gerichtet sind.

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Der Taktgeber 34 erhält Gleichstrom von der Batterie 25, an welche er durch Leitungen 44,48 angeschlossen ist. In der Leitung 48 befindet sich ein Trennschalter 49. Wahlweise kann dem Taktgeber 34 der benötigte Gleichstrom auch aus einem parallel zur Batterie 25 liegenden Gleichrichter 50 geliefert werden, der an eine weitere Sekundärwicklung 51 des Transformators angeschlossen ist. In der Leitung 47 liegt zwischen der Batterie 25 und dem Gleichrichter 50 eine Sperr-Diode 52, die verhindert, daß aus dem Gleichrichter 50 Strom in die Batterie 25 übertritt,,

Zum Antreiben eines Kompressors 53 und eines nicht dargestellten Lüfters für die Klimaanlage dienen zwei Gleichstrommotoren, deren Anker mit 54 und 55 bezeichnet sind und die Nebenschluß-Erregerwicklungen 56 bzw. 57 haben«, Der Anker 54 liegt in einer Leitung 58, die über einen Wechselschalter o-o, p-p einerseits mit einer Leitung 59 verbunden ist. Andererseits kann die Leitung 58 über einen Wechselschalter r-r, s-s, wahlweise mit einer Leitung 60 öder mit einer Leitung 61 verbunden werden. Der Anker 55 liegt in einer Leitung 62/die einerseits über einen Trennschalter q-q an die Leitung 59 angeschlossen werden kann und andererseits in einem Punkt 63 mit der Leitung 60 verbunden ist,

•Der zu diesen beiden Gleichstrommotoren gehörende Gleichrichter wird gemäß Fig. 2 bis 6 durch vier in Graetz-Schaltung angeordnete Gleichrichter-Dioden 64, 65, 66, 67 gebildet. Die Kathoden der Dioden 64 und 65 sind über einen Trennschalter 68 mit der Leitung 59 verbunden, während die Anoden der Dioden 66 und 67 an die

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Leitung 60 angeschlossen sind. Die Verbindungsleitung zwischen den Dioden 64 und 66 ist durch eine Leitung 69 mit der einen Klemme i verbunden. Die Verbindungsleitung zwischen den Dioden 65 und ist durch eine Leitung 70 mit der einen Klemme f verbunden. Die Leitung 69 ist über eine Leitung 71 mit der einen Klemme b verbunden sowie über einen Schalter mit zwei Kontakten a-a an die Leitung 19 anschließbar. Die Leitung 70 ist durch eine Leitung 72 an den einen Kontakt m angeschlossen und mit der Erde 32 verbunden.

Die durch die Kontakte α bis s gebildeten Trennschalter sowie der Trennschalter 49 werden mittels eines Stellmotors 73 betätigt,,

Wenn gemäß Fig_e 3 an der Sammelleitung 1 eine Gleichspannung von 1500 Volt ansteht, sind die Trennschalter mit den Kontakten a, e, k, p, q, r sowie die Trennschalter 68 und 49 geschlossen, während die Trennschalter der Kontakte b, c, d, f, g, h, i, I, m, ο und s geöffnet sind« Dann werden die Anker 44, 55 der beiden Gleichstrommotoren parallel zueinander gemäß dem stark ausgezogenen Linienzug von Strom durchflossen. Die beiden Primärwicklungen 17 und 18 werden gleichzeitig gemäß dem strichpunktierten Linienzug etwa auf der Hälfte ihrer Länge abwechselnd in entgegengesetzten Richtungen - gemäß der Umschaltung durch den Taktgeber 34 - von Strom durchflossen«, Demgemäß werden in den Sekundärwicklungen 22 und 23 die Ströme zur Versorgung der angeschlossenen Nutzverbraucher induziert.

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■ ■ - · f1. ·

Wenn gemäß Fig„ 4 an der Sammelleitung 1 eine Gleichspannung von 3000 Volt ansteht, wird gemäß dem strichpunktierten Linienzug Strom durch die ganzen Längen der Primärwicklungen 17 und über die Kontakte g und h geleitet, während die Kontakte e und k geöffnet sind,, Infolgedessen werden in den Sekundärwicklungen und 23 trotz der doppelten Eingangsspannung die gleichen Spannungen von 220 bzw« etwa 24 Volt induziert_o Dabei sind die Anker 54, 55 der beiden Gleichstrommotore nicht mehr parallel zueinander sondern hintereinander geschaltet. Zu diesem Zweck werden die Schalter q-q und r-r geöffnet, so daß jeder der beiden Anker ebenso wie gemäß Fig_e 3 - mit 1500 Volt beaufschlagt wird.

Wenn an der Sammelleitung eine Wechselspannung von 1000 Volt ansteht, werden gemäß Fig. 5 die Primärwicklungen 17 und gemäß dem strichpunktierten Linienzug parallel zueinander nur etwa auf einem Drittel ihrer Länge von Wechselstrom durchflossen«. Hierbei sind die Trennschalter mit den Kontakten b und m geschlossen, während die Trennschalter mit den Konfakten a, c, e, g_r h, k geöffnet sind. Dabei werden die beiden Anker 54, 55 der Gleichstrommotoren parallel zueinander gemäß dem ausgezogenen Linienzug über den Gleichrichter 64, 65, 66, 67 mit Strom versorgt. Den Gleichrichter-Dioden wird der Wechselstrom aus den dann als Spartransformator wirkender Primärwicklungen 17, 18 zugeführt«,

Wenn gemäß Fig. 6 an der Sammelleitung 1 eine Wechselspannung von 1500 Volt ansteht, werden -gegenüber der Schaltung nach Fig« 5 - lediglich die Trennschalter der Kontakte c und k geschlossen und die Trennschalter der Kontakte d und I

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geöffnet. Das hat nur zur Folge, daß der Wechselstrom die Primärwicklungen U und 18 auf einer größeren Länge durchfließt, so daß trotz der erhöhten Eingangsspannung an den Sekundärwicklungen 22 und 23 die gleichen Spannungen anstehen,wie gemäß Fig. 2.

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Claims

P es i ent ans ρ r ü c h e

f 1. !Einrichtung zur Versorgung von Nutzverbrauchern in einem Eisenbahnfahrzeug wahlweise aus Fahrleitungen mit Gleichspannung oder Wechselspannung über eine Sammelleitung, an der beispielsweise eine Gleichspannung von 1500 VoIt₇ eine Gleichspannung von 300O₇ eine Wechselspannung von 1000 Volt und 16 2/3 Hz oder eine Wechselspannung von 1500 Volt und 50 Hz, liegt, unter Anwendung eines durch einen Transformator und einen Taktgeber gebildeten statischen Umrichters, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest, wenn eine Fahrleitung mit Gleichspannung ansteht, nur ein Teil der Nutzverbraucher (zoBe ein Batterie ladegerät 24, Brauchwasserbereiter, Vorraum- und WC-Heizkörper) über den statischen Umformer (11; 17, 18, 34) ge-■ speist wird, während wenigstens ein Gleichstrommotor (4; 54, 55, 56, 57), vorzugsweise zum Antrieb von Kompressoren und Lüftern einer Klimaanlage, an die Sammelleitung (T) anschließbar ist»

2„ Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichstrommotor (4), auch wenn eine Fahrleitung mit Wechselspannung ansteht, unabhängig von dem statischen Umformer (11) aus der Sammelleitung (!) gespeist wird, an welche er dann über einen weiteren Transformator (10) und einen Gleichrichter (7) angeschlossen ist,

Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Transformator (17, 18, 22, 23), der zusammen mit dem Taktgeber (34) den statischen Umrichter bildet, dann, wenn eine Fahrleitung mit Wechselspannung ansteht, nicht nur den einen Teil der Nutzverbraucher (z.B. Batterie ladegerät (24), Brauchwasserbereiter usw„), sondern über einen Gleichrichter (64, 65, 66, 67; 39, 40, 45, 46) auch den Gleichstrommotor (54, 55, 56, 57) speist.

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4_β Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß dann, wenn eine Fahrleitung mit Wechselspannung ansteht, der Gleichstrommotor (54, 55, 56, 57) über den Gleichrichter (64, 65, 66, 67; 39, 40, 45, 46) von zwei als Spartransformator wirkenden Primärwicklungen (17, 18) des Transformators gespeist wird, die, wie an sich bekannt, parallel zueinander an die Sammelleitung (1) mit je nach der Sammelleitungs-Spannung unterschiedlichen Anzapfungen angeschlossen sind und von denen, wie an sich bekannt, parallele Stromzweige (26, 27) mit zwei Gruppen von Thyristoren (32, 33) ausgehen, die dann, wenn eine Fahrleitung mit Gleichspannung ansteht, wechselweise gezündet und gelöscht werden.

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L e e r s e i t e