DE2357504B2 - Einrichtung zur Versorgung von Nutzverbrauchern in einem Eisenbahnfahrzeug - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Energieversorgung von Nutzverbrauchern in einem Eisenbahnfahrzeug aus einer Sammelleitung, an die wahlweise Gleichspannungen von 1,5 oder 3 kV oder Wechselspannungen unterschiedlicher Höhe anlegbar sind, mit einem bei Gleichspannungseingang betriebenen statischen Wechselrichter, der einen zur Spannungsanpassung mehrfach umschaltbaren und bei Wechselspannungseinspeisung direkt eingespeisten Transformator enthält, von dem bei Wechselspannungseinspeisung ein Kompressor mit Energie versorgt und an den sowohl bei Gleichspannungseinspeisung als auch bei Wechselspannungseinspeisung sekundärseitig Wechselstromverbraucher angeschlossen sind.

Derartige Einrichtungen sind dazu bestimmt, für jeden der verschiedenen elektrischen Verbraucher, für deren Versorgung aus unterschiedlichen elektrischen Netzen unterschiedliche Nennspannungen zur Verfügung stehen, immer die richtige Nennspannung bereitzustellen.

Bei einer bekannten Einrichtung dieser Art (deutsche Offenlegungsschrift 2124 390) sind Verbraucher an einen mehrfach umschaltbaren Transformator sekundärseitig angeschlossen, wobei einer der Verbraucher ein Wechselstrom-Kompressormotor ist, der bei Wechselspannungseinspeisung über den Transformator direkt und bei Gleichspannungseinspeisung über einen Wechselrichter mit seiner Nennspannung versorgt wird, wobei im letzten Fall der Transformator als Wechsel- > richtertransformator dient Dabei ist nachteilig, daß der Wechselrichter für die zusätzliche Leistung des Wechselstrom-Kompressormotors entsprechend groß ausgelegt sein muß; ferner stören die starken Belastungsstöße der Kompressormotor-Einspeisung den

ι μ Wechselrichter und die anderen an diesen angeschlossenen Verbraucher.

In einem Aufsatz über »Die zentrale elektrische Energieversorgung von Reisezugwagen«, abgedruckt in »Glasers Analen« 1966 ist auf Seite 374 vorgeschlagen

ι "> worden, einen Kompressormotor an die Sammelleitung anzuschließen, wobei der Kompressormotor ein Gleichstrommotor ist, der entweder über einen Gleichrichter oder über einen Transformator sowie einen Gleichrichter gespeist ist Diese Energieversorgungsanlage ist nur bei Bahnnetzen mit Wechselspannung gleicher Höhe einzusetzen.

Ferner ist in einem Aufsatz über »Die elektrische Ausrüstung der elektrischen Viersystem-Lokomotiven Bauart 160 der SNCB«, abgedruckt in »ETZ-A« 88

2ϊ (1967), Seiten 371 und 372, vorgeschlagen worden, Hilfsbetriebe mit Gleichstrommotoren auszustatten, die für eine Gleichspannung von 1,5 kV ausgelegt sind und die bei 3 kV Gleichspannungseinspeisung in Reihe und bei 1,5 kV Gleich- bzw. Wechselspannungseinspeisung

«ι parallel zueinander geschaltet werden, wobei bei Wechselspannungseinspeisung ein Transformator und ein Gleichrichter die erforderliche Gleichspannung von 1,5 kV bereitstellen. Diese Energieversorgungsanlage stellt jeweils nur eine für alle Verbraucher gleiche

r> Spannung (3 bzw. 1,5 kV) zur Verfügung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Energieversorgung zu schaffen, die für die verschiedenen Nutzverbraucher die jeweils maßgebende Nennspannung mit möglichst kleinem Geräteaufwand bereit-

iij stellt; ferner sollen Belastungsstöße durch den Kompressormotor den Wechselrichter und die übrigen Verbraucher nicht beeinflussen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei einer Energieversorgungseinrichtung der

Γ) eingangs genannten Art zum Antrieb des Kompressors ein auf !,5 bzw. 3 kV umschaltbarer Gleichstrom-Doppelmotor vorgesehen ist, der bei Gleichspannungseinspeisung unter Umgehung des Wechselrichters direkt aus der Sammelleitung gespeist ist und der bei

■)» Wechselspannungseinspeisung aus der Wechselrichterwicklung des Transformators über einen Gleichrichter gespeist ist. Dadurch wird insbesondere erreicht, daß der Transformator eine zusätzliche Sekundärwicklung für den Kompressorantrieb nicht benötigt, wodurch

">'< Platz und Gewicht eingespart wird.

Vorteilhaft ist es, wenn bei Verwendung eines Wechselrichters in Mittelpunktschaltung die beiden Hälften der Wechselrichter-Wicklung galvanisch trennbar und bei Wechselspannungseinspeisung zur Speisung

Ι" des Kompressormotors parallel schaltbar sind, wobei der Effektivwert der Spannung durch Wahl entsprechender Anzapfungen an die für den Kompressormotor erforderliche mittlere gleichgerichtete Spannung angepaßt wird, denn dadurch kann der Transformator

¹' > leistungsmäßig optimal genuitzt werden.

Zweckmäßig bleibt auch bei Gleichspannungseinspeisung der Gleichrichter dem Kompressormotor vorgeschaltet, denn die bei plötzlichem Stromausfall am

Gleichstrom-Doppelmotor hochschnellende Spannung wird über den Gleichrichter abgebaut und gelangt nicht zu den übrigen Verbrauchern.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 einen Wirkschaltplan einer Energieversorgungsanlage und

Fig.2 bis 5 den Wirkschaltplan gemäß Fig. 1 Lei Anliegen der jeweils maßgebenden Sammelieitungsspannung (1,5 IcV, 3 kV Gleichspannung und 1 kV, 1,5 kV Wechselspannung) mit Darstellung von zugehörigen Stromverläufen, wobei jeweils die Teile, die bei der betreffenden Spannung nicht zum Einsatz kommen, weggelassen sind.

Gemäß F i g. 1 weist die Energieversorgungsanlage einen Transformator sowohl für die Energieversorgung des einen Teiles der Nutzverbraucher, z. B. Batterieladegeiät Brauchwasserbereiter und Vorraum-Heizkörper, als auch für die Energieversorgung von rotatorischen Verbrauchern, z. B. Kompressoren und Lüftern, auf.

Der Transformator besitzt zwei Primärwicklungen 17, 18, die mit Anzapfungen ausgestattet sind, denen Kontakte b bis gbzw. h bis m zugeordnet sind.

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 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, /, die zu weiteren Anzapfungen der Primärwicklungen 17 bzw. 18 gehören und denen Kontakte c, d, e bzw. Jt, / gegenüberliegen, welche parallel zueinander an die Leitung 19 angeschlossen sind. Zwischen den Kontakten e 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 / befinden sich zwischen den Kontakten h und k.

Der Transformator hat eine Sekundärwicklung 22, an welcher Nutzverbraucher für eine Einphasen-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. Die zugehörige Batterie 25 besitzt eine Nennspannung von 24 Volt.

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 Kommutierungsdrossel 29 und einen ohmschen Widerstand 30 durch eine Leitung 31 mit der Erde 2 (über die Wagenräder und die Schienen) verbunden. In jedem der beiden 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 32 bzw. 33 werden von einem Taktgeber 34 so angesteuert, 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 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. 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 und den Thyristoren 32 bzw. 33 so angeordnet, daß ihre Kathoden nach den Punkten 43 bzw.44 hin gerichtet sind.

Der Taktgeber 34 erhält z. B. Gleichstrom von der Batterie 25, an welche er durch Leitungen 47, 48 angeschlossen ist. In der Leitung 48 befindet sich ein Schalter 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 Jem Gleichrichter 50 Strom in die Batterie 25 fließen kann.

Zum Antreiben eines Kompressors 53 und eines nicht dargestellten Lüfters für die Klimaanlage dienen zwei mechanisch miteinander gekoppelte 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 Schalter o-o, p-p einerseits mit einer Leilung 59 verbunden werden kann. Andererseits kann die Leitung 58 über einen Schalter r-r, s-s, wahlweise mit einer Leitung 60 oder mit einer Leitung 61 verbunden werden. Der Anker 55 liegt in einer Leitung 62, die einerseits über einen Schalter q-q an die Leitung 59 angeschlossen werden kann und andererseits in einem Punkt 63 mit der Leitung 60 verbunden ist.

Anstelle von zwei Gleichstrommotoren kann auch ein einziger Gleichstrommotor eingesetzt werden, der z. B. zwei Kollektoren und zwei Feldwicklungen besitzt.

Der zu diesen beiden Gleichstrommotoren gehörende Gleichrichter wird gemäß F i g. 1 bis 5 durch vier in Graetz-Schaltung angeordnete Gleichrichter-Dioden 64,65,66,67 gebildet. Die Kathoden der Dioden 64 und 65 sind über einen Schalter 68 mit der Leitung 59 verbunden, während die Anoden der Dioden 66 und 67 die Leitung 60 angeschlossen sind. Die Verbindungsleitung zwischen den Dioden 64 und 66 ist durch eine Leitung 69 mit der einen Klemme / verbunden. Die Verbindungsleitung zwischen den Dioden 65 und 67 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 2 verbunden.

Die durch die Kontakte a bis s gebildeten Schalter sowie der Schalter 49 werden mittels eines Stellmotors 73 betätigt.

Wenn gemäß F i g. 2 an der Sammelleitung 1 eine Gleichspannung von 1500 Volt ansteht, sind die Schalter mit den Kontakten a, e, k, p, q, r sowie die Schalter 68 und 49 geschlossen, während die Schalter der Kontakte b, c, d, f, g, h, i, I, m, ο und s geöffnet sind. Die beiden Gleichstrommotoren sind zueinander parallel geschaltet und werden gemäß dem in F i g. 2 durch Pfeile angedeuteten Stromfluß von der Sammelleitung 1 mit Energie versorgt. Die beiden Primärwicklungen 17, 18 des Transformators bilden nun die Wechselrichterwicklung des in Mittelpunktschaltung eingesetzten Wechselrichters, wobei etwa nur jeweils eine Hälfte der Primärwicklungen 17, 18 zum Einsatz kommt. Diese Teile der Primärwicklungen 17, 18 werden gemäß F i g. 2 vom durch strichpunktierte Pfeile angedeuteten Strom abwechselnd sowie taktweise durchflossen. Dadurch werden in den Sekundärwicklungen 22, 23, 51 des Transformators Spannungen induziert, wodurch die an diesen Sekundärwicklungen 22, 23, 51 angeschlossenen Verbraucher von der Sammelleitung 1 mit Energie versorgt werden.

Wenn gemäß Fig.3 an der Sammelleitung 1 eine Gleichspannung von 3000 Volt ansteht, sind die Schalter g, h, a, 49 geschlossen und die Primärwicklungen 17,18 des Transformators kommen vollständig zum Einsatz. (Der zugehörige Stromfluß ist in Fig.3 durch strichpunktierte Pfeile angedeutet). Infolgedessen werden in den Sekundärwicklungen 22 und 23 trotz der doppelten Eingangsspannung die gleichen Spannungen von 220 bzw. etwa 24 Volt induziert. Die beiden Gleichstrommotoren sind nun nicht mehr parallel zueinander, sondern hintereinander geschaltet. Zu diesem Zweck werden die Schalter q-q und r-r geöffnet ■ sowie s-s geschlossen, so daß jeder der beiden Anker und jede der Feldwicklung — ebenso wie gemäß F i g. 2 — mit 1500 Volt beaufschlagt wird. (Der zugehörige Stromfluß ist durch Pfeile angedeutet).

Wenn an der Sammelleitung 1 eine Wechselspannung von 1000 V ansteht, werden die Thyristoren 32, 33 des Wechselrichters nicht mehr angesteuert, und die Primärwicklungen 17,18 werden gemäß Fig.4 parallel zueinander nur etwa mit einem Drittel ihrer Länge zwischen Sammelschiene 1 und Erde 2 geschaltet. Die Schalter sind mit den Kontakten b, d, f und m, I, i geschlossen und die Schalter mit den Kontakten a, c, e.g, h, k geöffnet. Dadurch wird in den Sekundärwicklungen 22, 23 die jeweilige Spannung induziert, die für die an diese angeschlossenen Verbrauchei erforderlich ist. Außerdem ist hierbei der Gleichrichter 64,65,66,67, der den Gleichstrommotoren vorgeschaltet ist, so an die Primärwicklungen 17, 18 des Transformators angeschlossen, daß dieser als spannungserhöhender Spartransformator für die parallel zueinander geschalteten Gleichstrommotoren dient und eine Wechselspannung mit einem Effektivwert von etwa 1650V an den Kontakten b und /"bzw. ; und m bereitstellt. In Fig.4 sind Stromflüsse durch bestimmte Pfeile angedeutet, die zur besseren Darstellung, welche Wicklungsteile für die jeweiligen Verbraucher maßgebend sind, nicht mit den tatsächlichen Stromflüssen übereinstimmen. Der Stromanteil, der durch Pfeile angedeutet ist, soll versinnbildlichen, daß an den Sekundärwicklungen 22, 23 des Transformators und an den Kontakten Λ und fbzw. /und m die jeweils maßgebende Spannung ansteht. Unter der Annahme, daß der Spartransformator als Trenntransformator mit einer Sekundärwicklung ausgeführt wäre, versinnbildlichen die strichdoppelpunktierten Pfeile den Stromanteil, der zu dem Gleichrichter 64, 65, 66, 67 gelangt Der Stromanteil für die Gleichstrommotoren ist hierbei durch strichpunktierte Pfeile angedeutet.

Wenn gemäß Fig.5 an der Sammelleitung 1 eine Wechselspannung von 1500V ansteht, sind — gegenüber der Schaltung nach F i g. 4 — lediglich die Schalter der Kontakte c und k geschlossen und die Schalter der Kontakte d und / geöffnet. Das hat zur Folge, daß trotz erhöhter Eingangsspannung an den Sekundärwicklungen 22,23 die maßgebenden Nennspannungen anstehen und die am Eingang des vor die Gleichstrommotoren ■ geschalteten Gleichrichters 64, 65, 66, 67 anstehende Wechselspannung wiederum einen Effektivwert von etwa 1650V besitzt. Die Stromanteile sind hierbei wiederum — wie in F i g, 4 -■ durch Pfeile, strichpunktierte und strichdoppelpunktierte Pfeile angedeutet mit der Annahme, daß eine negative Halbwelle der Wechselspannung ansteht.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Hinrichtung zur Energieversorgung von Nutzverbrauchern in einem Eisenbahnfahrzeug aus einer Sammelleitung, an die wahlweise Gleichspannungen von 1,5 oder 3 kV oder Wechselspannungen unterschiedlicher Höhe anlegbar sind, mit einem bei Gleichspannungseingang betriebenen statischen Wechselrichter, der einen zur Spannungsanpassung mehrfach umschaltbaren und bei Wechselspannungseinspeisung direkt eingespeisten Transformator enthält, von dem bei Wechselspannungseinspeisung ein Kompressormotor mit Energie versorgt und an den sowohl bei Gleichspannungseinspeisung als arch bei Wechselspannungseinspeisung sekundärseilig Wechselstromverbraucher angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß zum Antrieb des Kompressors (53) ein auf 1,5 bzw. 3 kV umschaltbarer Gleichstrom-Doppelmotor vorgesehen ist, der bei Gleichspannungseinspeisung unter Umgehung des Wechselrichters direkt aus der Sammelleitung (1) gespeist ist und der bei Wechselspannungseinspeisung aus der Wechselrichterwicklung (17, 18) des Transformators über einen Gleichrichter (64,65,66,67) gespeist ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines Wechselrichters in Mittelpunktschaltung die beiden Hälften der Wechselrichterwicklung (17,18) galvanisch trennbar und bei Wechselspannungseinspeisung zur Speisung des Kompressormotors parallel schaltbar sind, wobei der Effektivwert der Spannung durch Wahl entsprechender Anzapfungen an die für den Kompressormotor erforderliche mittlere gleichgerichtete Spannung angepaßt wird.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auch bei Gleichspannungseinspeisung der Gleichrichter (64, 65, 66, 67) dem Kompressormotor vorgeschaltet bleibt.