DE2815441A1

DE2815441A1 - Verfahren und vorrichtung zum laden von akkumulatoren auf elektrischen triebwagen und lokomotiven waehrend des fahrdrahtbetriebs

Info

Publication number: DE2815441A1
Application number: DE19782815441
Authority: DE
Inventors: Heinz Ing Grad Groser; Manfred Ing Grad Schulz; Werner Teich
Original assignee: Brown Boveri und Cie AG Germany; BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: ABB AG Germany
Priority date: 1978-04-10
Filing date: 1978-04-10
Publication date: 1979-10-18
Also published as: DE2815441C2; FR2423079B3; FR2423079A1

Description

BROWN. BOVERi & CIF · AKTIENGESELLSCHAFT

MANNHEIM BF.OWNLOv.ni

Mp.-Nr. 525/78 Mannheim, den 7. April 1978

ZFE/P2-Bi/Bt

Verfahren und Vorrichtung zum Laden von Akkumulatoren auf elektrischen Triebwagen und Lokomotiven während des Fahrdrahtbetriebs .

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufladen von Akkumulatoren auf elektrischen Triebwagen und Lokomotiven, die ein separates ¥echsel- oder Drehstrombordnetz für Hilfsbetriebe besitzen, während des Fahrdrahtbetriebs. Sie betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung-eines solchen Verfahrens .

Es ist bekannt, daß auf modernen elektrischen Triebwagen und Lokomotiven Akkumulatoren mitgeführt werden, die als Hilfsbatterien für Steuer- und Beleuchtungszwecke dienen. Diese Akkumulatoren werden ständig über ein mitgeführtes Ladegerät im sogenannten Pufferbetrieb geladen.

Es sind auch Lokomotiven und Triebwagen bekannt, die nur über Akkumulatoren mit elektrischer Energie versorgt werden. Es ist bekannt, diese Akkumulatoren, sobald sie entladen sind, gegen frisch geladene Akkumulatoren auszutauschen und diese stationär aufzuladen. Durch den erforderlichen Austausch der Akkumulatoren ist der Aktionsradius eines solchen Triebfahrzeuges eingeengt, wenn keine Nachladung während des Fahrbetriebs erfolgt.

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Es ist auch schon bekannt, bei Triebfahrzeugen, die sowohl aus dem Fahrdraht als auch aus dem Akkumulator gespeist werden, die Akkumulatoren während des Fahrdrahtbetriebs zu laden. Hierfür werden separate, auf dem Fahrzeug mitgefünrte und regelbare Ladegeräte eingesetzt. Auf diese Weise kann der Aktionsradius von solchen gemischt versorgten Triebfahrzeugen bei Batteriebetrieb vergrößert werden. Je nach Anteil des Fahrdrahtbetriebs an der gesamten Einsatzzeit kann in günstigen

j Fällen sogar auf eine stationäre Aufladung der Akkumulatoren verzichtet werden.

^: Sowohl bei der stationären Ladung der Austausch-Akkumulatoren

^: als auch bei der Ladung während des Fahrdrahtbetriebs sind '

! separate Ladegeräte mit allen notwendigen Steuer- und Regel- \

; geräten eingesetzt. ··, I

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j Es sind bereits elektrische Triebwagen und Lokomotiven be- ^!

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! kannt, die außer einem Versorgungsnetz für die Fahrmotoren ein seuarates Wechsel- oder Drehstrombordnetz für Hilfsbe-

triebe besitzen. Zu den Hilfsbetrieben zählen u.a. die Lüfter . zur Kühlung von Fahrmotoren und Elektronik, Luftpresser für j Bremse oder Türbetätigung, das Lichtnetz und die Steuer- und ! Regelelektronik. Zur Versorgung des Bordnetzes werden statische, selbstgeführte Wechselrichter verwendet. Versorgt der Wechsel-;

richter ein Drehstrombordnetz, so können zum Antrieb der !

Hilfsbetriebe im Gegensatz zu den früher üblichen Kollektor- ;

motoren wartungsfreie Drehstrom-Käfigläufermotoren verwendet |

werden. Die Versorgung des Hilfsbetriebe-Wechselrichters er- ,·

folgt bei einer bekannten Ausführung aus einer gesonderten ,

Wicklung des Fahrzeugtransformators-über einen Ladegleich- j

richter und eine Glättungsdrosselspule, wobei der Ladegleich- ■

richter gleichzeitig die Fahrzeugbatterie lädt. Bei dieser ;

Anordnung liegt somit die Fahrzeugbatterie parallel zum Ein- ' gang des Hilfsbetriebewechselrichters.

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Es ist weiterhin eine Einrichtung zur Überprüfung des Ladezustandes von Akkumulatoren bekannt, bei der die Wechselstromimpedanz des Akkumulators fortlaufend gemessen wird. Aus der Impedanz des Akkumulators wird unbeeinflußt von Temperatur und Einbauort der Akkumulatoren auf deren Ladezustand geschlossen. Mit dem so gewonnenen Signal kann dann beispieIsweise eine Ladeschaltung oder ein Überwachungsgerät gesteuert werden.

' Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Laden von Akkumulatoren auf elektrischen Triebwagen und Lokomotiven während des Fahrdrahtbetriebs anzugeben, welches ein separates Steuer-'und regelfähiges Ladegerät überflüssig macht.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Akkumulatoren aus dem Bordnetz über eine einfache Gleichrichterschaltung geladen werden und die Bordnetzspannung entsprechend der Akku-Ladespannung geregelt wird.

Es ist eine Tatsache, daß die den heutigen Triebwagen und Lokomotiven über denFahrdraht zugeführte Betriebsspannung je nach Belastung schwankt, die Bordnetzspannung dagegen auf einem konstanten Wert geregelt ist, d.h. daß der die Bordnetzspannung erzeugende Hilfsbetriebe^-Wechselrichter gut in der Spannung verstellbar ist. Diese Spannungsverstellbarkeit wird bei der Erfindung ausgenutzt, umdie Bordnetzspannung entsprechend der für die Ladung der Akkumulatoren notwendigen Ladespannung zu regeln. Es hat sich herausgestellt, daJ3 ab einer bestimmten Größe der zu ladenden Akkumulatoren im Verhältnis zur Leistung der sonstigen an das Bordnetz angeschlossenen Hilfsbetriebe diese Lösung wirtschaftliche sowie gewichts- und größenmäßige Vorteile bietet gegenüber der Verwendung eines separaten Ladegerätes.

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Mit der Verstellung der Ausgangsspannung am Hilfsbetriebewechselrichter entsprechend der Ladespannung der Akkumulatoren verändert sich natürlich auch die den Hilfsbetrieben zugeführte Spannung. Um zu vermeiden, daß die angeschlossenen j Verbraucher, insbesondere die Drehstrom-Asynchronmotoren I in Sättigung gehen, wird vorzugsweise mit der Ausgangsspan- ; nung auch die Ausgangsfrequenz so verstellt, daß die Spannungszeitflächen konstant bleiben. Die Bordnetzverbraucher sind so auszulegen, daß sie auch bei kleinster Frequenz bereits die notwendige Leistung zur Verfugung stellen. Die I dadurch notwendige geringe Überdimensionierung bei den • relativ billigen Drehstrommotoren wird bei weitem kompensiert durch die Vorteile, die sich durch die Einsparung eines kompletten, regelbaren und separaten Ladegerätes er- ! gibt.

I Der vorliegenden Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe .

zugrunde, eine Vorrichtung auf einer Fahrdraht-Akkumulatoren- ; Lokomotive, die ein separates Bordnetz für Hilfsbetriebe j besitzt, zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ι anzugeben.

'. Die Lösung dieser Aufgabe ist gekennzeichnet durch eine

' Einrichtung zur Bestimmung des Ladezustandes der Akkumulatoren,

ί durch einen Hilfsbetriebewechselrichter für das Bordnetz,

! dessen Ausgangsspannung entsprechend der notwendigen Akku-

j Ladespannung und dessen Ausgangsfrequenz entsprechend der

ι Ausgangsspannung geregelt ist, durch einen einfachen Lade-

' gleichrichter und durch einen Schütz zum Umschalten der

\ Akkumulatoren zwischen den Betriebszuständen "Fahren" und

ι "Laden".

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Damit ergeben sich die Torteile, daß den Akkumulatoren immer die optimale Ladespannung zur Verfugung gestellt wird, daß ein separates Steuer- und regelbares ladegerät eingespart wird, daß der Aktionsradius einer derart ausgerüsteten Lokomotive bei Batteriebetrieb wesentlich vergrößert wird, da eine ständige optimale Nachladung beim Fahrdrahtbetrieb erfolgt, und daß die Fahrdrahtspannung sowohl Gleich- als auch Wechselspannung sein kann. Falls es sich bei der so ausgerüsteten Lokomotive um eine Grubenlokomotive handelt, kann der Platzbedarf der explosionssicher zu kapselnden Elektronikkomponenten sowie die Verlustleistung dieser Komponenten verringert werden. '

Vorzugsweise ist der Hilfsbetriebewechselrichter ein Drehstrom-Wechselrichter. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit, die besonders einfach aufgebauten und robusten Drehstrom-Asynchronmotor en in den Hilfsbetrieben-einzusetzen.

Vorzugsweise wird der Hilfsbetriebewechselrichter beim Betrieb aus dem Fahrdraht mit Dreifach-Taktung, beim Betrieb aus dem Akkumulator mit Grundfrequenztaktung betrieben. Die Dreifach-Taktung ermöglicht eine gute Verstellung der Ausgangsspannung. Beim Betrieb aus dem Akkumulator kommt es dagegen auf eine gute Spannungsausbeute an. Aus diesem Grunde wird bei Akkumulatorbetrieb der Hilfsbetriebewechselrichter mit Grundfrequenztaktung betrieben, wodurch der Spannungsbereich des Bordnetzes weiter eingeengt wird. Bezüglich der Taktung von Wechselrichtern wird auf die Zeitschriften "ETZ-A" Band 90 (1969), Heft 14, Seiten 353 bis 357, oder »IEEE Trans. on Industry Applications", Vol. JA-9, July/August 1973, Seiten 482 bis 491/ verwiesen.

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Vorzugsweise ist im Bordnetz vor den Hilfsbetrieben eine Glättungsdrosselspule angeordnet, die den Speisestrom der Bordnetzverbraucher etwas glättet. Eine Ladestromglättungsdrosselspule ist in die Leitung zwischen dem Ladegleichrichter und dem Akkumulator eingeschaltet.

Anhand der Zeichnung soll die Erfindung in Form eines Ausführungsbeispiels erläutert werden. Dargestellt ist der elektrische Teil einer Fahrdraht-Akkumulator-Lokomotive. Eine Gleichstrom-Fahrleitung 1 speist über einen Stromabnehmer 2, einen Eingangsschütz 3, eine Eingangsdrosselspule 4 und einen Schnellschalter 5 einen Traktionswechselrichter 6 und einen Hilfsbetriebewechselrichter 9. Der Traktionswechselrichter 6 formt die Gleichspannung in ein Drehstromsystem mit variabler Frequenz und variabler Spannung entsprechend den Traktionsbedingungen um. Das Drehstromsystem des Yfechselrichters 6 speist über eine Ausgangsdrosselspule 7 einen Fahrmotor 8.

Die Ladung der Akkumulatoren 16 erfolgt aus dem vom Hilfsbetriebewechselrichter 9 erzeugten Drehstrom-Bordnetz 10 über einen einfachen, ungesteuerten Gleichrichter 11, z.B. eine Drehstrom-Gleichrichterbrücke, eine Ladestromglättungsdrosseispule 12, einen Schütz 13, der zwischen den Schaltstellungen "Fahren" und "Laden" umschaltet, wobei im vorliegenden Beispiel die Schaltstellung "Laden" gezeichnet ist, und über' eine Steckverbindung mit angekoppeltem Schalter 15. Die Kopplung des Schalters 15 mit der Steckverbindung 14 ermöglicht ein Auswechseln der Akkumulatoren 16 bei spannungsfreier Steckverbindung 14, was besonders bei Verwendung der Lokomotive als Grubenlokomotive vorteilhaft ist.

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Eine Meßvorrichtung 17, die beispielsweise wie die in der

DE-AS 19 38 076 beschriebene Einrichtung aufgebaut sein kann, ^!

mißt den Ladezustand der Akkumulatoren 16 und beeinflußt die j

Ausgangsspannung und -frequenz des Hilfsbetriebewechsel- ;

richters 9 so, daß im Bordnetz 10 die erforderliche lade- j

spannung ansteht. Gleichzeitig kann der Ladezustand der j Akkumulatoren 16 an einem Anzeigeinstrument 18 angezeigt

werden* !

Im Bordnetz 10 ist ferner eine Glättungsdrosselspule 19 angeordnet, die den in der Leitung 20 zu den (nicht dargestellten) Hilfsbetrieben fließenden Strom etwas glättet, um die ; Oberschwingungs-Verluste der angeschlossenen Drehstrommotoren
zu verringern. ]

Sobald die Lokomotive aus den Akkumulatoren 16 betrieben
werden soll, schaltet der Schütz 13 auf den Betriebszustand
"Fahren" und der Hilfsbetriebewechselrichter 9 von Dreifach-Taktung auf Grundfrequenztaktung und damit auf maximal mögliche Ausgangsspannung um, Die Meßeinrichtung 17 dient jetzt
nur noch dazu, den Ladezustand der Akkumulatoren 16 zu überwachen; eine Steuerung der Spannung im Bordnetz 10 entsprechend dem Ladezustand der Akkumulatoren 16 wird im Betriebszustand
"Fahren" nicht vorgenommen, da eine Regelung der Bordnetzspannung wegen der Grundfrequenztaktung nicht möglich ist.
Die Bordnetzspannung ist der Batteriespannüng proportional.

Abschließend soll noch erwähnt werden, daß sowohl das erfin- \ dungsgemäße Verfahren als auch die zur Durchführung dieses
Verfahrens geeignete Vorrichtung auch dann funktionieren, j wenn der Fahrdraht nicht wie im vorgestellten Beispiel mit _: G-leichspannung, sondern mit Wechselspannung gespeist ist. ; Gleichrichterschaltungen, die die Fahrdrahtspannung an die
sowohl vom Traktionswechselrichter als auch vom Hilfsbetriebewechselrichter benötigten Eingangs spannungen anpassen,
sind bekannt. , j

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Claims

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Mp.-Nr. 525/78 Mannheim, den 7. April 1978

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Patentansprüche

1.j Verfahren zum Aufladen von Akkumulatoren auf elektrischen Triebwagen und Lokomotiven, die ein separates Wechseloder Drehstrombordnetz für Hilfsbetriebe besitzen, während des Fahrdrahtbetriebes, dadurch gekennzeichnet, daß die Akkumulatoren (16) aus dem Bordnetz (10, 20) über eine einfache Gleichrichterschaltung (11) geladen v/erden und daß die Bordnetzspannung entsprechend der Akku-Ladespannung geregelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Spannung des Bordnetzes (10, 20) auch dessen Frequenz so verstellt wird, daß die Spannungszeitflächen konstant bleiben.

3. Vorrichtung auf einer Fahrdraht-Akku-Lokomotive zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (17) zur Bestimmung des Ladezustandes der Akkumulatoren (16), durch einen Hilfsbetriebewechselrichter (9) für das Bordnetz (10, 20), dessen Ausgangsspannung entsprechend der notwendigen Akku-Ladespannimg und dessen Ausgangsfrequenz entsprechend der Ausgangsspannung geregelt ist, durch

! einen einfachen Ladegleichrichter (11) und durch einen ι Schütz (13) zum Umschalten der Akkumulatoren (16) zwischen den Betriebszuständen "Fahren" und "Laden".

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4. Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch
einen Drehstrom-Hilfsbetriebewechselrichter (9).

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch

einen Hilfsbetriebewechselrichter (9) mit Dreifach- ί Taktung bei Betrieb aus den Fahrdraht (1) und Grund- j frequenztaktung bei Betrieb aus dem Akku (16).

6. Vorrichtung nach Anspruch 3, 4 oder 5, gekennzeich- j net durch eine Glättungsdrosselspule (19) im Bordnetz I vor den Hilfsbetrieben. i

7. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 3 bis 6,
gekennzeichnet durch eine Ladestromglättungsdrosselspule (12), die dem Ladegleichrichter (11) nachgeschaltet ist. ■

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