WO2012084501A1 - System zur energieauskopplung aus traktionsrückstrom - Google Patents

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WO2012084501A1
WO2012084501A1 PCT/EP2011/071945 EP2011071945W WO2012084501A1 WO 2012084501 A1 WO2012084501 A1 WO 2012084501A1 EP 2011071945 W EP2011071945 W EP 2011071945W WO 2012084501 A1 WO2012084501 A1 WO 2012084501A1
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Rene Baumann
Peter Faubel
Jens-Harro Oechsner
Rudolf Temming
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Siemens Schweiz AG
Siemens Corp
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Siemens Schweiz AG
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61L—GUIDING RAILWAY TRAFFIC; ENSURING THE SAFETY OF RAILWAY TRAFFIC
    • B61L1/00—Devices along the route controlled by interaction with the vehicle or train
    • B61L1/02—Electric devices associated with track, e.g. rail contacts
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60M—POWER SUPPLY LINES, AND DEVICES ALONG RAILS, FOR ELECTRICALLY- PROPELLED VEHICLES
    • B60M5/00—Arrangements along running rails or at joints thereof for current conduction or insulation, e.g. safety devices for reducing earth currents

Definitions

  • the present invention relates to a system for extracting electrical energy from traction return current.
  • Axle counter, track circuits and loop cables called.
  • these elements are supplied with electrical energy from the interlocking and monitored for their function, for example by a
  • This object is achieved by a system for decoupling electrical power from a
  • This system includes:
  • an earth connector comprising a rail with a
  • the coupling element has a shunt interposed in the path of the ground connector in a DC voltage supply of the rail vehicle.
  • decentralized field elements is needed. This eliminates the sometimes significant cabling effort for the electrical supply of such field elements.
  • the relevant data can be transmitted wirelessly to the field element and also back to the signal box, which completely eliminates the need for cabling.
  • the coil assembly may be designed as a hinged coil surrounding the earth connector and thus this as
  • the folding coil can be designed so that the
  • Folding spool has a number of turns which are wound on the folding spool.
  • the number of turns provided depends on the height of the traction return currents and the desired energy output and can
  • Downstream power module which has a protective circuit, an AC / DC converter, a memory element and the output side, a DC / DC converter.
  • a perfect electrical isolation which in turn simplifies the design of the downstream electronics. It is at this point to consider that the decoupled electrical
  • Figure 1 is a schematic view of a rail track traveling electrically powered rail vehicle
  • Figure 2 shows a schematic view of a system for decoupling electrical power with a folding coil and downstream power module as used in Figure 1.
  • FIG. 1 schematically shows a rail track 2
  • the powered rail vehicle 4 is supplied via a pantograph 8, which is coupled to a catenary 6.
  • the overhead line 6 is suspended from electricity pylons 10, 12 insulated from the earth.
  • the rail vehicle can pick up several MW of electrical power from the catenary. At a voltage of
  • 15 kV and a frequency of 16.7 Hz in the network of the Swiss Federal Railways flow alternating currents in the order of magnitude of up to about 2 kA.
  • Rails of the track 2 in the earth are attached to the rails, which is usually coupled to the foundation of a power pole 10, 12 or otherwise as with a well connected to the earth element.
  • the rail vehicle 4 is now in the area of
  • Earth connector 14 arranged trailing traction return currents.
  • the decoupled by the systems 16 power is used in this case arranged to supply a trackside
  • Control unit 18 usually Lineside electronic
  • LEU At the LEU 18, a signal 20 and a balise 22 are coupled. These so-called field elements are controlled by the LEU 18 and supplied with the required electrical power. It may be provided that the signal 20 and the balise 22 only at the approach of
  • the figure 2 shows schematically the structure of the system 16 for decoupling of electrical power with a folding coil 24 and downstream power module 26.
  • the ground connector 14 In the illustrated sectional view of the hinged spool 24 are the ground connector 14, the insulation 28, windings 30 a secondary coil 32 and a magnetically conductive coil jacket 34 can be seen.
  • the voltage induced in the secondary coil via the coil jacket 34 is applied to the power module 26 and first encounters a protective circuit 36 and further to an AC / DC converter 38.
  • the DC voltage generated here is used to charge an energy store 38 and / or used for supply to a DC / DC converter 40.
  • the desired DC voltage U out At the output of the power module 26 is then the desired DC voltage U out .
  • the DC / DC converter 40 could also be used as a DC / AC converter
  • Rail vehicles additional installations for tele-powering be provided.
  • the cost of decoupling are very low because, for example, a hinged spool is a cheap passive component. Even if energy can only be obtained while the rail vehicle is passing through, the power that can be recuperated is still there a few 10 watts is quite sufficient to be able to supply, for example, an LED signal and a balise.
  • a shunt is inserted into the line of the earth connector 14, via which the
  • recuperable power drops and can continue to be used accordingly.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Electric Propulsion And Braking For Vehicles (AREA)

Abstract

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System zur Gewinnung elektrischer Energie anzugeben, das sich durch einen geringen Installations- und Betriebsaufwand auszeichnet und zuverlässig elektrische Energie für Feldelemente im Eisenbahnverkehr bereitstellen kann. Diese Aufgabe wird durch ein System (16) zur Auskopplung von elektrischer Leistung aus einem Traktionsrückstrom eines Schienenfahrzeugs (4) gelöst, umfassend: a) einen Erdverbinder (14), der eine Schiene (2) mit einem Erdungselement (12) oder der Erde verbindet; und b) ein zwischen der Schiene (2) und dem Erdungselement (12) bzw. der Erde angeordnetes Kopplungselement (24); wobei cl) das Kopplungselement (24) bei einer Wechselspannungsversorgung des Schienenfahrzeugs (4) mit einer Spulenanordnung (24) an dem Erdverbinder (14) angekoppelt ist; oder c2) das Kopplungselement bei einer Gleichspannungsversorgung des Schienenfahrzeugs einen in den Pfad des Erdverbinders zwischengeschalteten Shunt aufweist. Auf diese Weise ermöglicht es das vorliegende System elektrischer Energie aus dem Rückführungspfad des Traktionsstrom auszukoppeln und somit dort zur Verfügung zu stellen, wo die elektrische Leistung zum Betrieb von dezentralen Feldelementen benötigt wird. Damit entfällt der zum Teil erhebliche Verkabelungsaufwand für die elektrische Versorgung derartiger Feldelemente. Zugleich können die relevanten Daten zu dem Feldelement hin und auch von ihm zurück zum Stellwerk drahtlos übertragen werden, womit ein Verkabelungsaufwand komplett eliminiert werden kann.

Description

System zur Energieauskopplung aus Traktionsrückstrom
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein System zur Auskopplung von elektrischer Energie aus Traktionsrückstrom.
Zur Regelung und Steuerung des schienengebundenen Verkehr befinden sich die meisten dezentral angeordneten Komponenten weit abgesetzt von einem Stellwerk in unmittelbarer Nähe zum oder im Gleisbereich. Beispielhaft für derartige Komponenten werden hier Fest- und Transparentdatenbalisen,
Zugsicherungsmagnete und -sensoren, Weichen, Signale,
Achszähler, Gleisstromkreise und Loop-Kabel genannt. In der klassischen Bahnsicherungstechnik werden diese Elemente aus dem Stellwerk heraus mit elektrischer Energie versorgt und auf ihre Funktion hin überwacht, beispielweise durch eine
Überprüfung des Signallampenstroms oder der Leistungsaufnahme eines Weichenstellantriebs.
Hierzu werden aus dem Stellwerk heraus entsprechende Speise- und Datenkabel (teilweise werden die Adern auch für die
Speisung und die Daten gleichzeitig benutzt) verlegt, was einen vergleichsweise material- und installationsintensiven Vorgang darstellt. Dieser Tatbestand verändert sich derzeit eher weiter zum Schlechten, weil seitens der Bahnbetreiber ein immer grösser werdender Bedarf an dezentral angeordneten
Komponenten (Feldkomponenten) besteht, um höheren
Sicherheitsanforderungen und/oder einer optimierteren
Betriebsweise genügen zu können.
Zur Energieversorgung derartiger dezentral angeordneter
Feldelemente werden daher heute sehr häufig Solaranlagen eingesetzt, wodurch eine inselartige autarke Energieversorgung für das entsprechende Feldelement sichergestellt werden kann. Dennoch kann beispielsweise bei ungünstigen
Wetterverhältnissen die zur Verfügung stehende Energiemenge nicht ausreichend sein. Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System zur Gewinnung elektrischer Energie anzugeben, das sich durch einen geringen Installations- und Betriebsaufwand auszeichnet und zuverlässig elektrische Energie bereitstellen kann .
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch ein System zur Auskopplung von elektrischer Leistung aus einem
Traktionsrückstrom eines Schienenfahrzeugs gelöst. Dieses System umfasst:
a) einen Erdverbinder, der eine Schiene mit einem
Erdungselement oder der Erde verbindet; und
b) ein zwischen der Schiene und dem Erdungselement bzw. der Erde angeordnetes Kopplungselement; wobei
cl) das Kopplungselement bei einer Wechselspannungsversorgung des Schienenfahrzeugs mit einer Spulenanordnung an dem
Erdverbinder angekoppelt ist; oder
c2) das Kopplungselement bei einer Gleichspannungsversorgung des Schienenfahrzeugs einen in den Pfad des Erdverbinders zwischengeschalteten Shunt aufweist.
Auf diese Weise ermöglicht es das vorliegende System
elektrischer Energie aus dem Rückführungspfad des
Traktionsstrom auszukoppeln und somit dort zur Verfügung zu stellen, wo die elektrische Leistung zum Betrieb von
dezentralen Feldelementen benötigt wird. Damit entfällt der zum Teil erhebliche Verkabelungsaufwand für die elektrische Versorgung derartiger Feldelemente. Zugleich können die relevanten Daten zu dem Feldelement hin und auch von ihm zurück zum Stellwerk drahtlos übertragen werden, womit ein Verkabelungsaufwand komplett eliminiert werden kann.
In einer bevorzugten Aus führungs form der vorliegenden
Erfindung kann die Spulenanordnung als Klappspule ausgeführt sein, die den Erdverbinder umgibt und diesen somit als
Primärspule verwendet. Damit kann die Energieauskopplung realisiert werden, ohne dass an den existierenden Installationen Modifikationen vorgenommen werden müssten, was die Umsetzung und den Einsatz des erfindungsgemässen Systems sehr erleichtert.
Die Klappspule kann dabei so ausgestaltet sein, dass die
Klappspule eine Anzahl von Windungen aufweist, die auf die Klappspule aufgewickelt sind. Die Anzahl der vorgesehenen Windungen ist dabei von der Höhe der Traktionsrückströme und der gewünschten Energieauskopplung abhängig und kann
individuell an den jeweiligen Einsatzort angepasst werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist es zweckmässig dem Kopplungselement ein
Powermodul nachzuschalten, das über eine Schutzbeschaltung, einen AC/DC-Wandler, ein Speicherelement und ausgangsseitig einen DC/DC-Wandler aufweist. Auf diese Weise gelingt eine vollkommene Potenzialtrennung, die wiederum die Auslegung der nachgeschalteten Elektronik vereinfacht. Es ist an dieser Stelle zu bedenken, dass die ausgekoppelten elektrischen
Leistungen angesichts der Ströme von bis zu 2 kA eine
erhebliche Grösse erreichen können, was eine Potentialtrennung an dieser Stelle besonders wertvoll werden lässt.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemässen Systems ergibt sich, wenn dieses System bei zwei oder mehr direkt
benachbarten Erdleitern eingesetzt wird, was zum einen die auskoppelbare Leistung erhöht und zum anderen es sogar
ermöglicht, das Stromversorgungskonzept redundant zu
realisieren .
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden
Erfindung können den übrigen Unteransprüchen entnommen werden.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen: Figur 1 in schematischer Ansicht ein einen Schienenstrang befahrendes elektrisch betriebenes Schienenfahrzeug; und
Figur 2 in schematischer Ansicht ein System zur Auskopplung von elektrischer Leistung mit einer Klappspule und nachgeschaltetem Power-Modul wie in Figur 1 eingesetzt .
Figur 1 zeigt schematisch ein einen Schienenstrang 2
befahrendes elektrisch betriebenes Schienenfahrzeug 4. Die Versorgung des Schienenfahrzeugs 4 erfolgt über einen an einer Oberleitung 6 ankoppelnden Panthographen 8. Die Oberleitung 6 ist an gegen die Erde isolierten Strommasten 10, 12 aufgehängt Das Schienenfahrzeug kann aus der Oberleitung mehrere MW an elektrischer Leistung aufnehmen. Bei einer Spannung von
beispielsweise 15 kV und einer Frequenz von 16,7 Hz im Netz der schweizerischen Bundesbahnen fliessen dabei Wechselströme in der Grössenordnung von bis zu rund 2 kA. Diese
Wechselströme fliessen über die Oberleitung 6 in die
Fahrmotoren des Schienenfahrzeugs und von dort über die
Schienen des Schienenstrangs 2 in die Erde. Dabei sind an den Schienen sogenannte Erdverbinder 14 befestigt, die meist an das Fundament eines Strommasten 10, 12 oder sonst wie mit einem gut mit der Erde verbundenen Elements gekoppelt ist.
Befindet sich das Schienenfahrzeug 4 nun im Bereich der
Erdverbinder 14, so fliessen gemäss dem Weg des geringsten elektrischen Widerstandes diese sogenannten
Traktionsrückströme gegen die Erde. Nur während dieser
vergleichsweise kurzen Zeitdauer fliessen die
Traktionsrückströme über die Erdverbinder 14 gegen Erde ab.
Erfindungsgemäss ist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel an beiden Erdverbindern 14 jeweils ein System 16 zur
Auskopplung von elektrischer Leistung aus den über die
Erdverbinder 14 abfliessenden Traktionsrückströme angeordnet. Die mittels der Systeme 16 ausgekoppelte Leistung dient vorliegend zur Versorgung einer gleisseitig angeordneten
Kontrolleinheit 18, üblicherweise Lineside electronic
equipment LEU genannt. An der LEU 18 koppeln ein Signal 20 und eine Balise 22 an. Diese sogenannten Feldelemente werden von der LEU 18 gesteuert und mit der erforderlichen elektrischen Leistung versorgt. Dabei kann es vorgesehen sein, dass das Signal 20 und die Balise 22 nur bei der Annäherung des
Schienenfahrzeugs 4 eingeschaltet werden.
Die Figur 2 zeigt nun schematisch den Aufbau des Systems 16 zur Auskopplung von elektrischer Leistung mit einer Klappspule 24 und nachgeschaltetem Power-Modul 26. In dem dargestellten Schnittbild für die Klappspule 24 sind der Erdverbinder 14, dessen Isolierung 28, Wicklungen 30 einer Sekundärspule 32 und ein magnetisch leitender Spulenmantel 34 erkennbar. Die über den Spulenmantel 34 in der Sekundärspule induzierte Spannung liegt an dem Power-Modul 26 an und trifft dort zunächst auf eine Schutzbeschaltung 36 und weiter auf einen AC/DC-Konverter 38. Die hier generierte Gleichspannung wird zum Aufladen eines Energiespeichers 38 und/oder zur Zuführung zu einem DC/DC- Konverter 40 verwendet. Am Ausgang des Power-Moduls 26 liegt dann die gewünschte Gleichspannung Uaus an. Selbstverständlich könnte der DC/DC-Konverter 40 auch als DC/AC-Konverter
ausgestaltet sein. Es ist auch eine Beschaltung mit beiden Typen von Konvertern gleichzeitig denkbar.
Zusammenfassend kann daher festgestellt werden, dass es die Systems 16 erlauben, aus den Traktionsrückströmen Leistungen auszukoppeln und für dezentrale Feldelemente 20, 22 nutzbar zu machen. Zur Bereitstellung dieser Leistung ist daher keine zusätzliche Verkabelung notwendig noch müssen an den
Schienenfahrzeugen zusätzliche Installationen für ein Tele- Powering vorgesehen werden. Die Kosten für die Auskopplung sind dabei sehr gering, weil beispielsweise eine Klappspule ein günstiges passives Bauelement darstellt. Auch wenn eben nur bei der Durchfahrt des Schienenfahrzeugs Energie gewonnen werden kann, so ist doch die dabei rekuperierbare Leistung von einigen 10 Watt durchaus ausreichend um beispielsweise ein LED-Signal und eine Balise versorgen zu können. Für
Eisenbahnnetze mit einer Gleichstromversorgung ist die Art der Energieauskopplung in abgewandelter Form ebenfalls
durchführbar. Statt der Klappspule 24 wird in die Leitung des Erdverbinders 14 ein Shunt eingesetzt, über den die
rekuperierbare Leistung abfällt und entsprechend weiter genutzt werden kann.

Claims

Patentansprüche
1. System (16) zur Auskopplung von elektrischer Leistung aus einem Traktionsrückstrom eines Schienenfahrzeugs (4),
umfassend:
a) einen Erdverbinder (14), der eine Schiene (2) mit einem Erdungselement (12) oder der Erde verbindet; und
b) ein zwischen der Schiene (2) und dem Erdungselement (12) bzw. der Erde angeordnetes Kopplungselement (24) ; wobei cl) das Kopplungselement (24) bei einer
Wechselspannungsversorgung des Schienenfahrzeugs (4) mit einer Spulenanordnung (24) an dem Erdverbinder (14) angekoppelt ist; oder
c2) das Kopplungselement bei einer Gleichspannungsversorgung des Schienenfahrzeugs einen in den Pfad des Erdverbinders zwischengeschalteten Shunt aufweist.
2. System nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Spulenanordnung als Klappspule (24) ausgeführt ist, der den Erdverbinder (14) umgibt und diesen somit als Primärspule verwendet .
3. System nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Klappspule (14) eine Anzahl von Windungen (30) aufweist, die auf die Klappspule (14) aufgewickelt sind.
4. System nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
dem Kopplungselement (24) ein Powermodul (26) nachgeschaltet ist, das über eine Schut zbeschaltung (36), einen AC/DC-Wandler (38), ein Speicherelement (38) und ausgangsseitig einen DC/DC- Wandler (40) aufweist.
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