WO2013171186A2 - Schienenfahrzeugsschaltungsanordnung - Google Patents

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WO2013171186A2 PCT/EP2013/059890 EP2013059890W WO2013171186A2 WO 2013171186 A2 WO2013171186 A2 WO 2013171186A2 EP 2013059890 W EP2013059890 W EP 2013059890W WO 2013171186 A2 WO2013171186 A2 WO 2013171186A2
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Definitions

  • the invention relates to a SchienenINDsscenord ⁇ voltage, with at least one transformer, which is electrically connected in a first operating mode with a drive unit and a rail system ⁇ supply and is separated in a second operating mode of the rail network supply, and ei ⁇ nem intermediate circuit connected between the transformer and the drive unit is switched.
  • inrush currents also called "inrush currents”.
  • transformers these staggered to connect to the railway network supply. Another measure is to adapt the dimensions of the transformer by replacing it with a large number of small-sized transformers. Furthermore, it has already been proposed to limit the inrush currents by means of switchable and disconnectable series resistors. These measures mentioned are disadvantageous with regard to the switch-on time or the space requirement and the installation effort.
  • the invention has for its object to provide a generic rail vehicle circuit arrangement, by which an advantageous reduction of inrush currents can be achieved in a structurally simple manner.
  • the rail vehicle scarf ⁇ tion arrangement an auxiliary supply device, which is provided in the second operating mode, an electric Energy to feed into the DC link, and has a Vorbestromungsaku that refers during operation, the electrical energy of the intermediate circuit for pre-energizing the Transforma ⁇ sector.
  • an advantageous pre-energization of the transformer can be achieved by a da ⁇ necessary electrical energy in the DC link is provided by means of the auxiliary supply device.
  • the rail vehicle circuitry on a switching unit which serves to connect the Hilfsver ⁇ sorgungs founded energized to the intermediate circuit.
  • the drive unit comprises at least a traction motor, generates at least wel ⁇ cher in a traction mode of the rail vehicle, a rotational moment ⁇ for driving an axle.
  • Wei ⁇ direct drive unit comprises a power-supply unit suitably electrically connected to the intermediate circuit, which is used by obtaining an electrical
  • the power supply unit preferably has power electronics which, starting from an operating voltage of the intermediate circuit, generate a drive current for the traction motor.
  • the DC link can carry an operating voltage which is a DC voltage.
  • the power supply unit is designed in particular as an inverter.
  • the arrangement of the DC within the scarf ⁇ processing arrangement phrase in question "between” refers in particular to an energy flow, which in Tratechnischsmo- is led from the transformer via the DC bus to the drive unit.
  • the pre-energization unit can have a power electronics system, which receives energy from the DC link for energizing the transformer, and a control unit which controls switching operations of the power electronics.
  • the control unit may in particular be at least one component of the on ⁇ drive control device of the rail vehicle.
  • the transformer In the second operating mode, the transformer is separated from the rail network supply by an interruption of the electrical connection to the rail network supply, preferably by means of a current collector and / or a main switch downstream of the current collector.
  • the drive unit feeds back in a braking mode as a regenerative brake, an electric power in the intermediate circuit, and a regenerative is sehow provided which feeds back the power of the circuit between ⁇ via the transformer in the rail network supply, the Vorbestromungsaku at least in part ⁇ as is formed by the regenerative unit.
  • This regeneration of energy into the rail network supply takes place in the first operating mode, in which the transformer is electrically connected to the rail network supply.
  • the transformer In the second operating mode, in which the transformer is electrically isolated from the rail network supply - in particular in the run-up to a switch-on of the rail vehicle - at least a part of the existing regenerative unit can be used advantageously to feed the energy provided by the auxiliary supply device in the transformer.
  • the above-described reduction of the Inschaltstromsto ⁇ ßes can therefore be particularly easily achieved by the use of an existing circuit of energy recovery.
  • the regenerative unit may, for example, a power ⁇ electronics, which relates to the energization of the transformer energy of the intermediate circuit, and a control unit, which controls the switching operations of the power electronics.
  • the Vorbestromungsaku corresponds to the regenerative unit.
  • auxiliary supply device is at least partially part of an onboard power supply unit for the supply of auxiliary operations.
  • auxiliary operation is intended in particular an electrical
  • the auxiliary supply device is intended to receive an electrical energy from at least one on-board battery during operation.
  • the auxiliary supply device has at least one voltage converter, the output side a
  • the voltage converter may be simply configured as a boost converter.
  • the rail vehicle scarf ⁇ tion arrangement comprises a synchronization device which is intended to synchronize the pre-energization of the transformer with the railway power supply voltage. Thereby no optimized transition from the second operating mode to the first operating mode when producing the electrical Connection of the transformer with the railway network supply can be achieved.
  • a method for connecting a rail vehicle to an electrical rail network supply the rail vehicle having at least one drive unit, at least one transformer electrically connected to the drive unit and the rail network supply in a first operating mode and disconnected from the rail network supply in a second operating mode is, and has an intermediate circuit, which is connected between the transformer and the drive unit, in which in the second Be ⁇ operating mode, the intermediate circuit is supplied with an electrical energy, the electrical energy of the intermediate circuit for energizing the transformer is related and the Trans ⁇ formator the railway network supply is connected.
  • an advantageous Vorbestromung of the transformer can be achieved by a necessary electrical energy in the DC link by means of Hilfsversor ⁇ supply device is provided.
  • the transformer can be magnetized, which brought when connecting the transformer to the railway power supply inrush current at least below a prescribed by the rail network operator limit, especially vor ⁇ geous almost completely avoided.
  • the rail vehicle can be designed as a locomotive or unit of a train.
  • the rail vehicle has a current collector 10, wel ⁇ cher for making an electrical contact with a supply line of an electrical rail network supply 12th is provided, from which the rail vehicle obtains an electrical energy necessary for its operation.
  • the supply line is designed as a catenary, wherein further embodiments, such as in particular as a busbar, are conceivable.
  • the rail vehicle further includes circuitry 14 that is electrically connected to the pantograph 10 in use and receives electrical power from the rail network power supply.
  • ⁇ a main switch 16 serves for the preparation or separation of the connecting electrical see between the current collector 10 and the circuit 14.
  • the high voltage HV is guided from the main switch 16 to the primary winding 18 of a transformer 20.
  • the secondary winding 22 provides a ⁇ compared with the high voltage HV herun- tertransformator voltage V is ready and - electrically connected to an intermediate circuit 26 - via an input gear manufacturers 24th
  • the input 24 has a steep four-quadrant controller on the output side provides a uniform dishes ⁇ te voltage corresponding to the operation of the operating voltage V Z K of the intermediate circuit 26th
  • the operating voltage V ZK may have a value in the range of 500V to 700V.
  • the intermediate circuit 26 serves to supply a Antriebsein- standardized 28 and an auxiliary power supply unit 30.
  • At ⁇ drive unit 28 comprises at least one inverter 32, which, starting from the operating voltage V CC of the intermediate circuit 26 in a traction mode of the rail vehicle ei ⁇ NEN drive current for driving at least one of Traction motor 34 generates. This is done by means not shown in detail valve ⁇ elements power electronics of the inverter 32, which according to a particular switching strategy for generating the drive current and a corresponding torque of the driving motors 34 are switched.
  • the structure and thejanswei ⁇ se of an inverter for driving an electric traction motor are well known and will not be explained here.
  • the inverter 32 is controlled by means of a drive control device of the rail vehicle, not shown in more detail.
  • a kineti ⁇ cal energy of the traction motors 34 is converted into electrical energy, which is fed back via the inverter 32 back into the intermediate circuit 26.
  • the traction motors 34 In this braking mode, the traction motors 34 have the function of a regenerative brake. This energy recovery is shown schematically by arrows E B in the drawing.
  • This energy can be stored in the rail vehicle and / or it may, as shown in the figure, be fed back into the path of the mains supply 12 by the Retired ⁇ fed into the intermediate circuit 26 energy via the four-quadrant controllers of the input is fed to the transformer 20 whilr 24 ,
  • the four-quadrant controller is controlled by a control unit 35, which is in particular part of the Antriebs Kunststoffge ⁇ Raets the rail vehicle.
  • the four-quadrant controller and the control unit 35 form a regenerative unit 37, which feeds the energy of the intermediate circuit 26 back into the rail network supply 12 via the transformer 20.
  • the intermediate circuit 26 is also electrically connected to an inverter 36 which, starting from the operating voltage V Z K of the intermediate circuit 26, one or more supply voltages to the board power supply unit 30 provides ⁇ is, the further the operation of the driving motors 34 of various electrical consumers of the These electrical consumers may be an air compressor, a compressor of an air conditioning unit, a lighting system, a vehicle
  • the battery charger 38 serves to provide an on-board battery 40 with electrical energy.
  • the board ⁇ battery 40 can be supplied to the electrical system connected Hilfsbe ⁇ drives with electric power, even when the railway vehicle is separated from the web power supply 12th
  • the supply voltages of the electrical system supply unit 30 are preferably designed as alternating voltage and may be formed in one or three phases.
  • a supply voltage - depending on a current power requirement - have a variable voltage value and / or a variable frequency.
  • the transformer 20 may be connected to the railway power supply 12 (first operating mode) or separated from it (second operating mode) by means of the main switch 16 and / or the current collector 10.
  • Mains connection of the transformer 20 conventionally high inrush currents.
  • 14 is a magnetization of the transformer or Vorbestromung 20 before it is connected to the railway supply network. This is done by means of an auxiliary supply device 42, before the mains connection of the transformer 20 - ie before the transition to the first operating mode - for the magnetization of the transformer 20 necessary electrical energy in the intermediate circuit 26 and from there into the
  • Transformer 20 is fed. This energy supply is shown schematically in the drawing by means of arrows E A.
  • the pre-energization of the transformer 20 by means of the four-quadrant actuator of the input controller 24, which receives electrical energy from the intermediate circuit 26.
  • the four-quadrant controller is controlled by the control unit 35.
  • the four-quadrant manufacturers and the control unit 35 form a Vorbestromung- saku 43, which relates in operation provided by the auxiliary power supply means 42 of the intermediate electrical energy ⁇ circle 26 for the transformer Vorbestromen 20th
  • the Vorbestromungsillon 43 therefore corresponds to the feedback ⁇ unit 37th
  • the circuit assembly 14 includes a switching unit 44, which serves to supply the auxiliary device 42 approximately operation to the intermediate circuit 26 for the above-described Aufmagnetisie- of the transformer 20 energized to bind ⁇ ver.
  • the auxiliary power device 42 is part of the on-board network power unit 30 and is in operation, a elekt ⁇ innovative energy from the vehicle battery 40.
  • the battery voltage is a DC voltage, which in particular has a value of 110 V.
  • the auxiliary supply device 42 has a voltage converter 46 designed as a boost converter, which converts the battery voltage into the higher intermediate circuit voltage V ZK .
  • the arrangement shown in the drawing of the switching ⁇ unit 44 between the voltage converter 46 and the intermediate circuit 26 is exemplary. An alternative arrangement, for example between the voltage converter 46 and the onboard battery 40 is also conceivable.
  • the circuit arrangement 14 also has a synchronization device 48, which serves to synchronize the voltage of the secondary winding 22, ie the magnetizing voltage, generated during the supply of the transformer 20 with the voltage of the rail network supply 12.
  • the synchronization device 48 has a mains voltage converter 50, which transforms down the high voltage HV.
  • the signal sampled thereby is analyzed in a computing unit 52, in particular by means of a Fourier analysis, which generates a timing signal for the input divider 24.
  • the input divider 24 is hereby provided by the arithmetic unit 52 and the control unit 35 operatively connected thereto clocked synchronously with the railway network supply 12.
  • the arithmetic unit 35 may be part of the drive control device of the rail vehicle in particular ⁇ .

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schienenfahrzeugsschaltungsanordnung, mit zumindest einem Transformator (20), der in einem ersten Betriebsmodus mit einer Antriebseinheit (28) und einer Bahnnetzversorgung (12) elektrisch verbunden ist und in einem zweiten Betriebsmodus von der Bahnnetzversorgung (12) getrennt ist, und einem Zwischenkreis (26), welcher zwischen dem Transformator (20) und der Antriebseinheit (28) geschaltet ist. Um eine gattungsgemäße Schienenfahrzeugsschaltungsanordnung bereit zu stellen, durch welche eine vorteilhafte Reduzierung der Einschaltstromstöße auf eine konstruktiv einfache Weise erreicht werden kann, wird vorgeschlagen, dass die Schienenfahrzeugsschaltungsanordnung eine Hilfsversorgungseinrichtung (42), die dazu vorgesehen ist, im zweiten Betriebsmodus eine elektrische Energie (EA) in den Zwischenkreis (26) einzuspeisen, und eine Vorbestromungseinheit (43) aufweist, die im Betrieb die elektrische Energie des Zwischenkreises (26) zum Vorbestromen des Transformators (20) bezieht.

Description

Schienenfahrzeugsschaltungsanordnung
Die Erfindung betrifft eine Schienenfahrzeugsschaltungsanord¬ nung, mit zumindest einem Transformator, der in einem ersten Betriebsmodus mit einer Antriebseinheit und einer Bahnnetz¬ versorgung elektrisch verbunden ist und in einem zweiten Betriebsmodus von der Bahnnetzversorgung getrennt ist, und ei¬ nem Zwischenkreis, welcher zwischen dem Transformator und der Antriebseinheit geschaltet ist.
Bei der Netzzuschaltung eines Schienenfahrzeugs verursacht der elektrische Anschluss des Haupttransformators bzw. eines Satzes von Transformatoren an die Bahnnetzversorgung sehr hohe Einschaltstromstöße (auch „Inrush-Ströme" genannt) . Ohne entsprechende Maßnahmen überschreiten diese Einschaltstromstöße die von den Bahnnetzbetreibern zugelassenen Stromgrenzen .
Zur Reduzierung dieser Ströme bei dem Einschalten eines
Schienenfahrzeugs wurde bereits vorgeschlagen, bei einer
Vielzahl von Transformatoren, diese gestaffelt an die Bahnnetzversorgung anzuschließen. Eine weitere Maßnahme besteht in einer angepassten Dimensionierung des Transformators, indem dieser durch eine Vielzahl kleiner dimensionierter Trans- formatoren ersetzt wird. Ferner ist bereits vorgeschlagen worden, die Einschaltströme mittels zu- und abschaltbarer Vorwiderstände zu begrenzen. Diese genannten Maßnahmen sind bezüglich der Einschaltzeit bzw. der Bauraumbeanspruchung und des Montageaufwands nachteilhaft.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Schienenfahrzeugsschaltungsanordnung bereit zu stellen, durch welche eine vorteilhafte Reduzierung der Einschaltstromstöße auf eine konstruktiv einfache Weise erreicht werden kann.
Hierzu wird vorgeschlagen, dass die Schienenfahrzeugsschal¬ tungsanordnung eine Hilfsversorgungseinrichtung, die dazu vorgesehen ist, im zweiten Betriebsmodus eine elektrische Energie in den Zwischenkreis einzuspeisen, und eine Vor- bestromungseinheit aufweist, die im Betrieb die elektrische Energie des Zwischenkreises zum Vorbestromen des Transforma¬ tors bezieht. Hierdurch kann - vor einem Anschluss des Trans- formators an die Bahnnetzversorgung - eine vorteilhafte Vor- bestromung des Transformators erreicht werden, indem eine da¬ für notwendige elektrische Energie im Zwischenkreis mittels der Hilfsversorgungseinrichtung bereit gestellt wird. Durch die Vorbestromung kann der Transformator aufmagnetisiert wer- den, wobei der beim Anschluss des Transformators an die Bahn¬ netzversorgung entstehende Einschaltstromstoß zumindest unter eine vom Bahnnetzbetrieber vorgeschriebene Grenze gebracht, besonders vorteilhaft nahezu gänzlich vermieden werden kann. Vorteilhafterweise weist die Schienenfahrzeugsschaltungsanordnung eine Schalteinheit auf, die dazu dient, die Hilfsver¬ sorgungseinrichtung mit dem Zwischenkreis spannungsführend zu verbinden . Die Antriebseinheit weist zumindest einen Fahrmotor auf, wel¬ cher in einem Traktionsmodus des Schienenfahrzeugs ein Dreh¬ moment zum Antreiben zumindest einer Achse erzeugt. Des Wei¬ teren umfasst die Antriebseinheit zweckmäßigerweise eine mit dem Zwischenkreis elektrisch verbundene Leistungsversorgungs- einheit, die dazu dient, durch Beziehen einer elektrischen
Energie des Zwischenkreises im ersten Betriebsmodus den Fahr¬ motor mit einer für das Erzeugen des Drehmoments notwendigen Leistung zu versorgen. Hierzu weist die Leistungsversorgungs- einheit vorzugsweise eine Leistungselektronik auf, die ausge- hend von einer Betriebsspannung des Zwischenkreises einen Antriebsstrom für den Fahrmotor erzeugt. Insbesondere kann der Zwischenkreis im Betrieb eine Betriebsspannung führen, die eine Gleichspannung ist. Hierbei ist die Leistungsversor- gungseinheit insbesondere als Wechselrichter ausgebildet.
Der die Anordnung des Zwischenkreises innerhalb der Schal¬ tungsanordnung betreffende Begriff „zwischen" bezieht sich insbesondere auf einen Energiefluss , welcher im Traktionsmo- dus vom Transformator über den Zwischenkreis zur Antriebseinheit geführt wird.
Die Vorbestromungseinheit kann insbesondere eine Leistungs- elektronik, die zum Bestromen des Transformators Energie vom Zwischenkreis bezieht, und eine Steuereinheit aufweisen, die Schaltvorgänge der Leistungselektronik steuert. Die Steuereinheit kann insbesondere zumindest ein Bestandteil des An¬ triebssteuergeräts des Schienenfahrzeugs sein.
Im zweiten Betriebsmodus ist der Transformator von der Bahnnetzversorgung durch eine Unterbrechung der elektrischen Verbindung zur Bahnnetzversorgung vorzugsweise mittels eines Stromabnehmers und/oder eines dem Stromabnehmer nachgeschal- teten Hauptschalters getrennt.
Vorzugsweise wird vorgeschlagen, dass die Antriebseinheit in einem Bremsmodus als generatorische Bremse eine elektrische Energie in den Zwischenkreis zurückspeist und eine Rückspei- seeinheit vorgesehen ist, welche die Energie des Zwischen¬ kreises über den Transformator in die Bahnnetzversorgung zurückspeist, wobei die Vorbestromungseinheit zumindest teil¬ weise von der Rückspeiseeinheit gebildet ist. Diese Rückspei- sung von Energie in die Bahnnetzversorgung erfolgt im ersten Betriebsmodus, bei welchem der Transformator mit der Bahnnetzversorgung elektrisch verbunden ist. Im zweiten Betriebsmodus, bei welchem der Transformator von der Bahnnetzversorgung elektrisch getrennt ist - insbesondere im Vorfeld eines Einschaltvorgangs des Schienenfahrzeugs - kann zumindest ein Bestandteil der vorhandenen Rückspeiseeinheit vorteilhaft verwendet werden, um die von der Hilfsversorgungseinrichtung zur Verfügung gestellte Energie in den Transformator zu speisen. Die oben beschriebene Reduzierung des Einschaltstromsto¬ ßes kann demnach besonders einfach durch die Nutzung einer vorhandenen Schaltung der Energierückspeisung erreicht werden . Die Rückspeiseeinheit kann beispielsweise eine Leistungs¬ elektronik, die zum Bestromen des Transformators Energie des Zwischenkreises bezieht, und eine Steuereinheit aufweisen, die Schaltvorgänge der Leistungselektronik steuert.
In einer bevorzugten Ausbildung der Erfindung entspricht die Vorbestromungseinheit der Rückspeiseeinheit.
Eine besonders konstruktiv einfache Ausführung der Erfindung kann außerdem erreicht werden, wenn die Hilfsversorgungseinrichtung zumindest teilweise Bestandteil einer Bordnetzver- sorgungseinheit zur Versorgung von Hilfsbetrieben ist. Unter einem „Hilfsbetrieb" soll insbesondere ein elektrischer
Verbraucher des Schienenfahrzeugs verstanden werden, welcher sich von einem Fahrmotor unterscheidet.
Außerdem wird vorgeschlagen, dass die Hilfsversorgungseinrichtung dazu vorgesehen ist, im Betrieb eine elektrische Energie aus zumindest einer Bordbatterie zu beziehen. Hier- durch kann schnell und einfach auf eine Energie zugegriffen werden, die in Schienenfahrzeugen herkömmlicherweise gespei¬ chert ist.
Zweckmäßigerweise weist die Hilfsversorgungseinrichtung zu- mindest einen Spannungswandler auf, der ausgangsseitig eine
Spannung erzeugt, welche einer Betriebsspannung des Zwischenkreises entspricht. Ist die Betriebsspannung des Zwischen¬ kreises eine Gleichspannung und bezieht die Hilfsversorgungs¬ einrichtung eine Energie aus einer Bordbatterie, kann der Spannungswandler einfach als Hochsetzsteller ausgebildet sein .
Ferner wird vorgeschlagen, dass die Schienenfahrzeugsschal¬ tungsanordnung eine Synchronisationseinrichtung aufweist, die dazu vorgesehen ist, die Vorbestromung des Transformators mit der Bahnnetzversorgungsspannung zu synchronisieren. Hierdurch kein ein optimierter Übergang vom zweiten Betriebsmodus in den ersten Betriebsmodus bei Herstellung der elektrischen Verbindung des Transformators mit der Bahnnetzversorgung erreicht werden.
Ferner wird ein Verfahren zum Anschließen eines Schienenfahr- zeugs an eine elektrische Bahnnetzversorgung vorgeschlagen, wobei das Schienenfahrzeug zumindest eine Antriebseinheit, wenigstens einen Transformator, der in einem ersten Betriebsmodus mit der Antriebseinheit und der Bahnnetzversorgung elektrisch verbunden ist und in einem zweiten Betriebsmodus von der Bahnnetzversorgung getrennt ist, und einen Zwischenkreis aufweist, welcher zwischen dem Transformator und der Antriebseinheit geschaltet ist, bei welchem im zweiten Be¬ triebsmodus der Zwischenkreis mit einer elektrischen Energie gespeist wird, die elektrische Energie des Zwischenkreises zum Bestromen des Transformators bezogen wird und der Trans¬ formator an die Bahnnetzversorgung angeschlossen wird. Hierdurch kann - vor einem Anschluss des Transformators an die Bahnnetzversorgung - eine vorteilhafte Vorbestromung des Transformators erreicht werden, indem eine dafür notwendige elektrische Energie im Zwischenkreis mittels der Hilfsversor¬ gungseinrichtung bereit gestellt wird. Durch die Vorbestro¬ mung kann der Transformator aufmagnetisiert werden, wobei der beim Anschluss des Transformators an die Bahnnetzversorgung entstehende Einschaltstromstoß zumindest unter eine vom Bahn- netzbetrieber vorgeschriebene Grenze gebracht, besonders vor¬ teilhaft nahezu gänzlich vermieden werden kann.
Es wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert.
Diese zeigt in einer stark schematisierten Ansicht Komponenten eines Schienenfahrzeugs. Das Schienenfahrzeug kann als Lokomotive oder Einheit eines Triebzuges ausgebildet sein.
Das Schienenfahrzeug weist einen Stromabnehmer 10 auf, wel¬ cher zur Herstellung eines elektrischen Kontakts mit einer Versorgungsleitung einer elektrischen Bahnnetzversorgung 12 vorgesehen ist, aus welcher das Schienenfahrzeug eine für dessen Betrieb notwendige elektrische Energie bezieht. In der gezeigten Ausführung ist die Versorgungsleitung als Oberleitung ausgebildet, wobei weitere Ausführungen, wie insbesonde- re als Stromschiene, denkbar sind. Das Schienenfahrzeug weist ferner eine Schaltungsanordnung 14 auf, die im Betrieb mit dem Stromabnehmer 10 elektrisch verbunden ist und eine elektrische Energie von der Bahnnetzversorgung bezieht. Ein Haupt¬ schalter 16 dient zur Herstellung bzw. Trennung der elektri- sehen Verbindung zwischen dem Stromabnehmer 10 und der Schaltungsanordnung 14. Der Stromabnehmer 10 und der Hauptschalter 16 führen die von der Bahnnetzversorgung 12 zur Verfügung gestellte Hochspannung HV. Diese entspricht insbesondere einer Wechselspannung und kann z.B. einen Wert von 15 kV oder 25 kV aufweisen.
Die Hochspannung HV ist vom Hauptschalter 16 bis zur Primärwicklung 18 eines Transformators 20 geführt. Die Sekundär¬ wicklung 22 stellt eine gegenüber der Hochspannung HV herun- tertransformierte Spannung V bereit und ist - über einen Ein- gangssteller 24 - mit einem Zwischenkreis 26 elektrisch verbunden. Insbesondere weist der Eingangssteiler 24 einen Vier- quadrantensteller auf, der ausgangseitig eine gleichgerichte¬ te Spannung bereitstellt, die im Betrieb der Betriebsspannung VZK des Zwischenkreises 26 entspricht. Beispielweise kann die Betriebsspannung VZK einen Wert in der Spanne von 500 V bis 700 V haben.
Der Zwischenkreis 26 dient zur Versorgung einer Antriebsein- heit 28 und einer Bordnetzversorgungseinheit 30. Die An¬ triebseinheit 28 umfasst zumindest einen Wechselrichter 32, welcher ausgehend von der Betriebsspannung VZK des Zwischenkreises 26 in einem Traktionsmodus des Schienenfahrzeugs ei¬ nen Antriebsstrom zum Antreiben zumindest eines Fahrmotors 34 erzeugt. Dies erfolgt mittels nicht näher gezeigter Ventil¬ elemente einer Leistungselektronik des Wechselrichters 32, die gemäß einer bestimmten Schaltstrategie zur Erzeugung des Antriebsstroms und eines entsprechenden Drehmoments des Fahr- motors 34 geschaltet werden. Der Aufbau und die Funktionswei¬ se eines Wechselrichters zum Antreiben eines elektrischen Traktionsmotors sind ausreichend bekannt und werden hier nicht näher erläutert. Der Wechselrichter 32 wird mittels ei- nes nicht näher gezeigten Antriebssteuergeräts des Schienen¬ fahrzeugs gesteuert.
In einem Bremsmodus des Schienenfahrzeugs wird eine kineti¬ sche Energie der Fahrmotoren 34 in eine elektrische Energie umgewandelt, die über den Wechselrichter 32 zurück in den Zwischenkreis 26 zurückgespeist wird. In diesem Bremsmodus weisen die Fahrmotoren 34 die Funktion einer generatorischen Bremse auf. Diese Energierückspeisung ist in der Zeichnung durch Pfeile EB schematisch dargestellt. Diese Energie kann im Schienenfahrzeug gespeichert werden und/oder sie kann, wie in der Figur gezeigt, in die Bahnnetzversorgung 12 zurückgespeist werden, indem die in den Zwischenkreis 26 zurückge¬ speiste Energie über den Vierquadrantensteller des Eingangs- stellers 24 in den Transformator 20 gespeist wird. Hierbei wird der Vierquadrantensteller mittels einer Steuereinheit 35 gesteuert, die insbesondere Bestandteil des Antriebssteuerge¬ räts des Schienenfahrzeugs ist. Der Vierquadrantensteller und die Steuereinheit 35 bilden eine Rückspeiseeinheit 37, welche die Energie des Zwischenkreises 26 über den Transformator 20 in die Bahnnetzversorgung 12 zurückspeist.
Der Zwischenkreis 26 ist außerdem mit einem Umrichter 36 elektrisch verbunden, welcher ausgehend von der Betriebsspannung VZK des Zwischenkreises 26 eine oder mehrere Versor- gungsspannungen der Bordnetzversorgungseinheit 30 bereit¬ stellt, die für den Betrieb weiterer, von den Fahrmotoren 34 unterschiedlicher elektrischer Verbraucher des Schienenfahrzeugs (auch „Hilfsbetriebe" genannt) geeignet sind. Diese elektrischen Verbraucher können ein Luftkompressor, ein Ver- dichter eines Klimaaggregats, eine Beleuchtungsanlage, eine
Steckdose usw. sein. Insbesondere ist ein als Batterieladege¬ rät 38 ausgebildeter Verbraucher in der Zeichnung dargestellt. Das Batterieladegerät 38 dient dazu, eine Bordbatte- rie 40 mit elektrischer Energie zu laden. Mittels der Bord¬ batterie 40 können an das Bordnetz angeschlossene Hilfsbe¬ triebe mit elektrischer Energie versorgt werden, auch wenn das Schienenfahrzeug von der Bahnnetzversorgung 12 getrennt ist .
Die Versorgungsspannungen der Bordnetzversorgungseinheit 30 sind vorzugsweise als Wechselspannung ausgebildet und können ein- oder dreiphasig ausgebildet sein. Zur Versorgung einer bestimmten Kategorie elektrischer Verbraucher, z.B. zur Versorgung von Klimaaggregaten, kann eine Versorgungsspannung - abhängig von einem aktuellen Leistungsbedarf - einen variablen Spannungswert und/oder eine variable Frequenz aufweisen. Der Transformator 20 kann mittels des Hauptschalters 16 und/oder des Stromabnehmers 10 mit der Bahnnetzversorgung 12 verbunden (erster Betriebsmodus) bzw. von dieser getrennt werden (zweiter Betriebsmodus). Bei einem Einschaltvorgang des Schienenfahrzeugs, insbesondere beim Übergang vom zweiten Betriebsmodus in den ersten Betriebsmodus verursacht die
Netzzuschaltung des Transformators 20 herkömmlicherweise hohe Einschaltströme. Um diese zu reduzieren, insbesondere zu ver¬ meiden, erfolgt mittels der gezeigten Schaltungsanordnung 14 eine Aufmagnetisierung bzw. Vorbestromung des Transformators 20, bevor dieser an die Bahnnetzversorgung angeschlossen wird. Dies erfolgt mittels einer Hilfsversorgungseinrichtung 42, mit der vor der Netzzuschaltung des Transformators 20 - d.h. vor dem Übergang in den ersten Betriebsmodus - eine für die Aufmagnetisierung des Transformators 20 notwendige elekt- rische Energie in den Zwischenkreis 26 und von dort in den
Transformator 20 gespeist wird. Diese Energiespeisung ist in der Zeichnung mittels Pfeilen EA schematisch dargestellt.
Die Vorbestromung des Transformators 20 erfolgt mittels des Vierquadrantenstellers des Eingangsstellers 24, welcher elektrische Energie aus dem Zwischenkreis 26 bezieht. Der Vierquadrantensteller wird, wie oben bereits beschrieben, mittels der Steuereinheit 35 gesteuert. Der Vierquadranten- steller und die Steuereinheit 35 bilden eine Vorbestromung- seinheit 43, die im Betrieb die von der Hilfsversorgungseinrichtung 42 bereitgestellte elektrische Energie des Zwischen¬ kreises 26 zum Vorbestromen des Transformators 20 bezieht. Die Vorbestromungseinheit 43 entspricht daher der Rückspeise¬ einheit 37.
Die Schaltungsanordnung 14 weist eine Schalteinheit 44 auf, die dazu dient, die Hilfsversorgungseinrichtung 42 mit dem Zwischenkreis 26 für den oben beschriebenen Aufmagnetisie- rungsvorgang des Transformators 20 spannungsführend zu ver¬ binden .
Die Hilfsversorgungseinrichtung 42 ist Bestandteil der Bord- netzversorgungseinheit 30 und bezieht im Betrieb eine elekt¬ rische Energie aus der Bordbatterie 40. Die Batteriespannung ist eine Gleichspannung, die insbesondere einen Wert von 110 V hat. Die Hilfsversorgungseinrichtung 42 weist einen als Hochsteller ausgebildeten Spannungswandler 46 auf, welcher die Batteriespannung in die höhere Zwischenkreisspannung VZK wandelt. Die in der Zeichnung gezeigte Anordnung der Schalt¬ einheit 44 zwischen dem Spannungswandler 46 und dem Zwischenkreis 26 ist beispielhaft. Eine alternative Anordnung, z.B. zwischen dem Spannungswandler 46 und der Bordbatterie 40 ist ebenfalls denkbar.
Die Schaltungsanordnung 14 weist ferner eine Synchronisationseinrichtung 48 auf, die dazu dient, die bei der Speisung des Transformators 20 entstehende Spannung der Sekundärwick- lung 22, d.h. die Aufmagnetisierungsspannung, mit der Spannung der Bahnnetzversorgung 12 zu synchronisieren. Die Synchronisationseinrichtung 48 weist einen Netzspannungswandler 50 auf, der die Hochspannung HV heruntertransformiert. Das hierdurch abgetastete Signal wird in einer Recheneinheit 52 analysiert, insbesondere mittels einer Fourier-Analyse, die ein Taktungssignal für den Eingangssteiler 24 erzeugt. Der Eingangssteiler 24 wird hiermit von der Recheneinheit 52 und der mit dieser in Wirkverbindung stehenden Steuereinheit 35 mit der Bahnnetzversorgung 12 synchron getaktet. Die Recheneinheit 35 kann insbesondere Bestandteil des Antriebssteuer¬ geräts des Schienenfahrzeugs sein.

Claims

Patentansprüche
1. Schienenfahrzeugsschaltungsanordnung, mit zumindest einem Transformator (20), der in einem ersten Betriebsmodus mit einer Antriebseinheit (28) und einer Bahnnetzversorgung (12) elektrisch verbunden ist und in einem zweiten Betriebsmodus von der Bahnnetzversorgung (12) getrennt ist, und einem Zwischenkreis (26), welcher zwischen dem Transformator (20) und der Antriebseinheit (28) geschaltet ist,
gekennzeichnet durch
eine Hilfsversorgungseinrichtung (42), die dazu vorgesehen ist, im zweiten Betriebsmodus eine elektrische Energie (EA) in den Zwischenkreis (26) einzuspeisen, und eine Vorbestro- mungseinheit (43) , die im Betrieb die elektrische Energie des Zwischenkreises (26) zum Vorbestromen des Transformators (20) bezieht .
2. Schienenfahrzeugsschaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
die Antriebseinheit (28) in einem Bremsmodus als generatori¬ sche Bremse eine elektrische Energie (EB) in den Zwischen¬ kreis (26) zurückspeist und eine Rückspeiseeinheit (37) vor¬ gesehen ist, welche die Energie des Zwischenkreises (26) über den Transformator (20) in die Bahnnetzversorgung (12) zurück- speist, wobei die Vorbestromungseinheit (43) zumindest teil¬ weise von der Rückspeiseeinheit (37) gebildet ist.
3. Schienenfahrzeugsschaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Hilfsversorgungseinrichtung (42) zumindest teilweise Bestandteil einer Bordnetzversorgungseinheit (30) zur Versor¬ gung von Hilfsbetrieben ist.
4. Schienenfahrzeugsschaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Hilfsversorgungseinrichtung (42) dazu vorgesehen ist, im Betrieb eine elektrische Energie aus zumindest einer Bordbat¬ terie (40) zu beziehen.
5. Schienenfahrzeugsschaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Zwischenkreis (26) im Betrieb eine Betriebsspannung (VZK) führt, die eine Gleichspannung ist.
6. Schienenfahrzeugsschaltungsanordnung nach einem der vor- hergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Hilfsversorgungseinrichtung (42) zumindest einen Spannungswandler (46) aufweist, der ausgangsseitig eine Spannung erzeugt, welche einer Betriebsspannung (VZK) des Zwischen- kreises (26) entspricht.
7. Schienenfahrzeugsschaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
gekennzeichnet durch
eine Synchronisationseinrichtung (48), die dazu vorgesehen ist, die Vorbestromung des Transformators (20) mit der Bahn¬ netzversorgungsspannung (HV) zu synchronisieren.
8. Schienenfahrzeug mit einer Schienenfahrzeugsschaltungs- anordnung (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
9. Verfahren zum Anschließen eines Schienenfahrzeugs an ei¬ ne elektrische Bahnnetzversorgung (12), wobei das Schienenfahrzeug zumindest eine Antriebseinheit (28), wenigstens ei¬ nen Transformator (20), der in einem ersten Betriebsmodus mit der Antriebseinheit (28) und der Bahnnetzversorgung (12) elektrisch verbunden ist und in einem zweiten Betriebsmodus von der Bahnnetzversorgung (12) getrennt ist, und einen Zwischenkreis (26) aufweist, welcher zwischen dem Transformator (20) und der Antriebseinheit (28) geschaltet ist, bei welchem
- im zweiten Betriebsmodus der Zwischenkreis (26) mit einer elektrischen Energie (EA) gespeist wird,
- die elektrische Energie des Zwischenkreises (26) zum
Bestromen des Transformators (20) bezogen wird und
- der Transformator (20) an die Bahnnetzversorgung (12) angeschlossen wird.
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