WO2023186818A1 - Überwachungseinrichtung für einen stromrichter eines schienenfahrzeugs - Google Patents

Überwachungseinrichtung für einen stromrichter eines schienenfahrzeugs Download PDF

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WO2023186818A1
WO2023186818A1 PCT/EP2023/057859 EP2023057859W WO2023186818A1 WO 2023186818 A1 WO2023186818 A1 WO 2023186818A1 EP 2023057859 W EP2023057859 W EP 2023057859W WO 2023186818 A1 WO2023186818 A1 WO 2023186818A1
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power converter
power
monitoring device
pwr
housing
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PCT/EP2023/057859
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Markus Ackermann
Volker Grabosch
Bernd Laska
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Siemens Mobility GmbH
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    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L3/00—Electric devices on electrically-propelled vehicles for safety purposes; Monitoring operating variables, e.g. speed, deceleration or energy consumption
    • B60L3/0023—Detecting, eliminating, remedying or compensating for drive train abnormalities, e.g. failures within the drive train
    • B60L3/0046—Detecting, eliminating, remedying or compensating for drive train abnormalities, e.g. failures within the drive train relating to electric energy storage systems, e.g. batteries or capacitors
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H5/00—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal non-electric working conditions with or without subsequent reconnection
    • H—ELECTRICITY
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    • H02H—EMERGENCY PROTECTIVE CIRCUIT ARRANGEMENTS
    • H02H5/00—Emergency protective circuit arrangements for automatic disconnection directly responsive to an undesired change from normal non-electric working conditions with or without subsequent reconnection
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
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    • H02H7/12—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for converters; for rectifiers for static converters or rectifiers
    • H02H7/125—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for converters; for rectifiers for static converters or rectifiers for rectifiers
    • H02H7/1255—Emergency protective circuit arrangements specially adapted for specific types of electric machines or apparatus or for sectionalised protection of cable or line systems, and effecting automatic switching in the event of an undesired change from normal working conditions for converters; for rectifiers for static converters or rectifiers for rectifiers responsive to internal faults, e.g. by monitoring ripple in output voltage

Definitions

  • the invention relates to a monitoring device for a power converter of a rail vehicle, wherein the power converter comprises at least a respective number of power capacitors and power semiconductor switches, which are arranged in a common, at least essentially closed housing.
  • Electrically driven rail vehicles have one or more electric drive trains, which drive one or more wheel sets of the rail vehicle by means of electric drive or Drive traction motors.
  • Asynchronous or synchronous three-phase machines which are fed by one or more converters, are usually used as drive motors.
  • the power converters are typically designed as pulse inverters (PWR) in order to convert a direct voltage present on the input side into an alternating voltage on the output side of variable amplitude and frequency, with which the stator windings of the drive motors are fed.
  • PWR pulse inverters
  • the power converter is supplied from a DC intermediate circuit.
  • the DC intermediate circuit can in turn be fed from various energy sources.
  • electrical energy is supplied to the rail vehicle via a trackside supply network which carries a direct or alternating voltage and to which the drive train of the rail vehicle is electrically connected via one or more current collectors.
  • trackside supply network which carries a direct or alternating voltage and to which the drive train of the rail vehicle is electrically connected via one or more current collectors.
  • such supply networks carry alternating voltages of 25kV, 50Hz, or 15kV, 16, 7Hz, or DC voltages of 3kV or l, 5kV.
  • this includes Drive train When supplied via an alternating voltage supply network, this includes Drive train usually also includes a transformer, by means of which the high voltage of the supply network is transformed to a lower voltage, as well as one or more DC-DC converters fed by the transformer, usually so-called four-quadrant dividers (4QS), which convert the AC voltage into a DC voltage for the DC link walk.
  • 4QS four-quadrant dividers
  • the electrical energy is fed into the DC intermediate circuit either directly or via a DC voltage controller.
  • the supply can alternatively or additionally also be provided by means of an electrical energy source arranged on the rail vehicle.
  • an internal combustion engine can drive a three-phase generator, which generates an alternating voltage, which in turn is converted into a direct voltage for the direct voltage intermediate circuit using a rectifier.
  • a drive or Traction battery and, for example, in addition to this, a fuel cell system can be provided, which feed the DC intermediate circuit via a DC-DC converter to adjust the voltage level.
  • One or more power capacitors are arranged in the DC intermediate circuit of the drive train, which serve as energy storage and to reduce voltage fluctuations.
  • intermediate circuit capacitors are arranged in the DC intermediate circuit of the drive train, which serve as energy storage and to reduce voltage fluctuations.
  • DC voltages of several hundred volts are present on intermediate circuit capacitors.
  • the power capacitors are usually arranged together with power semiconductor switches of the power converter in a common housing and can therefore be assigned to the power converter.
  • distributed power capacitors are used, with one or more electrically connected in parallel Power capacitors are assigned to a function of the power converter, wherein the function of the power converter can be in particular that of a known four-quadrant controller (4QS), a pulse inverter (PWR) or a direct current controller (DC/DC controller).
  • 4QS four-quadrant controller
  • PWR pulse inverter
  • DC/DC controller direct current controller
  • Another possible function of power capacitors in power converters is, in particular, filtering an alternating current output voltage from pulse inverters to compensate for fluctuating power in an alternating voltage supply network.
  • the lowest possible inductance electrical connection between power semiconductor modules of the phases and the respective power capacitors is usually achieved using busbars.
  • the power capacitors are usually designed as film capacitors with a dielectric made of a plastic material such as polypropylene or polyester.
  • a dielectric made of a plastic material such as polypropylene or polyester.
  • the occurrence of a fault in the power capacitor is also possible due to an aging process of the metallization of the dielectric. Corrosion of the metallization made of, for example, aluminum or zinc leads to increasing current heat losses over the operating time of the power capacitor, which limits the intended capacitor-internal self-healing ability of defects in the metallization. This loss of self-healing ability can lead to melting of the dielectric and pyrolysis, in which gaseous hydrocarbon compounds, so-called pyrolysis gases, are formed.
  • the capacitor housing can, for example, be specially designed and provided with a monitoring device, as disclosed in international patent application WO 2017/028992 Al.
  • a change in volume of the capacitor housing due to increased gas pressure serves to detect such an error in order to be able to initiate suitable measures.
  • a first aspect of the invention relates to a generic monitoring device for a power converter of a rail vehicle, wherein the power converter comprises at least a respective number of power capacitors and power semiconductor switches, which are arranged in a common, at least substantially closed housing.
  • the monitoring device comprises an evaluation device and at least one gas sensor connected to it in terms of signals, the evaluation device being designed to interrupt an energy supply to the number of power capacitors of the power capacitor depending on a concentration of at least one flammable gaseous compound in the housing of the power converter, which is detected by means of the at least one gas sensor to effect the power converter.
  • the monitoring device advantageously enables, in particular, simple retrofitting of power converters that are already in operation, without requiring the replacement of power capacitors.
  • There is no direct monitoring of the power capacitors in the housing of the power converter as disclosed in the introductory international patent application WO 2017/028992 A1, but rather a monitoring of the atmosphere in the housing of the power converter with regard to a concentration of one or more flammable gaseous compounds , in particular hydrocarbon compounds, such as those produced during pyrolysis in the capacitor housing, by means of one or more suitable gas sensors.
  • An evaluation device connected to the one or more gas sensors for signaling purposes evaluates the detected concentration and, depending on the evaluation, causes an interruption of the energy supply to the power capacitors of the power converter or to the power converter itself.
  • the monitoring device according to the invention can be found in new power converters or one Original equipment for power converters can be used, especially for central monitoring of a large number of power capacitors, which can advantageously reduce costs compared to individual monitoring.
  • interrupting the energy supply is a suitable measure to further increase the concentration of such flammable gaseous compounds in the housing of the power converter and thereby the possible danger to effectively reduce the risk of a fire or explosion.
  • Such an interruption of the energy supply can preferably be triggered when the drive train is supplied by means of a supply network.
  • a circuit breaker can be opened, for example in the form of a main switch usually between the current collector and the drive train, for example the transformer in the case of an alternating voltage supply network or an input filter in the case of a DC supply network, arranged and switchable under load.
  • power switches provided in the drive train for example short-circuiters in the form of thyristors or contactors, by means of which the DC intermediate circuit or energy sources connected to it can be short-circuited, can also be triggered as a measure to prevent further energy input into the faulty power capacitor.
  • the power capacitors should be discharged.
  • the monitoring according to the invention by means of the one or more gas sensors also enables the detection of an increased concentration of one or more combustible gaseous compounds in the atmosphere of the power converter housing, which is not caused by one Pyrolysis is caused in one of the power capacitors, but its formation causes other faulty electrical components in the housing of the power converter.
  • the formation of flammable gaseous compounds by such components can be prevented or prevented in the same way by interrupting the energy supply. be reduced.
  • a power converter for which the monitoring device according to the invention can be advantageously used has, in addition to a number of power semiconductor switches, a number of power capacitors.
  • the power converter as a drive or Traction power converter or Specifically as a pulse inverter, as described in the introduction, an output-side three-phase alternating voltage of variable voltage level and frequency is generated from an input-side direct voltage by suitable control of the power semiconductor switches, with which the stator winding of one or more drive motors is fed.
  • the power semiconductor switches in particular IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), are connected, for example, according to a full bridge, in which two series-connected power semiconductors are assigned to each of the three phases.
  • Such a power converter therefore has at least six power semiconductor switches.
  • a respective series connection or A respective branch of the full bridge is, for example, a power capacitor or Several power capacitors connected in parallel are assigned, so that in particular three or a multiple of three power capacitors are additionally arranged in the housing of the power converter.
  • the monitoring device according to the invention can also be used, for example, in an auxiliary power converter of the rail vehicle, which converts an input-side DC voltage, for example of the DC intermediate circuit, into a DC voltage different voltage levels or an alternating voltage of a certain frequency for auxiliary operations of the rail vehicle or of the drive train.
  • auxiliary operations include in particular devices for air conditioning and lighting of passenger compartments, controls as well as information transmission and display systems as well as pumps and fans in cooling systems for drive or. Traction components of the rail vehicle.
  • the monitoring device according to the invention can be used to monitor filter capacitors for the three-phase output voltages of an auxiliary power converter.
  • the housing of a power converter is in the usual way, in particular to protect the components arranged therein against environmental influences, as a closed or closed housing.
  • a substantially closed housing is designed.
  • a substantially closed housing means that it is not completely or completely closed. is not hermetically sealed, there is an inflow and outflow of air from or to the surroundings of the housing, however, occurs to such a small extent that the concentration of flammable gaseous compounds can increase, for example due to a faulty power capacitor, and therefore pose a danger.
  • a single or several gas sensors arranged, which or which is connected to an evaluation device for signaling purposes or are .
  • the or the gas sensors are preferably located in one place or distributed at different locations in the power converter housing, at which or at which a concentration of flammable gaseous compounds should be increased due to a faulty power capacitor.
  • Such suitable locations within the power converter housing are in particular in the immediate vicinity of the power capacitors.
  • a gas sensor is used to record the concentration of one or more combustible compounds, in particular certain hydrocarbon compounds.
  • Such gaseous compounds can, as described in the introduction, arise during pyrolysis in the housing of a power capacitor, from which they are released to the environment or, for example, via a pressure relief valve or after the capacitor housing bursts. escape into the atmosphere inside the converter housing.
  • the gas sensor is preferably tailored to detect certain compounds such as those formed during such pyrolysis.
  • the evaluation device comprises, for example, one or more microprocessors, which process the signals or signals provided by the one or more gas sensors. Evaluate information regarding a concentration of flammable gaseous compounds and, depending on this assessment, interrupt the energy supply. If there are several gas sensors, the different information provided by them can be evaluated individually or as a whole by the evaluation device.
  • the evaluation device causes an interruption of the energy supply, for example, if only one of the gas sensors detects a concentration that can be viewed as potentially dangerous. Alternatively, however, an interruption can only be effected by the evaluation device when at least two of the plurality of gas sensors detect such a concentration or an average value formed of the concentrations detected by several of them indicates such a potentially dangerous concentration.
  • the evaluation device should take into account that the concentrations of flammable gaseous compounds that arise during pyrolysis in a power capacitor are particularly dependent on a temperature and a pressure in the capacitor housing.
  • the interruption of the energy supply is preferably effected directly by the evaluation device.
  • the monitoring device or the evaluation device is integrated, for example, into a safety loop of the rail vehicle or integrated.
  • a safety loop which can be provided several times in a rail vehicle, serves in particular to open the main switch and/or another circuit breaker if a fault occurs, for example in a component of the drive train, and thus to isolate the drive train from the supply network in order to prevent further supply of electrical energy to the faulty component and thus potential further destruction of this and possibly other components of the drive train.
  • another switch can be opened using a safety loop, which separates the energy source from the drive train.
  • an interruption of the energy supply can also be effected indirectly by the evaluation device.
  • the monitoring device or The evaluation device is connected, for example, to a power converter control and/or a higher-level vehicle control, which in turn can cause an interruption in the energy supply by opening the main switch or a corresponding switch.
  • a supply to the monitoring device or the evaluation device and the at least one gas sensor with electrical energy for its operation preferably takes place in accordance with further auxiliary operations of the rail vehicle.
  • the monitoring device can be supplied in accordance with the power converter control, whereby the energy supply can be supported by an on-board network battery in order to be able to ensure function even if the power supply to the power converter is interrupted.
  • the monitoring device is only supplied during operation of the power converter or only required as long as it is supplied with electrical energy, since interrupting the energy supply also prevents further generation of pyrolysis gases.
  • the evaluation device is further designed to compare the detected concentration of the at least one gaseous compound with at least one predetermined threshold value and to cause the energy supply to be interrupted if it is exceeded.
  • An evaluation of the recorded concentration is therefore carried out by comparing it with at least one predetermined threshold value, whereby this or This is stored for comparison by the evaluation device, for example in a storage device of the evaluation device which is connected to the microprocessors in terms of signals, or become .
  • the respective threshold value should preferably be chosen or It must be specified that the corresponding concentration of the gaseous compound in the atmosphere of the power converter housing is not yet sufficient to pose an actual risk of fire or explosion.
  • an individual threshold value is preferably specified for each compound.
  • the evaluation device can derive an overall picture, based on which it can make a decision about causing an interruption in the energy supply.
  • the respective concentrations of such combustible compounds during pyrolysis depend in particular on various factors, in particular a temperature and a pressure in the capacitor housing, so that a comparison with different threshold values may be necessary for each of the compounds under consideration.
  • a suitably designed gas sensor can also summarily determine the fire or explosion potential of combustible compounds in the gas mixture of the atmosphere of the power converter housing, with an evaluation again being carried out by means of a comparison with a predetermined threshold value.
  • the evaluation device is further designed to compare the detected concentration of the at least one gaseous compound with a first and a second predetermined threshold value, the second threshold value being a higher concentration of the at least one gaseous compound than the first threshold value, and to cause an alarm to be issued when the first threshold value is exceeded and to cause the energy supply to be interrupted when the second threshold value is exceeded.
  • a multi-stage evaluation of the respective recorded concentration of the gaseous compounds under consideration is carried out by the evaluation device.
  • an alarm is initially triggered by the evaluation device, if the detected concentration of the one or more gaseous compounds in the gas mixture exceeds the first threshold value.
  • the evaluation device additionally interrupts the energy supply if the detected concentration also exceeds the second threshold value, which corresponds to a higher concentration. If the second threshold value is exceeded, the evaluation device can optionally additionally output a further alarm that differs from the alarm caused when the first threshold value is exceeded. This further alarm should preferably be issued before the interruption, provided that this also results in an interruption of the supply to the monitoring device.
  • the evaluation device is further designed to be connected in terms of signals to a control device of the rail vehicle, the control device being designed to output at least the alarm to a person driving the rail vehicle via a human-machine interface and/or the To cause interruption of the energy supply to the number of power capacitors of the power converter.
  • the control device can also provide further information provided by the monitoring device, in particular measured values for a concentration of fire or fire. Explosive connections, a temperature in the power converter housing and other recorded measurement data are output via the human-machine interface.
  • a suitable human-machine interface is in particular a screen or Display in the driver's cab of the rail vehicle.
  • the monitoring device is connected via signaling to a control level of the rail vehicle, which can alternatively or additionally cause an alarm to be issued and the energy supply to be interrupted.
  • a control device can in particular be a power converter control, a higher-level drive control or a central train control of the rail vehicle. In contrast to directly causing a circuit breaker to open, for example, as described above.
  • Main switch by the monitoring device by means of a safety loop fe a corresponding effect takes place in an indirect manner via the higher-level control device to which the monitoring device is connected for signaling purposes.
  • the higher-level control device can make a decision as to whether an alarm or a request for an interruption is actually effected, other known states and parameters of the rail vehicle are taken into account.
  • the evaluation device is arranged in or on the housing of the power converter, in particular the evaluation device and the at least one gas sensor being arranged in a common housing.
  • the evaluation device of the monitoring device can be arranged at any location in or on the housing of the power converter to be monitored and the at least one gas sensor can be arranged in the housing and preferably in the vicinity of the power capacitors.
  • these components can preferably be arranged in a common housing of the monitoring device, which is attached to a central location within the power converter housing.
  • a common housing can also be located at one location on the power converter housing or On whose Outside must be attached, whereby a direct fluidic connection of the gas sensor with the atmosphere in the interior of the power converter housing must be ensured, for example by a suitable, possibly specially created opening on the power converter housing, on which the gas sensor is arranged.
  • a gas sensor can be provided in the housing of the monitoring device, for example, the housing having an opening to the gas volume in the housing of the power converter at least in the area of the gas sensor, while one or more further gas sensors have suitable ones Interfaces and lines are connected to the monitoring device. This advantageously enables a flexible arrangement of the gas sensors at locations suitable for detection within the power converter housing, in particular if the power capacitors are arranged locally distributed within the power converter housing.
  • the at least one gas sensor is designed as a MEMS or an infrared gas sensor.
  • known MEMS (microelectromechanical system) gas sensors are particularly suitable for use in power converters in rail vehicles due to their robustness and the fact that calibration is not required.
  • a gas sensor can, for example, be designed in such a way that it detects the flammability of a gas mixture and can therefore signal a fire risk to the evaluation device without an additional comparison with one or more threshold values.
  • infrared gas sensors can also be used, which in particular ensure reliable detection of hydrocarbon compounds and thus provide comparable monitoring quality to MEMS gas sensors.
  • the evaluation device is further designed to generate a temporal history of the recorded concentrations.
  • the monitoring device can additionally comprise a local energy source, for example a rechargeable battery.
  • the monitoring device further comprises at least one temperature sensor, which is connected to the evaluation device for signaling purposes and by means of which a temperature in the housing of the power converter and / or a temperature of a respective power capacitor or its immediate surroundings can be detected.
  • a second aspect of the invention relates to a power converter for a rail vehicle, wherein the power converter comprises at least one power capacitor and power semiconductor switch, which are arranged in a common, at least substantially closed housing.
  • the power converter typically has a monitoring device according to the first aspect of the invention.
  • the power converter can be designed in particular as a traction or auxiliary power converter of a rail vehicle.
  • a third aspect of the invention relates to a method for monitoring a power converter of a rail vehicle, wherein the power converter comprises at least a respective number of power capacitors and power semiconductor switches, which are arranged in a common, at least substantially closed housing.
  • the method is characterized in that a monitoring device is arranged in and/or on the housing of the power converter, wherein the monitoring device comprises an evaluation device and at least one gas sensor connected to this for signaling purposes, such that the at least one gas sensor detects a concentration of at least one combustible gaseous compound is detected in the housing of the power converter, and that an interruption of an energy supply to the number of power capacitors of the power converter is effected by the evaluation device depending on the detected concentration of the at least one combustible gaseous compound.
  • a fourth aspect of the invention relates to the use of a monitoring device according to the first aspect of the invention for retrofitting monitoring of a number of power capacitors of a power converter Rail vehicle, in particular a power converter of an electric drive train of a rail vehicle.
  • FIG. 1 shows a rail vehicle with an electric drive train for operation on an AC supply network
  • FIG. 2 shows a rail vehicle with an electric drive train for operation on a direct current supply network
  • FIG. 5 shows a first embodiment of the monitoring device according to the invention in a drive train
  • FIG. 6 shows a second embodiment of the monitoring device according to the invention in a drive train
  • FIG. 7 shows a third embodiment of the monitoring device according to the invention in a drive train.
  • the rail vehicle TZ is designed, for example, as a multiple unit for passenger transport with a plurality of cars, with only one end car EW and a middle car MW coupled to it being shown. Both cars have a respective car body WK, which has bogies in the form of a TDG motor bogie with drive motors AM or
  • Running bogies LDG without traction motors are supported on rails of a track, not shown.
  • the Rail vehicle TZ moves on the rails in the directions FR specified by them.
  • Components of an electric drive train AS of a rail vehicle TZ operated on an AC supply network are indicated schematically in the end car EW. These components are usually arranged in special areas within the car body WK, in the underfloor area, in the roof area or even distributed across several cars of the rail vehicle TZ. Further components of the drive train AS, for example a traction battery, as well as auxiliary operations required for the operation of the components are additionally provided, but are not specifically shown in FIG.
  • the drive train AS can be electrically connected to an overhead line, not shown, of the alternating current supply network, the overhead line carrying a single-phase alternating current, for example.
  • the alternating current is supplied to a mains-side primary winding of a drive transformer ATR, in which the mains-side voltage level of, for example, 15kV, 16.7Hz or 25kV, 50Hz is transformed to a lower voltage level.
  • a secondary winding of the drive transformer ATR is connected to a grid-side power converter 4QS, for example a four-quadrant divider, which rectifies the alternating current.
  • the grid-side power converter 4QS feeds a DC intermediate circuit ZK, which in turn feeds a load-side power converter PWR, for example a pulse-controlled inverter.
  • a load-side power converter PWR for example a pulse-controlled inverter.
  • One or more intermediate circuit capacitors are arranged in the DC intermediate circuit ZK, which serve as electrical energy storage, in particular for smoothing the DC voltage.
  • the load-side power converter PWR generates from the DC voltage of the DC intermediate circuit ZK is a three-phase alternating voltage of variable frequency and amplitude, with which the stator windings are fed by, for example, two drive motors TM arranged in the drive bogie TDG of the end car EW.
  • the function, in particular of the network-side 4QS and the load-side power converter PWR is controlled in a known manner by a control device ST of the drive train AS, whereby the respective control devices can also be provided for the power converters.
  • FIG. 2 shows schematically a rail vehicle TZ corresponding to the rail vehicle TZ of FIG. 1 with an alternative drive train AS.
  • the pantograph PAN can be connected to an overhead line, again not shown, of a direct current supply network.
  • a busbar is often run parallel to the track, with which the drive train AS can be connected via one or more side pantographs, which are arranged, for example, in the area of the car body ends or the bogies.
  • the direct current from the supply network is passed through an input filter or Mains filter NF is supplied to the DC intermediate circuit ZK of the drive train AS, the mains filter NF comprising, for example, a filter inductance in the form of a choke and a capacitor, wherein the capacitor can also fulfill the function of an intermediate circuit capacitor ZK of the drive train AS.
  • the mains filter NF comprising, for example, a filter inductance in the form of a choke and a capacitor, wherein the capacitor can also fulfill the function of an intermediate circuit capacitor ZK of the drive train AS.
  • FIG. 3 shows schematically the exemplary drive train AS of the rail vehicle TZ of FIG. 1, although not all of the above-mentioned components of the drive train AS are shown again.
  • the secondary winding of the drive transformer ATR is connected to the grid-side power converter 4QS.
  • the grid-side power converter 4QS is designed as a four-quadrant divider, which converts the alternating voltage provided on the input side by the drive transformer ATR into a direct voltage and provides it on the output side. The conversion takes place using power semiconductor switches or Power transistors, which are realized, for example, based on semiconductors made of silicon.
  • Two power transistors are electrically connected in series in a switching branch, the middle connection point of which is connected to a respective input of the grid-side power converter 4QS.
  • the external connection points of the switching branches are connected to a respective output of the 4QS power converter on the grid side.
  • the grid-side power converter 4QS feeds a DC intermediate circuit ZK, which in turn is connected to inputs of the load-side power converter PWR.
  • the load-side power converter PWR is designed, for example, as a pulse inverter, which converts the direct voltage present on the input side into an alternating voltage of variable voltage level and frequency and makes it available at outputs. The conversion takes place using power semiconductor switches or Power transistors.
  • the load-side power converter PWR has three or an integer multiple of three parallel switching branches, each with two power semiconductor switches connected in series.
  • the drive motor AM which is fed by the load-side converter PWR, is designed, for example, as a three-phase asynchronous machine or as a permanent magnet-excited three-phase synchronous machine.
  • the drive motor AM which is fed by the load-side converter PWR, is designed, for example, as a three-phase asynchronous machine or as a permanent magnet-excited three-phase synchronous machine.
  • several electrically parallel-connected intermediate circuit capacitors CZK are arranged in the DC intermediate circuit ZK, with the three phases or Switching branches of the load-side power converter PWR are each assigned an intermediate circuit capacitor CZK.
  • the intermediate circuit capacitors CZK are arranged in a common housing together with the power semiconductor switches and freewheeling diodes of the switching branches that are connected in anti-parallel to these.
  • the power semiconductor switches in the load-side power converter PWR are controlled by a control device ST, which is shown by six vertical dashed arrows starting from the control device ST.
  • the control device ST also controls the power semiconductor switches of the grid-side power converter 4QS, although this is not specifically shown in FIG.
  • FIG. 4 shows schematically the exemplary drive train of the rail vehicle TZ of FIG. 2, although not all components of the drive system AS are shown again.
  • the drive train AS is designed to be connected to a direct current supply network via a current collector, with the direct current being supplied, for example, via an input filter or Mains filter NF consisting of a filter inductance FL in the form of a choke and the intermediate circuit capacitors CZK is fed to the load-side power converter PWR.
  • the filter inductance FL, together with the intermediate circuit capacitor CZK, forms a series resonant circuit which is tuned to the frequencies of the interference currents to be filtered.
  • the load-side power converter PWR is in turn designed as a pulse inverter, which converts the DC voltage on the input side of the DC intermediate circuit ZK into a three-phase AC voltage of variable voltage level and frequency, controlled by the control device ST, with which the three phases of the stator winding SW of the drive motor AM are fed.
  • FIG. 5 shows schematically a first embodiment and arrangement of a monitoring device UE in a drive train AS of a rail vehicle TZ.
  • the drive train AS shown corresponds to that in FIGS. 1 and 3 or. 2 and 4, whereby further components of the drive train such as the transformer, the network-side power converter or a network filter inductance are not shown.
  • the exemplary drive train AS is connected to a line-side supply network via a current collector PAN and a main switch HS, the main switch HS serving in a known manner to establish an electrical connection of the drive train AS to the supply network. to separate these.
  • the monitoring device UE is in the closed or essentially closed housing of the load-side power converter PWR.
  • both an evaluation device AW and a gas sensor GS are arranged in a housing of the monitoring device UE, the gas sensor GS being connected to the evaluation device AW both in terms of signals and from it to the electrical connection required for the function of the gas sensor GS Energy is supplied.
  • the housing of the monitoring device UE has, for example, openings in order to ensure a direct fluidic connection of the gas sensor GS with the atmosphere in the interior of the power converter housing.
  • the evaluation device AW is in turn supplied with electrical energy in accordance with further auxiliary operations of the drive train AS, for example the control device ST. Furthermore, the evaluation device AW is connected to the main switch HS for signaling purposes, as shown by the fine dashed line. This connection is, for example, via an integration of the Monitoring device UE implemented in a safety loop of the rail vehicle. This means that the evaluation device AW is able to activate the main switch HS in such a way that it disconnects the electrical connection of the drive train AS from the supply network, which in particular prevents the supply of electrical energy to the load-side power converter PWR.
  • One task of the evaluation device AW is to evaluate the concentrations of combustible compounds of pyrolysis gases in the housing of the power converter PWR detected by the gas sensor GS, for example a MEMS gas sensor, during operation of the power converter PWR. Based on data provided by the gas sensor GS or With information regarding these concentrations and, if necessary, a comparison with one or more predetermined threshold values stored in the evaluation device, the evaluation device AW determines whether there is a potential risk of fire in the power converter housing and, if this potential danger has been determined to exist, controls the main switch HS on or triggers such control via the safety loop.
  • the gas sensor GS for example a MEMS gas sensor
  • FIG. 6 shows schematically a second embodiment and arrangement of a monitoring device UE in a drive train AS of a rail vehicle TZ, the drive train AS shown corresponding to that of FIG. 5 by way of example.
  • the evaluation device AW is connected to a plurality of gas sensors GS via signal and supply lines, with the gas sensors GS, for example, each being arranged in the immediate vicinity of the power capacitors in the power converter housing.
  • the evaluation device AW is connected in terms of signals to a temperature sensor TS, which is preferably at a central location within the power converter housing or together with the evaluation device AW in a common one Housing can be arranged.
  • the temperature detected by the temperature sensor TS in the interior of the power converter PWR can be taken into account by the evaluation device AW, for example, in addition to determining a potential risk of fire in the power converter housing.
  • the evaluation device AW is connected in terms of signals to the control device ST, which issues an alarm depending on received signals from the evaluation device AW or, for example, via a safety loop or a higher-level drive or.
  • Vehicle control the main switch HS is activated.
  • An alarm signal al can be output by the control device ST, for example, if the evaluation device AW initially detects an increase in the concentration of flammable compounds, but this is not yet in a critical range.
  • Such an alarm signal al causes, for example, the output of an alarm message on a display in the driver's cab of the rail vehicle TZ. Based on this alarm message, the person driving the rail vehicle can carry out further steps, for example first a visual inspection of the affected power converter. arrange for this to be carried out during the next maintenance of the rail vehicle.
  • the output of an alarm message al from the control device ST is useful in the same way when the main switch HS is activated in order to inform the person driving the vehicle of the cause of the activation.
  • FIG. 7 finally shows a third embodiment and arrangement of a monitoring device in a drive train AS of a rail vehicle TZ, the drive train AS again being an example of that in FIG. 5 or
  • FIG 6 corresponds.
  • the evaluation device AW is in turn connected to several gas sensors GS distributed in the converter housing.
  • the evaluation device AW itself is not in the interior of the power converter housing arranged, but for example outside in a separate housing.
  • the evaluation device AW is designed to activate the main switch HS and output an alarm message both directly, in particular via a safety loop, and indirectly via a control device ST.
  • FIGS. 5 to 7 Further embodiments of a monitoring device UE according to the invention, not shown in FIGS. 5 to 7, and its arrangement, including combinations of the embodiments shown, can also be implemented.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Überwachungseinrichtung für einen Stromrichter eines Schienenfahrzeugs, wobei der Stromrichter zumindest eine jeweilige Anzahl Leistungskondensatoren und Leistungshalbleiterschalter umfasst, welche in einem gemeinsamen, zumindest im Wesentlichen geschlossenen Gehäuse angeordnet sind. Kennzeichnend umfasst die Überwachungseinrichtung eine Auswerteeinrichtung und zumindest einen mit dieser signaltechnisch verbundenen Gassensor, wobei die Auswerteeinrichtung ausgestaltet ist, abhängig von einer mittels des zumindest einen Gassensors erfassten Konzentration zumindest einer brennbaren gasförmigen Verbindung in dem Gehäuse des Stromrichters eine Unterbrechung einer Energiezufuhr zu der Anzahl Leistungskondensatoren des Stromrichters zu bewirken.

Description

Beschreibung
Überwachungseinrichtung für einen Stromrichter eines Schienen fahr zeugs
Die Erfindung betri f ft eines Überwachungseinrichtung für einen Stromrichter eines Schienenfahrzeugs , wobei der Stromrichter zumindest eine j eweilige Anzahl Leistungskondensatoren und Leistungshalbleiterschalter umfasst , welche in einem gemeinsamen, zumindest im Wesentlichen geschlossenen Gehäuse angeordnet sind .
Elektrisch angetriebene Schienenfahrzeuge weisen einen oder mehrere elektrische Antriebsstränge auf , die einen oder mehrere Radsätze des Schienenfahrzeugs mittels elektrischer Antriebs- bzw . Traktionsmotoren antreiben . Als Antriebsmotoren werden dabei üblicherweise Asynchron- oder Synchron-Drehstrommaschinen eingesetzt , welche von einem oder mehreren Stromrichtern gespeist werden . Die Stromrichter sind typischerweise als Pulswechselrichter ( PWR) ausgestaltet , um eine eingangsseitig anliegende Gleichspannung in eine ausgangsseitige Wechselspannung variabler Amplitude und Frequenz zu wandeln, mit welcher Statorwicklungen der Antriebsmotoren gespeist werden . Die Speisung des Stromrichters erfolgt dabei aus einem Gleichspannungs zwischenkreis .
Der Gleichspannungs zwischenkreis kann wiederum aus verschiedenen Energiequellen gespeist werden . So wird dem Schienenfahrzeug beispielsweise elektrische Energie über ein streckenseitiges Versorgungsnetz zugeführt , welches eine Gleich- oder Wechselspannung führt und mit welchem der Antriebsstrang des Schienenfahrzeugs über einen oder mehrere Stromabnehmer elektrisch verbunden wird . Solche Versorgungsnetze führen beispielsweise in Europa Wechselspannungen von 25kV, 50Hz , oder 15kV, 16 , 7Hz , bzw . Gleichspannungen von 3kV oder l , 5kV . Bei einer Versorgung über ein Wechselspannungs-Versorgungsnetz umfasst der Antriebsstrang üblicherweise ergänzend einen Trans formator, mittels welchem die Hochspannung des Versorgungsnetzes auf eine niedrigere Spannung trans formiert wird, sowie einen oder mehrere von dem Trans formator gespeiste Gleichspannungswandler, üblicherweise so genannte Vierquadrantensteiler ( 4QS ) , welche die Wechselspannung in eine Gleichspannung für den Gleichspannungs zwischenkreis wandeln . Bei einer Versorgung über ein Gleichspannungs- Versorgungsnetz wird die elektrische Energie hingegen entweder direkt oder über einen Gleichspannungssteller in den Gleichspannungs zwischenkreis gespeist . Die Versorgung kann alternativ oder ergänzend ebenfalls mittels einer auf dem Schienenfahrzeug angeordneten elektrischen Energiequelle erfolgen . So kann beispielsweise ein Verbrennungsmotor einen Drehstromgenerator antreiben, welcher eine Wechselspannung generiert , die wiederum mittels eines Gleichrichters in eine Gleichspannung für den Gleichspannungs zwischenkreis gewandelt wird . Auch kann eine Antriebs- bzw . Traktionsbatterie sowie beispielsweise ergänzend zu dieser ein Brennstof f zellensystem vorgesehen sein, welche über einen Gleichspannungswandler für eine Anpassung des Spannungsniveaus den Gleichspannungs zwischenkreis speisen .
In dem Gleichspannungs zwischenkreis des Antriebsstrangs sind ein oder mehrere Leistungskondensatoren, so genannte Zwischenkreiskondensatoren, angeordnet , welche als Energiespeicher sowie einer Reduzierung von Spannungsschwankungen dienen . Abhängig von der gewählten Zwischenkreisspannung bzw . von der elektrischen Energiequelle bereitgestellten Spannung liegen an Zwischenkreiskondensatoren Gleichspannungen von mehreren hundert Volt an . Baulich werden die Leistungskondensatoren zur Verringerung des erforderlichen Bauraums üblicherweise zusammen mit Leistungshalbleiterschaltern des Stromrichters in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet und sind somit dem Stromrichter zuordenbar . Insbesondere werden dabei verteilt angeordnete Leistungskondensatoren eingesetzt , wobei j eweils ein oder mehrere elektrisch parallel geschaltete Leistungskondensatoren einer Funktion des Stromrichters zugeordnet sind, wobei die Funktion des Stromrichters insbesondere die eines bekannten Vierquadrantenstellers ( 4QS ) , eines Pulswechselrichters ( PWR) oder eines Gleichstromstellers ( DC/DC-Steller ) sein kann . Eine weitere mögliche Funktion von Leistungskondensatoren in Stromrichtern ist insbesondere eine Filterung einer Wechselstrom- Ausgangsspannung von Pulswechselrichtern zur Kompensation einer schwankenden Leistung eines Wechselspannungs- Versorgungsnetzes . Eine möglichst niederinduktive elektrische Verbindung zwischen Leistungshalbleitermodulen der Phasen und der j eweiligen Leistungskondensatoren wird üblicherweise mittels Stromschienen erzielt .
Die Leistungskondensatoren sind üblicherweise als Folienkondensatoren mit einem Dielektrikum aus einem Kunststof fmaterial wie beispielsweise Polypropylen oder Polyester ausgestaltet . Neben dem Fehlerfall eines Kurzschlusses , welcher mittels einer geeigneten Überwachung des Stromkreises erkannt werden kann, ist das Auftreten eines Fehlerfalls des Leistungskondensators auch aufgrund eines Alterungsprozesses der Metallisierung des Dielektrikums möglich . Dabei führt eine Korrosion der Metallisierung aus beispielsweise Aluminium oder Zink über die Betriebs zeit des Leistungskondensators zu steigenden Stromwärmeverlusten, wodurch eine vorgesehene kondensatorinterne Selbstheil fähigkeit von Fehlerstellen der Metallisierung eingeschränkt wird . Dieser Verlust der Selbstheil fähigkeit kann zu einem Schmel zen des Dielektrikums und einer Pyrolyse führen, bei welcher gas förmige Kohlenwasserstof fverbindungen, so genannte Pyrolysegase entstehen . Eine exzessive Bildung solcher Gase kann zu einem Bersten des Kondensatorgehäuses führen, wodurch sich bei Kontakt mit der Umgebungsluft in dem Stromrichtergehäuse eine explosive Atmosphäre bilden kann . Neben kondensatorinternen Maßnahmen wie eine Selbstheil fähigkeit sowie beispielsweise einem verstärkten Kondensatorgehäuse wird daher empfohlen, ergänzend kondensatorexterne Schutzmaßnahmen vorzusehen, um das Risiko von Bränden oder sogar Explosionen, welche beträchtliche Schäden an Teilen des Antriebsstrangs sowie , abhängig von der Anordnung des Stromrichtergehäuses , an dem Schienenfahrzeug selbst verursachen können, weiter zu verringern .
Für eine Überwachung hinsichtlich des Fehlerfalls der exzessiven Bildung von Pyrolysegasen kann das Kondensatorgehäuse beispielsweise speziell ausgestaltet und mit einer Überwachungsvorrichtung versehen werden, wie es die internationale Patentanmeldung WO 2017 / 028992 Al of fenbart . Dabei dient eine Volumenänderung des Kondensatorgehäuses aufgrund eines erhöhten Gasdrucks dazu, einen solchen Fehlerfall zu erfassen, um geeignete Maßnahmen einleiten zu können .
In Antriebssträngen älterer bzw . bereits seit vielen Jahren in Betrieb befindlicher Schienenfahrzeuge ist eine solche kondensatorexterne Überwachung weder vorgesehen noch sind die eingesetzten Leistungskondensatoren für eine solche Überwachung vorbereitet , sodass eine Nachrüstung nicht in einfacher Weise möglich ist . Ein Austausch der Leistungskondensatoren durch solche , die speziell für eine Überwachung vorbereitet sind, sollte j edoch vermieden werden, da dieser hohe Kosten sowie einen Ersatz voll funktions fähiger Komponenten des Antriebsstrangs , welche auf die typische Betriebsdauer eines Schienenfahrzeugs von bis zu dreißig Jahren ausgelegt sind, zur Folge hätte .
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Überwachungseinrichtung für einen Stromrichter anzugeben, welche insbesondere eine einfache und kostengünstige Nachrüstung einer kondensatorexternen Überwachung ermöglicht . Diese Aufgabe wird durch die j eweiligen Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst . Jeweilige Weiterbildungen sind in abhängigen Patentansprüchen angegeben . Ein erster Aspekt der Erfindung betri f ft eine gattungsgemäße Überwachungseinrichtung für einen Stromrichter eines Schienenfahrzeugs , wobei der Stromrichter zumindest eine j eweilige Anzahl Leistungskondensatoren und Leistungshalbleiterschalter umfasst , welche in einem gemeinsamen, zumindest im Wesentlichen geschlossenen Gehäuse angeordnet sind . Kennzeichnend umfasst die Überwachungseinrichtung Auswerteeinrichtung und zumindest einen mit dieser signaltechnisch verbundenen Gassensor, wobei die Auswerteeinrichtung ausgestaltet ist , abhängig von einer mittels des zumindest einen Gassensors erfassten Konzentration zumindest einer brennbaren gas förmigen Verbindung in dem Gehäuse des Stromrichters eine Unterbrechung einer Energiezufuhr zu der Anzahl Leistungskondensatoren des Stromrichters zu bewirken .
Vorteilhaft ermöglicht die erfindungsgemäße Überwachungseinrichtung insbesondere eine einfache Nachrüstung von bereits in Betrieb befindlichen Stromrichtern, ohne einen Austausch von Leistungskondensatoren zu erfordern . Dabei erfolgt keine direkte Überwachung der Leistungskondensatoren in dem Gehäuse des Stromrichters , wie es in der einleitend genannten internationalen Patentanmeldung WO 2017 / 028992 Al of fenbart ist , sondern eine Überwachung der Atmosphäre in dem Gehäuse des Stromrichters hinsichtlich einer Konzentration eines oder mehrerer brennbarer gas förmiger Verbindungen, insbesondere Kohlenwasserstof fverbindungen, wie sie beispielsweise bei einer Pyrolyse in dem Kondensatorgehäuse entstehen, mittels eines oder mehrerer geeigneter Gassensoren . Eine mit dem einen oder den mehreren Gassensoren signaltechnisch verbundene Auswerteeinrichtung bewertet dabei die erfasste Konzentration und bewirkt abhängig von der Bewertung eine Unterbrechung der Energiezufuhr zu den Leistungskondensatoren des Stromrichters bzw . zum Stromrichter selbst .
In gleicher Weise ist erfindungsgemäße Überwachungseinrichtung in neuen Stromrichtern bzw . einer Erstausrüstung von Stromrichters einsetzbar, insbesondere für eine zentrale Überwachung einer Viel zahl von Leistungskondensatoren, wodurch im Vergleich zu einer individuellen Überwachung vorteilhaft Kosten verringert werden können .
Da eine Pyrolyse und damit die Entstehung brennbarer gas förmiger Verbindungen einen Energieeintrag in den fehlerhaften Leistungskondensator bedingt , stellt eine Unterbrechung der Energiezufuhr eine geeignete Maßnahme dar, um eine weitere Erhöhung der Konzentration solcher brennbarer gas förmiger Verbindungen in dem Gehäuse des Stromrichters und dadurch die mögliche Gefahr eines Brands oder einer Explosion wirksam zu vermindern . Eine solche Unterbrechung der Energiezufuhr kann bei einer Versorgung des Antriebsstrangs mittels eines Versorgungsnetzes vorzugsweise durch Auslösen bzw . Öf fnen eines Leistungsschalters erfolgen, welcher beispielsweise in Form eines Hauptschalters üblicherweise zwischen dem Stromabnehmer und dem Antriebsstrang, beispielsweise dem Trans formator im Falle eines Wechselspannungs-Versorgungsnetzes bzw . einem Eingangs filter im Falle eines Gleichspannungs-Versorgungsnetzes , angeordnet und unter Last schaltbar ist . Alternativ oder ergänzend können in dem Antriebsstrang vorgesehene Leistungsschalter, beispielsweise Kurzschließer in Form von Thyristoren oder Schützen, mittels welchen der Gleichspannungs zwischenkreis oder mit diesem verbundene Energiequellen kurzschließbar sind, ebenso als Maßnahme zum Verhindern eines weiteren Energieeintrags in den fehlerhaften Leistungskondensator ausgelöst werden . Vorzugsweise sollte ergänzend zu einer Unterbrechung der Energiezufuhr ein Entladen der Leistungskondensatoren erfolgen .
Vorteilhaft ermöglicht die erfindungsgemäße Überwachung mittels des einen oder der mehreren Gassensoren ferner ebenfalls das Erkennen einer erhöhten Konzentration einer oder mehrerer brennbarer gas förmiger Verbindungen in der Atmosphäre des Stromrichtergehäuses , welche nicht durch eine Pyrolyse in einem der Leistungskondensatoren hervorgerufen wird, sondern deren Entstehung andere fehlerbehaftete elektrischen Komponenten in dem Gehäuse des Stromrichters verursachen . Die Entstehung brennbarer gas förmiger Verbindungen durch solche Komponenten können in gleicher Weise mittels einer Unterbrechung der Energieversorgung verhindert bzw . vermindert werden .
Ein Stromrichter, für welchen die erfindungsgemäße Uberwachungseinrichtung vorteilhaft einsetzbar ist , weist neben einer Anzahl Leistungshalbleiterschalter eine Anzahl Leistungskondensatoren auf . Bei einer beispielhaften Ausgestaltung des Stromrichters als ein Antriebs- bzw . Traktions-Stromrichter bzw . speziell als ein Pulswechselrichter, wird, wie einleitend beschrieben, durch geeignete Ansteuerung der Leistungshalbleiterschalter aus einer eingangsseitigen Gleichspannung eine ausgangsseitige dreiphasige Wechselspannung variabler Spannungshöhe und Frequenz generiert , mit welcher die Statorwicklung eines oder mehrerer Antriebsmotoren gespeist wird . Dabei sind die Leistungshalbleiterschalter, insbesondere IGBT ( Insulated Gate Bipolar Transistor ) , beispielsweise gemäß einer Vollbrücke verschaltet , bei welcher j eweils zwei in Reihe geschaltete Leistungshalbleiter einer j eweiligen der drei Phasen zugeordnet sind . Ein solcher Stromrichter weist demnach zumindest sechs Leistungshalbleiterschalter auf . Einer j eweiligen Reihenschaltung bzw . einem j eweiligen Zweig der Vollbrücke ist beispielsweise ein Leistungskondensator bzw . sind mehrere parallel geschaltete Leistungskondensatoren zugeordnet , sodass insbesondere drei oder ein Viel faches von drei Leistungskondensatoren ergänzend in dem Gehäuse des Stromrichters angeordnet sind .
In gleicher Weise ist die erfindungsgemäße Uberwachungseinrichtung beispielsweise auch in einem Hil f sbetriebe-Stromrichter des Schienenfahrzeugs einsetzbar, welcher eine eingangsseitige Gleichspannung beispielsweise des Gleichspannungs zwischenkreises in eine Gleichspannung unterschiedlicher Spannungshöhe oder eine Wechselspannung einer bestimmten Frequenz für Hil fsbetriebe des Schienenfahrzeugs bzw . des Antriebsstrangs bereitstellt . Solche Hil fsbetriebe umfassen insbesondere Einrichtungen für eine Klimatisierung und Beleuchtung von Fahrgasträumen, Steuerungen sowie Inf ormationsübertragungs- und Anzeigesysteme ebenso wie Pumpen und Lüfter in Kühlanlagen für Antriebs- bzw . Traktionskomponenten des Schienenfahrzeugs . Insbesondere kann die erfindungsgemäße Überwachungseinrichtung einer Überwachung von Filterkondensatoren für die Drehstrom-Ausgangsspannungen eines Hil f sbetriebe-Stromrichters dienen .
Das Gehäuse eines Stromrichters ist in üblicher Weise , insbesondere für einen Schutz der darin angeordneten Komponenten gegen Umwelteinflüsse , als ein geschlossenes bzw . ein im Wesentlichen geschlossenes Gehäuse ausgestaltet . Dabei bedeutet ein im Wesentlichen geschlossenes Gehäuse , dass dieses nicht vollständig bzw . nicht hermetisch abgeschlossen ist , eine Zu- und Abfuhr von Luft aus der bzw . an die Umgebung des Gehäuses j edoch in einem so geringen Maße auftritt , dass sich die Konzentration brennbarer gas förmiger Verbindungen beispielsweise aufgrund eines fehlerhaften Leistungskondensators erhöhen und entsprechend eine Gefahr darstellen kann .
Erfindungsgemäß ist bzw . sind in dem Gehäuse des Stromrichters ein einziger bzw . mehrere Gassensoren angeordnet , welcher bzw . welche mit einer Auswerteeinrichtung signaltechnisch verbunden ist bzw . sind . Der bzw . die Gassensoren werden vorzugsweise an einem Ort bzw . verteilt an unterschiedlichen Orten in dem Stromrichtergehäuse angeordnet , an welchem bzw . an welchen eine Konzentration brennbarer gas förmiger Verbindungen aufgrund eines fehlerhaften Leistungskondensators erhöht sein sollte . Derartige geeignete Orte innerhalb des Stromrichtergehäuses liegen insbesondere in unmittelbarer Nähe zu den Leistungskondensatoren . Ein Gassensor dient dazu, die Konzentration eines oder mehrerer brennbarer Verbindungen, insbesondere bestimmter Kohlenwasserstof fverbindungen, zu erfassen . Solche gas förmigen Verbindungen können, wie einleitend beschrieben, bei einer Pyrolyse in dem Gehäuse eines Leistungskondensators entstehen, aus welchem sie beispielsweise über ein Überdruckventil oder nach einem Bersten des Kondensatorgehäuses an die Umgebung bzw . in die Atmosphäre im Inneren des Stromrichtergehäuses entweichen . Der Gassensor ist dabei vorzugsweise auf die Erfassung bestimmter Verbindungen, wie sie bei einer solchen Pyrolyse entstehen, abgestimmt .
Die erfindungsgemäße Auswerteeinrichtung umfasst beispielsweise einen oder mehrere Mikroprozessoren, welche die von dem einen oder den mehreren Gassensoren bereitgestellten Signale bzw . Informationen bezüglich einer Konzentration brennbarer gas förmiger Verbindungen bewerten und abhängig von dieser Bewertung eine Unterbrechung der Energiezufuhr bewirken . Bei mehreren Gassensoren können die von diesen bereitgestellten unterschiedlichen Informationen von der Auswerteeinrichtung individuell oder gesamtheitlich bewertet werden . Dabei bewirkt die Auswerteeinrichtung eine Unterbrechung der Energiezufuhr beispielsweise bereits , wenn lediglich einer der Gassensoren eine als potenziell gefährlich zu betrachtende Konzentration erfasst . Alternativ kann eine Unterbrechung j edoch von der Auswerteeinrichtung auch erst bewirkt werden, wenn zumindest zwei der Mehrzahl Gassensoren eine derartige Konzentration erfassen oder ein gebildeter Mittelwert der von mehreren erfassten Konzentrationen eine solche potenziell gefährliche Konzentration anzeigen . Durch Berücksichtigung erfasster Konzentrationen mehrerer Gassensoren wird dabei insbesondere vorteilhaft verhindert , dass eine Unterbrechung der Energiezufuhr, welche Auswirkungen auf den Betrieb des Schienenfahrzeugs hat , beispielsweise aufgrund einer Fehl funktion eines Gassensors bewirkt wird . Ferner sollte die Auswerteeinrichtung bei der Bewertung berücksichtigen, dass die Konzentrationen brennbarer gas förmiger Verbindungen, die bei einer Pyrolyse in einem Leistungskondensator entstehen, insbesondere abhängig von einer Temperatur sowie einem Druck in dem Kondensatorgehäuse abhängig sind .
Die Unterbrechung der Energiezufuhr wird durch die Auswerteeinrichtung vorzugsweise in direkter Weise bewirkt . Hierfür ist die Uberwachungseinrichtung bzw . die Auswerteeinrichtung beispielsweise in eine Sicherheitsschlei fe des Schienenfahrzeugs integriert bzw . eingebunden . Eine solche Sicherheitsschlei fe , wie sie in einem Schienenfahrzeug auch mehrfach vorgesehen sein kann, dient insbesondere dazu, bei Auftreten eines Fehlers beispielsweise in einer Komponente des Antriebsstrangs den Hauptschalter und/oder einen anderen Leistungsschalter zu öf fnen und damit den Antriebsstrang von dem Versorgungsnetz zu trennen, um dadurch eine weitere Zufuhr elektrischer Energie zu der fehlerhaften Komponente und damit eine potenzielle weitere Zerstörung dieser sowie gegebenenfalls weiterer Komponenten des Antriebsstrangs zu verhindern . Sofern das Schienenfahrzeug nicht mittels eines Versorgungsnetzes mit elektrischer Energie versorgt wird, kann mittels einer Sicherheitsschlei fe entsprechend ein anderer Schalter geöf fnet werden, welcher die Energiequelle von dem Antriebsstrang trennt .
Alternativ oder ergänzend kann eine Unterbrechung der Energiezufuhr durch die Auswerteeinrichtung auch in indirekter Weise bewirkt werden . Hierfür ist die Uberwachungseinrichtung bzw . die Auswerteeinrichtung beispielsweise mit einer Stromrichtersteuerung und/oder einer dieser übergeordneten Fahrzeugsteuerung signaltechnisch verbunden, welche wiederum durch Öf fnen des Hauptschalters oder eines entsprechenden Schalters eine Unterbrechung der Energiezufuhr j eweils bewirken können . Eine Versorgung der Überwachungseinrichtung bzw . der Auswerteeinrichtung sowie des zumindest einen Gassensors mit elektrischer Energie für dessen Betrieb erfolgt vorzugsweise entsprechend weiteren Hil fsbetrieben des Schienenfahrzeugs . So kann die Überwachungseinrichtung beispielsweise entsprechend der Stromrichtersteuerung versorgt werden, wobei die Energieversorgung durch eine Bordnetzbatterie gestützt sein kann, um eine Funktion auch bei Unterbrechung der Energiezufuhr zu dem Stromrichter gewährleisten zu können . Grundsätzlich ist eine Versorgung der Überwachungseinrichtung j edoch nur während des Betriebs des Stromrichters bzw . nur solange dieser mit elektrischer Energie versorgt wird erforderlich, da mit der Unterbrechung der Energiezufuhr auch eine weitere Generierung von Pyrolysegasen verhindert wird .
Gemäß einer ersten Weiterbildung der Überwachungseinrichtung ist die Auswerteeinrichtung ferner ausgestaltet , die erfasste Konzentration der zumindest einen gas förmigen Verbindung mit zumindest einem vorgegebenen Schwellenwert zu vergleichen und bei dessen Überschreiten die Unterbrechung der Energiezufuhr zu bewirken .
Eine Bewertung der erfassten Konzentration erfolgt somit durch einen Vergleich mit zumindest einem vorgegebenen Schwellenwert , wobei dieser bzw . diese für den Vergleich durch die Auswerteeinrichtung beispielsweise in einer mit den Mikroprozessoren signaltechnisch verbundenen Speichereinrichtung der Auswerteeinrichtung hinterlegt wird bzw . werden . Der j eweilige Schwellenwert sollte dabei vorzugsweise derart gewählt bzw . vorgegeben werden, dass die entsprechende Konzentration der gas förmigen Verbindung in der Atmosphäre des Stromrichtergehäuses noch nicht ausreichend ist , um eine tatsächliche Gefahr eines Brands oder einer Explosion darzustellen .
Bei der Erfassung mehrerer brennbarer Verbindungen durch den zumindest einen Gassensor wird vorzugsweise für j ede Verbindung ein individueller Schwellenwert vorgegeben . Aus entsprechenden Vergleichen der erfassten Konzentrationen mit den individuellen Schwellenwerten kann die Auswerteeinrichtung ein Gesamtbild ableiten, anhand dessen sie eine Entscheidung über das Bewirken einer Unterbrechung der Energiezufuhr tref fen kann . Wie vorstehend bereits erwähnt , sind die j eweiligen Konzentrationen solcher brennbaren Verbindungen bei einer Pyrolyse insbesondere von verschiedenen Faktoren, insbesondere einer Temperatur und einem Druck in dem Kondensatorgehäuse , abhängig, sodass für j ede der betrachteten Verbindungen ein Vergleich mit verschiedenen Schwellenwerten erforderlich sein kann .
Alternativ kann von einem geeignet ausgestalteten Gassensor eine Brand- oder Explosions fähigkeit brennbarer Verbindungen in dem Gasgemisch der Atmosphäre des Stromrichtergehäuses auch summarisch ermittelt werden, wobei eine Bewertung wiederum mittels eines Vergleichs mit einem vorgegebenen Schwellenwert erfolgt .
Gemäß einer zu der vorstehenden Weiterbildung alternativen Weiterbildung der Uberwachungseinrichtung ist die Auswerteeinrichtung ferner ausgestaltet , die erfasste Konzentration der zumindest einen gas förmigen Verbindung mit einem ersten und mit einem zweiten vorgegebenen Schwellenwert zu vergleichen, wobei der zweite Schwellenwert einer höheren Konzentration der zumindest einen gas förmigen Verbindung als der erste Schwellenwert entspricht , und bei Überschreiten des ersten Schwellenwerts eine Ausgabe eines Alarms zu bewirken und bei Überschreiten des zweiten Schwellenwerts die Unterbrechung der Energiezufuhr zu bewirken .
Im Unterschied zu der vorstehenden Weiterbildung erfolgt gemäß dieser alternativen Weiterbildung eine mehrstufige Bewertung der j eweils erfassten Konzentration der betrachteten gas förmiger Verbindungen durch die Auswerteeinrichtung . Dabei wird als Ergebnis des Vergleichs mit dem ersten vorgegebenen Schwellenwert zunächst die Ausgabe eines Alarms von der Auswerteeinrichtung bewirkt , wenn die erfasste Konzentration der einen gas förmigen Verbindung oder der mehreren Verbindungen in dem Gasgemisch den ersten Schwellenwert überschreitet . Als Ergebnis des weiteren Vergleichs mit dem zweiten vorgegebenen Schwellenwert wird von der Auswerteeinrichtung ergänzend die Unterbrechung der Energieversorgung bewirkt , wenn die erfasste Konzentration auch den zweiten Schwellenwert , welcher einer höheren Konzentration entspricht , überschreitet . Im Fall der Überschreitung des zweiten Schwellenwerts kann von der Auswerteeinrichtung gegebenenfalls ergänzend die Ausgabe eines von dem bei Überschreiten des ersten Schwellenwerts bewirkten Alarm unterscheidenden weiteren Alarms bewirkt werden . Die Ausgabe dieses weiteren Alarms sollte dabei vorzugsweise vor der Unterbrechung bewirkt wird, sofern diese auch eine Unterbrechung der Versorgung der Überwachungseinrichtung zur Folge hat .
Gemäß einer weiteren Weiterbildung der Überwachungseinrichtung ist die Auswerteeinrichtung ferner ausgestaltet , mit einer Steuereinrichtung des Schienenfahrzeugs signaltechnisch verbunden zu werden, wobei die Steuereinrichtung ausgestaltet ist , die Ausgabe zumindest des Alarms an eine das Schienenfahrzeug führende Person über eine Mensch-Maschine-Schnittstelle und/oder die Unterbrechung der Energiezufuhr zu der Anzahl Leistungskondensatoren des Stromrichters zu bewirken .
Ergänzend zu der Ausgabe des Alarm kann die Steuereinrichtung auch weitere , von der Überwachungseinrichtung bereitgestellte Informationen, insbesondere Messwerte zu einer Konzentration brand- bzw . explosions fähiger Verbindungen, eine Temperatur in dem Stromrichtergehäuse und weitere erfasste Messdaten, über die Mensch-Maschine-Schnittstelle ausgeben . Eine geeignete Mensch-Maschine-Schnittstelle ist dabei insbesondere ein Bildschirm bzw . Display im Führerstand des Schienenfahrzeugs . Nach dieser Weiterbildung ist die Überwachungseinrichtung mit einer Steuerungsebene des Schienenfahrzeugs signaltechnisch verbunden, welche alternativ oder ergänzend eine Ausgabe eines Alarms sowie eine Unterbrechung der Energiezufuhr bewirken kann . Eine solche Steuereinrichtung kann insbesondere eine Stromrichtersteuerung, eine dieser übergeordnete Antriebssteuerung oder eine zentrale Zugsteuerung des Schienenfahrzeugs sein . Im Unterschied zu einem vorstehend beschriebenen direkten Bewirken eines Öf fnens beispielsweise eines Leistungsschalters bzw . Hauptschalters durch die Überwachungseinrichtung mittels einer Sicherheitsschlei fe erfolgt ein entsprechendes Bewirken vielmehr in indirekter Weise über die übergeordnete Steuereinrichtung, mit der die Überwachungseinrichtung signaltechnisch verbunden ist . Insbesondere kann die übergeordnete Steuereinrichtung bei einer Entscheidung darüber, ob ein von der Überwachungseinrichtung signalisierte Alarm bzw . eine Anforderung für eine Unterbrechung tatsächlich bewirkt wird, weitere ihr bekannte Zustände und Parameter des Schienenfahrzeugs berücksichtigen .
Gemäß einer weiteren Weiterbildung der Überwachungseinrichtung ist die Auswerteeinrichtung in oder an dem Gehäuse des Stromrichters angeordnet , wobei insbesondere die Auswerteeinrichtung und der zumindest eine Gassensor in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind .
Grundsätzlich kann die Auswerteeinrichtung der Überwachungseinrichtung an einem beliebigen Ort in oder an dem Gehäuse des zu überwachenden Stromrichters und der zumindest eine Gassensor in dem Gehäuse und vorzugsweise im Umfeld der Leistungskondensatoren angeordnet werden . Für eine einfache Nachrüstung bestehender Stromrichter können diese Komponenten j edoch vorzugsweise in einem gemeinsamen Gehäuse der Überwachungseinrichtung angeordnet sein, welches an einem zentralen Ort innerhalb des Stromrichtergehäuses befestigt wird . Alternativ kann ein solches gemeinsames Gehäuse auch an einem Ort an dem Stromrichtergehäuse bzw . an dessen Außenseite befestigt werden, wobei eine unmittelbare fluidische Verbindung des Gassensors mit der Atmosphäre im Innenraum des Stromrichtergehäuses sichergestellt werden muss , beispielsweise durch eine geeignete , gegebenenfalls speziell geschaf fene Öf fnung an dem Stromrichtergehäuse , an welcher der Gassensor angeordnet ist .
Für den Betrieb der Überwachungseinrichtung ist diese über geeignet ausgestaltete elektrische Schnittstellen mit Leitungen einer Energieversorgung sowie Signalleitungen zu verbinden . Sofern mehrere Gassensoren in dem Stromrichtergehäuse vorgesehen werden, kann in dem Gehäuse der Überwachungseinrichtung beispielsweise ein Gassensor vorgesehen sein, das Gehäuse dabei zumindest in dem Bereich des Gassensors eine Öf fnung zum Gasvolumen in dem Gehäuse des Stromrichters aufweisen, während ein oder mehrere weitere Gassensoren über geeignete Schnittstellen und Leitungen mit der Überwachungseinrichtung verbunden werden . Dies ermöglicht vorteilhaft eine flexible Anordnung der Gassensoren an für die Erfassung geeigneten Orten innerhalb des Stromrichtergehäuses , insbesondere wenn die Leistungskondensatoren örtlich verteilt innerhalb des Stromrichtergehäuses angeordnet sind .
Gemäß einer weiteren Weiterbildung der Überwachungseinrichtung ist der zumindest eine Gassensor als ein MEMS- oder ein Infrarot-Gassensor ausgestaltet .
Insbesondere bekannte MEMS (Microelectromechanical-system) - Gassensoren sind aufgrund ihrer Robustheit sowie einer nicht erforderlichen Kalibrierung in besonderer Weise für den Einsatz in Stromrichtern von Schienenfahrzeugen geeignet . Ein solcher Gassensor beispielsweise derart ausgestaltet sein, dass dieser die Brennbarkeit eines Gasgemisches erkennt und somit der Auswerteeinrichtung bereits ohne einen zusätzlichen Vergleich mit einem oder mehreren Schwellenwerten eine Brandgefahr signalisieren kann . Alternativ sind ebenso Infrarot-Gassensoren einsetzbar, welche insbesondere eine zuverlässige Detektion von Kohlenwasserstof fverbindungen sicherstellen und damit eine vergleichbare Überwachungsgüte wie MEMS-Gassensoren bereitstellen .
Gemäß einer weiteren Weiterbildung der Überwachungseinrichtung ist die Auswerteeinrichtung ferner ausgestaltet , eine zeitliche Historie der erfassten Konzentrationen zu generieren .
Das Generieren einer Historie der von dem zumindest einen Gassensor erfassten Konzentration ermöglicht insbesondere eine zeitliche Korrelation zwischen Betriebsabläufen des Stromrichters und dem Erfassen erhöhter Konzentrationen bestimmter Verbindungen, woraus Rückschlüsse auf einen möglichen Fehlerfall eines Leistungskondensators getrof fen werden können . Um eine solche , beispielsweise in einem Datenspeicher der Auswerteeinrichtung gespeicherte , Historie auch während eines Zeitraums , in welchem die Überwachungseinrichtung nicht mit elektrischer Energie versorgt wird, bereitstellen zu können, kann die Überwachungseinrichtung ergänzend eine lokale Energiequelle , beispielsweise eine wiederaufladbare Batterie , umfassen .
Gemäß einer weiteren Weiterbildung der Überwachungseinrichtung umfasst diese ferner zumindest einen Temperatursensor, welcher mit der Auswerteeinrichtung signaltechnisch verbunden ist und mittels welchem eine Temperatur in dem Gehäuse des Stromrichters und/oder eine Temperatur eines j eweiligen Leistungskondensators oder dessen unmittelbaren Umgebung erfassbar ist .
Wie vorstehend beschrieben, hat insbesondere die Temperatur in dem Kondensatorgehäuse einen Einfluss auf die Bildung von Pyrolysegasen . Die Auswerteeinrichtung kann die erfasste Temperatur somit beispielsweise vorteilhaft für die Auswahl von Schwellenwerten für den Vergleich mit erfassten Konzentrationen einer oder mehrerer verschiedener brennbarer Verbindungen berücksichtigen . Ein zweiter Aspekt der Erfindung betri f ft einen Stromrichter für ein Schienenfahrzeug, wobei der Stromrichter zumindest einen Leistungskondensator und Leistungshalbleiterschalter umfasst , welche in einem gemeinsamen, zumindest im Wesentlichen geschlossenen Gehäuse angeordnet sind . Kennzeichnend weist der Stromrichter eine Überwachungseinrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung auf .
Wie vorstehend beschrieben, kann der Stromrichter insbesondere als ein Traktions- oder als ein Hil fsbetriebestromrichter eines Schienenfahrzeugs ausgestaltet sein .
Ein dritter Aspekt der Erfindung betri f ft ein Verfahren zum Überwachen eines Stromrichters eines Schienenfahrzeugs , wobei der Stromrichter zumindest eine j eweilige Anzahl Leistungskondensatoren und Leistungshalbleiterschalter umfasst , welche in einem gemeinsamen, zumindest im Wesentlichen geschlossenen Gehäuse angeordnet sind . Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet , dass eine Überwachungseinrichtung in und/oder an dem Gehäuse des Stromrichters angeordnet wird, wobei die Überwachungseinrichtung eine Auswerteeinrichtung und zumindest einen mit dieser signaltechnisch verbundenen Gassensor umfasst , dass von dem zumindest einen Gassensor eine Konzentration zumindest einer brennbaren gas förmigen Verbindung in dem Gehäuse des Stromrichters erfasst wird, und dass von der Auswerteeinrichtung abhängig von der erfassten Konzentration der zumindest einen brennbaren gas förmigen Verbindung eine Unterbrechung einer Energiezufuhr zu der Anzahl Leistungskondensatoren des Stromrichters bewirkt wird .
Ein vierter Aspekt der Erfindung betri f ft schließlich eine Verwendung einer Überwachungseinrichtung gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung zur Nachrüstung einer Überwachung einer Anzahl Leistungskondensatoren eines Stromrichters eines Schienenfahrzeugs , insbesondere eines Stromrichters eines elektrischen Antriebsstrangs eines Schienenfahrzeugs .
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Aus führungsbeispielen erläutert . Dabei zeigen :
FIG 1 ein Schienenfahrzeug mit einem elektrischen Antriebsstrang für einen Betrieb an einem Wechselstrom-Versorgungsnetz ,
FIG 2 ein Schienenfahrzeug mit einem elektrischen Antriebsstrang für einen Betrieb an einem Gleichstrom-Versorgungsnetz ,
FIG 3 einen elektrischen Antriebsstrang für einen Betrieb an einem Wechselstrom-Versorgungsnetz ,
FIG 4 einen elektrischen Antriebsstrang für einen Betrieb an einem Gleichstrom-Versorgungsnetz , und
FIG 5 eine erste Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Überwachungseinrichtung in einem Antriebsstrang,
FIG 6 eine zweite Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Überwachungseinrichtung in einem Antriebsstrang, und
FIG 7 eine dritte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Überwachungseinrichtung in einem Antriebsstrang .
Aus Gründen der Übersichtlichkeit werden in den Figuren für gleiche bzw . gleich oder nahezu gleich wirkende Komponenten dieselben Bezugs zeichen verwendet .
FIG 1 zeigt schematisch ein Schienenfahrzeug TZ in einer Seitenansicht . Das Schienenfahrzeug TZ ist beispielhaftes als ein Triebzug für den Personentransport mit einer Mehrzahl Wagen ausgestaltet , wobei lediglich ein Endwagen EW sowie ein mit diesem gekoppelter Mittelwagen MW dargestellt sind . Beide Wagen verfügen über einen j eweiligen Wagenkasten WK, welcher sich über Drehgestelle in Form eines Triebdrehgestells TDG mit darin angeordneten Antriebsmotoren AM bzw .
Lauf drehgestellen LDG ohne Traktionsmotoren auf nicht dargestellten Schienen eines Gleises abstützt . Das Schienenfahrzeug TZ bewegt sich auf den Schienen in den durch diese vorgegebenen Fahrtrichtungen FR .
In dem Endwagen EW sind schematisch Komponenten eines elektrischen Antriebsstrangs AS eines an einem Wechselstrom- Versorgungsnetz betriebenen Schienenfahrzeugs TZ angegeben . Diese Komponenten sind üblicherweise in speziellen Bereichen innerhalb des Wagenkastens WK, im Unterflurbereich, im Dachbereich oder auch verteilt über mehrere Wagen des Schienenfahrzeugs TZ angeordnet . Weitere Komponenten des Antriebsstrangs AS , beispielsweise eine Traktionsbatterie , sowie für den Betrieb der Komponenten erforderliche Hil fsbetriebe sind ergänzend vorgesehen, in der FIG 1 j edoch nicht speziell dargestellt .
Uber einen beispielhaft im Dachbereich des Endwagens EW angeordneten Stromabnehmer PAN ist der Antriebsstrang AS mit einer nicht dargestellten Oberleitung des Wechselstrom- Versorgungsnetzes elektrisch verbindbar, wobei die Oberleitung beispielsweise einen Einphasenwechselstrom führt . Der Wechselstrom wird einer netzseitigen Primärwicklung eines Antriebstrans formators ATR zugeführt , in welchem das netzseitige Spannungsniveau von beispielsweise 15kV, 16 , 7Hz oder 25kV, 50Hz auf ein niedrigeres Spannungsniveau trans formiert wird . Eine Sekundärwicklung des Antriebstrans formators ATR ist mit einem netzseitigen Stromrichter 4QS , beispielsweise einem Vierquadrantensteiler, verbunden, welcher den Wechselstrom gleichrichtet .
Der netzseitige Stromrichter 4QS speist einen Gleichspannungs zwischenkreis ZK, welcher wiederum einen lastseitigen Stromrichter PWR, beispielsweise einen Pulswechselrichter, speist . In dem Gleichspannungs zwischenkreis ZK sind ein oder mehrere Zwischenkreiskondensatoren angeordnet , welche als elektrische Energiespeicher insbesondere einer Glättung der Gleichspannung dienen . Der lastseitige Stromrichter PWR generiert aus der Gleichspannung des Gleichspannungs zwischenkreises ZK eine Dreiphasenwechselspannung variabler Frequenz und Amplitude , mit welcher die Statorwicklungen von beispielhaft zwei in dem Triebdrehgestell TDG des Endwagens EW angeordneten Antriebsmotoren TM gespeist werden . Gesteuert wird die Funktion insbesondere des netzseitigen 4QS und des lastseitigen Stromrichters PWR in bekannter Weise von einer Steuereinrichtung ST des Antriebsstrangs AS , wobei die auch j eweilige Steuereinrichtungen für die Stromrichter vorgesehen sein können .
FIG 2 zeigt schematisch ein dem Schienenfahrzeug TZ der FIG 1 entsprechendes Schienenfahrzeug TZ mit einem alternativen Antriebsstrang AS . In diesem Beispiel ist der Stromabnehmer PAN mit einer wiederum nicht dargestellten Oberleitung eines Gleichstrom-Versorgungsnetzes verbindbar . Insbesondere im Nahverkehrsbereich wird häufig anstelle einer Oberleitung eine Stromschiene parallel zu dem Gleis geführt , mit welcher der Antriebsstrang AS über einen oder mehrere Seitenstromabnehmer, die beispielsweise im Bereich der Wagenkastenenden oder der Drehgestelle angeordnet sind, verbindbar ist . Der Gleichstrom des Versorgungsnetzes wird über ein Eingangs filter bzw . Netz filter NF dem Gleichspannungs zwischenkreis ZK des Antriebsstrangs AS zugeführt , wobei das Netz filter NF beispielsweise eine Filterinduktivität in Form einer Drossel sowie und einen Kondensator umfasst , wobei der Kondensator ebenso die Funktion eines Zwischenkreiskondensators ZK des Antriebsstrangs AS erfüllen kann .
FIG 3 zeigt schematisch den beispielhaften Antriebsstrang AS des Schienenfahrzeugs TZ der FIG 1 , wobei nicht alle vorstehend genannten Komponenten des Antriebsstrangs AS nochmals dargestellt sind . So ist beispielsweise nur eine Sekundärwicklung des von einem Wechselstrom-Versorgungsnetz gespeisten Antriebstrans formators ATR sowie nur ein Antriebsmotor AM angegeben . In dem Antriebsstrang AS ist die Sekundärwicklung des Antriebstrans formators ATR mit dem netzseitigen Stromrichter 4QS verbunden . Der netzseitige Stromrichter 4QS ist als ein Vierquadrantensteiler ausgestaltet , welcher die eingangsseitig von dem Antriebstrans formator ATR bereitgestellte Wechselspannung in eine Gleichspannung wandelt und ausgangsseitig bereitstellt . Die Wandlung erfolgt dabei mittels Leistungshalbleiterschaltern bzw . Leistungstransistoren, welche beispielsweise auf Basis von Halbleitern aus Sili zium verwirklicht sind . Jeweils zwei Leistungstransistoren sind in einem Schaltzweig elektrisch in Reihe geschaltet , dessen mittlerer Anschlusspunkt mit einem j eweiligen Eingang des netzseitigen Stromrichters 4QS verbunden ist . Die äußeren Anschlusspunkte der Schaltzweige sind hingegen mit einem j eweiligen Ausgang des netzseitigen Stromrichters 4QS verbunden .
Über die Ausgänge speist der netzseitige Stromrichter 4QS einen Gleichspannungs zwischenkreis ZK, welcher wiederum mit Eingängen des lastseitigen Stromrichters PWR verbunden ist . Der lastseitige Stromrichter PWR ist beispielhaft als ein Pulswechselrichter ausgestaltet , welcher die eingangsseitige anliegende Gleichspannung in eine Wechselspannung variabler Spannungshöhe und Frequenz wandelt und an Ausgängen bereitstellt . Die Wandlung erfolgt wiederum mittels Leistungshalbleiterschaltern bzw . Leistungstransistoren . Im Unterschied zum netzseitigen Stromrichter 4QS weist der lastseitige Stromrichter PWR für die beispielhaft drei Phasen der Statorwicklung SW des Antriebsmotors AM drei bzw . ein ganz zahliges Viel faches von drei parallelen Schalt zweigen mit j eweils zwei in Reihe geschalteten Leistungshalbleiterschaltern auf . Der von dem lastseitigen Stromrichter PWR gespeiste Antriebsmotor AM ist beispielsweise als eine Drehstrom-Asynchronmaschine oder als eine permanentmagneterregte Drehstrom-Synchronmaschine ausgestaltet . In dem Gleichspannungs zwischenkreis ZK sind nach der FIG 3 mehrere elektrisch parallel geschaltete Zwischenkreiskondensatoren CZK angeordnet , wobei den drei Phasen bzw . Schalt zweigen des lastseitigen Stromrichters PWR j eweils ein Zwischenkreiskondensator CZK zugeordnet ist . Wie durch die strichpunktierte Umrandung beispielhaft angedeutet , sind die Zwischenkreiskondensatoren CZK zusammen mit den Leistungshalbleiterschaltern sowie zu diesen antiparallel geschalteten Freilauf dioden der Schaltzweige in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet . Die Leistungshalbleiterschalter in dem lastseitigen Stromrichter PWR werden von einer Steuereinrichtung ST angesteuert , was durch sechs senkrechte gestrichelte Pfeile ausgehend von der Steuereinrichtung ST dargestellt ist . In gleicher Weise steuert die Steuereinrichtung ST auch, wie vorstehend beschrieben, die Leistungshalbleiterschalter des netzseitigen Stromrichter 4QS , was j edoch in der FIG 3 nicht speziell dargestellt ist .
FIG 4 zeigt schematisch den beispielhaften Antriebsstrang des Schienenfahrzeugs TZ der FIG 2 , wobei wiederum nicht alle Komponenten des Antriebssystems AS nochmals dargestellt sind . Der Antriebsstrang AS ist ausgestaltet , mit einem Gleichstrom-Versorgungsnetz über einen Stromabnehmer verbunden zu werden, wobei der Gleichstrom beispielhaft über ein Eingangs filter bzw . Netz filter NF bestehend aus einer Filterinduktivität FL in Form einer Drossel sowie den Zwischenkreiskondensatoren CZK dem lastseitigen Stromrichter PWR zugeführt wird . Die Filterinduktivität FL bildet zusammen mit dem Zwischenkreiskondensator CZK einen Serienschwingkreis , welcher auf die Frequenzen der zu filternden Störströme abgestimmt ist . Der lastseitige Stromrichter PWR ist wiederum als ein Pulswechselrichter ausgestaltet , welcher die eingangsseitig anliegende Gleichspannung des Gleichspannungs zwischenkreises ZK gesteuert durch die Steuereinrichtung ST in eine Dreiphasen- Wechselspannung variabler Spannungshöhe und Frequenz wandelt , mit welcher die drei Phasen der Statorwicklung SW des Antriebsmotors AM gespeist werden .
FIG 5 zeigt schematisch eine erste Ausgestaltung und Anordnung einer Überwachungseinrichtung UE in einem Antriebsstrang AS eines Schienenfahrzeugs TZ . Der dargestellte Antriebsstrang AS entspricht dabei dem der FIG 1 und 3 bzw . FIG 2 und 4 , wobei weitere Komponenten des Antriebsstrangs wie der Trans formator, der netzseitige Stromrichter oder eine Netz filterinduktivität nicht dargestellt sind . Der beispielhafte Antriebsstrang AS ist über einen Stromabnehmer PAN sowie einen Hauptschalter HS mit einem streckenseitigen Versorgungsnetz verbunden, wobei der Hauptschalter HS in bekannter Weise dazu dient , eine elektrische Verbindung des Antriebsstrang AS mit dem Versorgungsnetz herzustellen bzw . diese zu trennen .
Die Überwachungseinrichtung UE ist in dem geschlossenen bzw . im Wesentlichen geschlossen Gehäuse des lastseitigen Stromrichters PWR angeordnet . Nach dem Beispiel der FIG 5 sind sowohl eine Auswerteeinrichtung AW als auch ein Gassensor GS in einem Gehäuse der Überwachungseinrichtung UE angeordnet , wobei der Gassensor GS mit der Auswerteeinrichtung AW sowohl signaltechnisch verbunden ist als auch von dieser mit der für die Funktion des Gassensors GS erforderlichen elektrischen Energie versorgt wird . Das Gehäuse der Überwachungseinrichtung UE weist beispielsweise Öf fnungen auf , um einer unmittelbare fluidischen Verbindung des Gassensors GS mit der Atmosphäre im Innenraum des Stromrichtergehäuses sicherzustellen .
Die Auswerteeinrichtung AW wird wiederum entsprechend weiteren Hil fsbetrieben des Antriebsstrangs AS , beispielsweise die Steuereinrichtung ST , mit elektrischer Energie versorgt . Ferner ist die Auswerteeinrichtung AW signaltechnisch mit dem Hauptschalter HS verbunden, wie es durch die feine gestrichelte Linie dargestellt ist . Diese Verbindung ist beispielsweise über eine Integration der Überwachungseinrichtung UE in eine Sicherheitsschlei fe des Schienenfahrzeugs verwirklicht . Damit ist die Auswerteeinrichtung AW in der Lage , eine Ansteuerung des Hauptschalters HS derart zu bewirken, dass dieser die elektrische Verbindung des Antriebsstrangs AS mit dem Versorgungsnetz trennt , wodurch insbesondere die Speisung elektrischer Energie in den lastseitigen Stromrichter PWR unterbunden wird .
Eine Aufgabe der Auswerteeinrichtung AW ist dabei die Bewertung der von dem Gassensor GS , beispielsweise einem MEMS-Gassensor , während des Betriebs des Stromrichters PWR erfassten Konzentrationen brennbarer Verbindungen von Pyrolysegasen in dem Gehäuse des Stromrichters PWR . Basierend auf von dem Gassensor GS bereitgestellten Daten bzw . Informationen bezüglich dieser Konzentrationen und gegebenenfalls einem Vergleich mit einem oder mehreren vorgegebenen und in der Auswerteeinrichtung gespeicherten Schwellenwerten stellt die Auswerteeinrichtung AW fest , ob die potenzielle Gefahr eines Brands in dem Stromrichtergehäuse besteht und steuert , sofern diese potenzielle Gefahr als gegeben festgestellt wurde , den Hauptschalter HS an bzw . löst eine solche Ansteuerung über die Sicherheitsschlei fe aus .
FIG 6 zeigt schematisch eine zweite Ausgestaltung und Anordnung einer Überwachungseinrichtung UE in einem Antriebsstrang AS eines Schienenfahrzeugs TZ , wobei der dargestellte Antriebsstrang AS beispielhaft dem der FIG 5 entspricht . Die Auswerteeinrichtung AW ist mit einer Mehrzahl Gassensoren GS über Signal- und Versorgungsleitungen verbunden, wobei die Gassensoren GS beispielhaft j eweils in unmittelbarer örtlicher Nähe zu den Leistungskondensatoren in dem Stromrichtergehäuse angeordnet sind . Ferner ist die Auswerteeinrichtung AW signaltechnisch mit einem Temperatursensor TS verbunden, welche vorzugsweise an einem zentralen Ort innerhalb des Stromrichtergehäuses oder auch zusammen mit der Auswerteeinrichtung AW in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sein kann . Die von dem Temperatursensor TS erfasste Temperatur im Innenraum des Stromrichters PWR kann von der Auswerteeinrichtung AW beispielsweise ergänzend für die Feststellung einer potenziellen Gefahr eines Brands in dem Stromrichtergehäuse berücksichtigt werden .
Die Auswerteeinrichtung AW nach der zweiten Ausgestaltung ist signaltechnisch mit der Steuereinrichtung ST verbunden, welche abhängig von empfangenen Signalen der Auswerteeinrichtung AW einen Alarm al ausgibt oder, beispielsweise wiederum über eine Sicherheitsschlei fe oder eine übergeordnete Antriebs- bzw . Fahrzeugsteuerung, eine Ansteuerung des Hauptschalters HS bewirkt . Ein Alarmsignal al kann von der Steuereinrichtung ST dabei beispielsweise ausgegeben werden, wenn die Auswerteeinrichtung AW zunächst einen Anstieg der Konzentration brennbarer Verbindungen feststellt , diese j edoch noch nicht in einem kritischen Bereich liegt . Ein solches Alarmsignal al bewirkt beispielsweise die Ausgabe einer Alarmmeldung auf einem Display im Führerstand des Schienenfahrzeugs TZ . Aufgrund dieser Alarmmeldung kann die das Schienenfahrzeug führende Person weitere Schritte , beispielsweise zunächst eine Sichtkontrolle des betrof fenen Stromrichters , durchführen bzw . veranlassen, dass eine solche bei einer nächsten Wartung des Schienenfahrzeugs durchgeführt wird . Die Ausgabe einer Alarmmeldung al von der Steuereinrichtung ST ist in gleicher Weise bei Ansteuerung des Hauptschalters HS sinnvoll , um der fahrzeugführenden Person die Ursache für die Ansteuerung mitzuteilen .
FIG 7 zeigt schließlich eine dritte Ausgestaltung und Anordnung einer Überwachungseinrichtung in einem Antriebsstrang AS eines Schienenfahrzeugs TZ , wobei der Antriebsstrang AS wiederum beispielhaft dem der FIG 5 bzw .
FIG 6 entspricht . Die Auswerteeinrichtung AW ist wiederum mit verteilt in dem Stromrichtergehäuse angeordneten mehreren Gassensoren GS verbunden . Dabei ist die Auswerteeinrichtung AW selbst j edoch nicht im Innenraum des Stromrichtergehäuses angeordnet , sondern beispielsweise außerhalb in einem separaten Gehäuse . Ferner ist die Auswerteeinrichtung AW ausgestaltet , sowohl direkt , insbesondere über eine Sicherheitsschlei fe , als auch indirekt über eine Steuereinrichtung ST eine Ansteuerung des Hauptschalters HS sowie die Ausgabe einer Alarmmeldung zu bewirken .
Weitere , in den FIG 5 bis 7 nicht dargestellte , Ausgestaltungen einer erfindungsgemäßen Überwachungseinrichtung UE sowie deren Anordnung, einschließlich Kombinationen der dargestellten Ausgestaltungen, können ebenfalls verwirklicht werden .
Be zugs Zeichen
4QS Netzseitiger Stromrichter al Alarmmeldung
AM Antriebsmotor
AS Antriebsstrang
ATR Antriebstrans formator
AW Auswerteeinrichtung
CZK Zwischenkreiskondensator
EW Endwagen
FL Filterinduktivität
FR Fahrtrichtung
GS Gassensor
HS Hauptschalter
LDG Lauf drehgestell
MW Mittelwagen
NF Eingangs filter, Netz filter
PAN Stromabnehmer
PWR Lastseitiger Stromrichter
SRG Stromrichtergehäuse
ST Steuereinrichtung
SW Statorwicklung
TDG Triebdrehgestell
TS Temperatursensor
TZ Triebzug
UE Überwachungseinrichtung
WK Wagenkasten
Zwischenkreis , Gleichspannungs zwischenkreis

Claims

Patentansprüche
1. Überwachungseinrichtung (UE) für einen Stromrichter (PWR) eines Schienenfahrzeugs (TZ) , wobei der Stromrichter (PWR) zumindest eine jeweilige Anzahl Leistungskondensatoren (CZK) und Leistungshalbleiterschalter umfasst, welche in einem gemeinsamen, zumindest im Wesentlichen geschlossenen Gehäuse (SRG) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungseinrichtung (UE) eine Auswerteeinrichtung (AW) und zumindest einen mit dieser signaltechnisch verbundenen Gassensor (GS) umfasst, wobei die Auswerteeinrichtung (AW) ausgestaltet ist, abhängig von einer mittels des zumindest einen Gassensors (GS) erfassten Konzentration zumindest einer brennbaren gasförmigen Verbindung in dem Gehäuse (SRG) des Stromrichters (PWR) eine Unterbrechung einer Energiezufuhr zu der Anzahl Leistungskondensatoren (CZK) des Stromrichters (PWR) zu bewirken .
2. Überwachungseinrichtung (UE) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (AW) ferner ausgestaltet ist, die erfasste Konzentration der zumindest einen gasförmigen Verbindung mit zumindest einem vorgegebenen Schwellenwert zu vergleichen und bei dessen Überschreiten die Unterbrechung der Energiezufuhr zu bewirken.
3. Überwachungseinrichtung (UE) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (AW) ferner ausgestaltet ist, die erfasste Konzentration der zumindest einen gasförmigen Verbindung mit einem ersten und mit einem zweiten vorgegebenen Schwellenwert zu vergleichen, wobei der zweite Schwellenwert einer höheren Konzentration der zumindest einen gasförmigen Verbindung als der erste Schwellenwert entspricht, und bei Überschreiten des ersten Schwellenwerts eine Ausgabe eines Alarms (al) zu bewirken und bei Überschreiten des zweiten Schwellenwerts die Unterbrechung der Energiezufuhr zu bewirken.
4. Uberwachungseinrichtung (UE) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (AW) ferner ausgestaltet ist, mit einer Steuereinrichtung (ST) des Schienenfahrzeugs (TZ) signaltechnisch verbunden zu werden, wobei die Steuereinrichtung (ST) ausgestaltet ist, die Ausgabe zumindest des Alarms (al) an eine das Schienenfahrzeug (TZ) führende Person über eine Mensch-Maschine-Schnittstelle und/oder die Unterbrechung der Energiezufuhr zu der Anzahl Leistungskondensatoren (CZK) des Stromrichters (PWR) zu bewirken .
5. Uberwachungseinrichtung (UE) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (AW) in oder an dem Gehäuse (SRG) des Stromrichters (PWR) angeordnet ist, wobei insbesondere die Auswerteeinrichtung (AW) und der zumindest eine Gassensor (GS) in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind.
6. Uberwachungseinrichtung (UE) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Gassensor (GS) als ein MEMS- oder ein Infrarot-Gassensor ausgestaltet ist.
7. Uberwachungseinrichtung (UE) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinrichtung (AW) ferner ausgestaltet ist, eine zeitliche Historie der erfassten Konzentrationen zu generieren .
8. Überwachungseinrichtung (UE) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungseinrichtung (UE) ferner zumindest einen Temperatursensor (TS) umfasst, welcher mit der Auswerteeinrichtung (AW) signaltechnisch verbunden ist und mittels welchem eine Temperatur in dem Gehäuse (SRG) des Stromrichters (PWR) und/oder eine Temperatur eines jeweiligen Leistungskondensators (CZK) oder dessen unmittelbaren Umgebung erfassbar ist.
9. Stromrichter (PWR) für ein Schienenfahrzeug (TZ) , umfassend zumindest einen Leistungskondensator (CZK) und Leistungshalbleiterschalter, welche in einem gemeinsamen, zumindest im Wesentlichen geschlossenen Gehäuse (SRG) angeordnet sind, gekennzeichnet durch eine Überwachungseinrichtung (UE) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 aufweist.
10. Verfahren zum Überwachen eines Stromrichters (PWR) eines Schienenfahrzeugs (TZ) , wobei der Stromrichter (PWR) zumindest eine jeweilige Anzahl Leistungskondensatoren (CZK) und Leistungshalbleiterschalter umfasst, welche in einem gemeinsamen, zumindest im Wesentlichen geschlossenen Gehäuse (SRG) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass eine Überwachungseinrichtung (UE) in und/oder an dem Gehäuse (SRG) des Stromrichters (PWR) angeordnet wird, wobei die Überwachungseinrichtung (UE) eine Auswerteeinrichtung (AW) und zumindest einen mit dieser signaltechnisch verbundenen Gassensor (GS) umfasst, von dem zumindest einen Gassensor (GS) eine Konzentration zumindest einer brennbaren gasförmigen Verbindung in dem Gehäuse des Stromrichters (PWR) erfasst wird, und von der Auswerteeinrichtung (AW) abhängig von der erfassten Konzentration der zumindest einen brennbaren gasförmigen Verbindung eine Unterbrechung einer Energiezufuhr zu der Anzahl Leistungskondensatoren (CZK) des Stromrichters (PWR) bewirkt wird.
11. Verwendung einer Überwachungseinrichtung (UE) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Nachrüstung einer Überwachung einer Anzahl Leistungskondensatoren (CZK) eines Stromrichters (PWR) eines Schienenfahrzeugs (TZ) .
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