Energieversorgungssystem zur Versorgung von elektrischen Verbrauchern in Schienenfahrzeugen

Die Erfindung betrifft ein Energieversorgungssystem zur Versorgung von elektrischen Verbrauchern in Schienenfahrzeugen mit elektrischer Energie. Die Erfindung betrifft weiter ein Schienenfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Energieversor- gungssystem sowie ein Verfahren zur Versorgung von elektrischen Verbrauchern in einem Schienenfahrzeug mit elektrischer Energie .

Die Energieversorgung für elektrische Verbraucher in Schie- nenfahrzeugen wird häufig über einen oder mehrere Bordnetzumrichter sichergestellt. Je nach Anforderungen der elektrischen Verbraucher an die Energieversorgung unterscheidet man diese in ungeregelte elektrische Verbraucher und geregelte elektrische Verbraucher. Ungeregelte elektrische Verbraucher benötigen für die Energieversorgung eine festfrequente Wechselspannung mit konstanter Amplitude. Geregelte elektrische Verbraucher, wie beispielsweise Kompressoren oder Lüfter, benötigen eine variable Wechselspannung, die in Frequenz und/oder Amplitude variabel ist, um unter anderem hohe An- laufströme zu vermeiden.

Der Bordnetzumrichter wandelt in der Regel zunächst die Eingangsspannung in eine Gleichspannung um. Für den Fall, dass die Eingangsspannung bereits eine Gleichspannung ist, kann im ersten Schritt eine Anpassung der Spannungshöhe erfolgen. Aus dieser im sogenannten Zwischenkreis anliegenden Gleichspannung generiert der Bordnetzumrichter mit Hilfe eines Umrichters eine festfrequente Wechselspannung, mit der er ungere ^¬ gelte elektrische Verbraucher speist sowie eine oder mehrere variable Wechselspannungen für die Speisung von geregelten elektrischen Verbrauchern. Bevorzugt werden die notwendigen Module für die oben beschriebenen Schritte in einer Einheit untergebracht. Die Energieübertragung zu den Verbrauchern ge- schieht über separate Verkabelungen für die unterschiedlichen Wechselspannungen. Aufgrund der teilweise vorhandenen räumlichen Entfernung wird oftmals für die Kommunikation zwischen Bordnetzumrichter und elektrischem Verbraucher auf eine zent- rale Steuerungsstruktur mit Bussystemen zurückgegriffen, um einen zuverlässigen Datenaustausch zu gewährleisten.

Zur Versorgung von Verbrauchern, insbesondere in Reisezugwagen wird häufig eine Zugsammeischiene verwendet. Dabei wird im Falle einer Gleichspannung am Fahrdraht diese an die Rei ^¬ sezugwagen verteilt. In Wechselspannungsnetzen wird zunächst die Amplitude reduziert bevor die einphasige Spannung an die Reisezugwagen weitergeführt wird. Entsprechend ihrer ur ^¬ sprünglichen Aufgabe wurde diese Zugsammeischiene auch als Heizleitung bezeichnet. Für die direkte Versorgung von elekt ^¬ rischen Verbrauchern kann diese Zugsammeischiene aufgrund nicht geeigneter Spannungshöhe und/oder nicht geeigneter Frequenz kaum verwendet werden, sondern sie dient zur Versorgung von lokalen Bordnetzumrichtern in den Reisezugwagen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein kostengünsti ^¬ ges, einfach zu realisierendes und zuverlässiges Energiever ^¬ sorgungssystem für die Versorgung von elektrischen Verbrauchern in Schienenfahrzeugen anzugeben, bei dem der Verkabelungsaufwand gering ist, die Kommunikation zwischen versorgender Einheit und elektrischem Verbraucher auf einfache Weise realisiert werden kann.

Diese Aufgabe wird durch ein Energieversorgungssystem zur Versorgung von elektrischen Verbrauchern in einem Schienenfahrzeug mit elektrischer Energie gelöst, wobei das Energie ^¬ versorgungssystem mindestens eine Zentraleinheit und mindes ^¬ tens einen dezentralen Frequenzumrichter aufweist, wobei die Zentraleinheit mindestens einen Zentraleinheitseingang zur Aufnahme von elektrischer Energie sowie mindestens einen

Zentraleinheitsausgang zum Übertragen der elektrischen Energie mittels einer Wechselspannung, insbesondere einer drei ^¬ phasigen Wechselspannung, zu dem oder den dezentralen Fre- quenzumrichter (n) aufweist und wobei der dezentrale Frequenzumrichter mindestens einen Frequenzumrichtereingang zur Aufnahme zumindest von Anteilen der von der Zentraleinheit über ^¬ tragenen Energie sowie mindestens einen Frequenzumrichteraus- gang zur Abgabe der elektrischen Energie an mindestens einen elektrischen Verbraucher aufweist.

Diese Aufgabe wird weiter durch ein Schienenfahrzeug mit min ^¬ destens einem Energieversorgungssystem gemäß Anspruch 6 sowie durch ein Verfahren gemäß Anspruch 7 bzw. Anspruch 12 gelöst.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass sich der Verkabelungsaufwand teilweise deutlich verringern lässt, wenn der Bordnetzumrichter durch ein erfindungsgemäßes Energiever- sorgungssystem ersetzt wird, das mindestens eine Zentralein ^¬ heit und mindestens einen dezentralen Frequenzumrichter aufweist. Dabei kann sich das Energieversorgungssystem mit seinen Komponenten über das gesamte Schienenfahrzeug erstrecken oder aber auf Teile des Schienenfahrzeugs beschränkt bleiben. Man unterscheidet die elektrischen Verbraucher in ungeregelte und geregelte elektrische Verbraucher. Die Zentraleinheit hat die Aufgabe, elektrische Energie aufzunehmen, um diese mit Hilfe einer Wechselspannung, insbesondere einer dreiphasigen Wechselspannung, direkt an ungeregelte elektrische Verbrau- eher oder indirekt über dezentrale Frequenzumrichter an geregelte elektrische Verbraucher, wie beispielsweise Kompresso ^¬ ren oder Lüfter, weiterzugeben. Der dezentrale Frequenzumrichter befindet sich dabei bevorzugt in der Nähe des zu ver ^¬ sorgenden elektrischen Verbrauchers. Auch eine Integration in den elektrischen Verbraucher ist möglich. Die dezentralen Frequenzumrichter können variabel die Spannungsamplitude und/oder die Frequenz am Frequenzumrichterausgang an die Anforderungen des elektrischen Verbrauchers anpassen. Vorteil dieser Anordnung ist der Wegfall der Generierung von zusätz- liehen, unterschiedlichen Versorgungsspannungen in einer zentralen Einheit wie beispielsweise dem Bordnetzumrichter sowie der Wegfall der damit einhergehenden Verkabelung zu den elektrischen Verbrauchern für die zusätzlichen, unterschied- liehen Versorgungsspannungen. Als weiteren Vorteil ergibt sich eine Vereinfachung der Steuerungsarchitektur, da der für die Steuerung notwendige Datenaustausch zwischen dem elektrischen Verbraucher und dem dezentralen Frequenzumrichter auf- grund der räumlichen Nähe direkt über eine geeignete Schnitt ^¬ stelle stattfinden kann. Aufgrund der räumlichen Nähe ist die Störempfindlichkeit gering. Ein weiterer Vorteil des erfin ^¬ dungsgemäßen Energieversorgungssystems sind die geringeren Isolationsanforderungen der dezentralen Frequenzumrichter Dies gewährleistet eine einfache Ausführbarkeit der dezentra ^¬ len Stromrichter in der Nähe des elektrischen Verbrauchers oder im elektrischen Verbraucher. Ein weiterer Vorteil der Versorgung der geregelten elektrischen Verbraucher über die dezentralen Frequenzumrichter gegenüber der Versorgung mit einer festen Wechselspannungsquelle ist die deutlich geringe ^¬ re Stoßleistung, die beim Zuschalten eines geregelten elektrischen Verbrauchers auf eine feste Wechselspannungsquelle entsteht. Eine teilweise deutliche Überdimensionierung der Energieversorgung auf diese Stoßleistung ist damit nicht er- forderlich.

Die Weitergabe der elektrischen Energie am Ausgang der Zentraleinheit kann beispielsweise über eine einphasige oder dreiphasige Wechselspannung mit oder ohne Neutralleiter er- folgen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Bei einer vorteilhaften Ausgestaltungsform werden zumindest Teile des Energieversorgungssystems und/oder der Zentralein ^¬ heit und/oder des dezentralen Frequenzumrichters, insbesonde ^¬ re die für die Aufnahme, Übertragung und Abgabe der elektri ^¬ schen Energie vorgesehen sind, redundant ausgebildet. Durch den Wegfall der unterschiedlichen Versorgungsspannungen kann die Versorgungskette für Aufnahme, Weitergabe und Bereitstel ^¬ lung der elektrischen Energie bis zum elektrischen Verbraucher auf besonders einfache Weise redundant ausgeführt wer- den. Dabei kann die Redundanz innerhalb der Komponenten, das heißt beispielsweise innerhalb der Zentraleinheit, ausgeführt werden oder auch durch parallele Anordnung der Komponenten, wie beispielsweise zwei oder mehr elektrisch parallele Zent- raleinheiten, realisiert werden. Bei Ausfall einer Komponente, wie beispielsweise Teile einer Zentraleinheit, kann zu ^¬ mindest eingeschränkt die Energieversorgung einer Vielzahl oder aller elektrischen Verbraucher weiter sichergestellt werden. Vorteil der Redundanz ist eine Erhöhung der Versor- gungssicherheit .

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform ist der Zentraleinheitsausgang zur Speisung mindestens einer wagenübergreifenden oder wageninternen Sammelschiene, insbesondere einer dreiphasigen Sammelschiene, vorgesehen. Die Sammelschiene, die den Transport der elektrischen Energie im Schie ^¬ nenfahrzeug sicherstellt, insbesondere die wagenübergreifen ^¬ de, kann an einer oder an mehreren Stellen im Schienenfahrzeug von einer Zentraleinheit elektrische gespeist werden. Eine im Fahrzeug bereits vorhandene Sammelschiene kann gege ^¬ benenfalls auch für die Energieübertragung von der Zentraleinheit zu den dezentralen Frequenzumrichtern und/oder zu den elektrischen Verbrauchern genutzt werden. Vorteil dieser Anordnung ist, dass sowohl zahlreiche elektrische Verbraucher als auch die dezentralen Frequenzumrichter auf einfache und kostengünstige Weise direkt an die Sammelschiene angeschlos ^¬ sen werden können. Im Falle einer bereits vorhandenen Sammelschiene entfällt der Aufwand für zusätzliche Verkabelung. Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform ist der Zentraleinheitsausgang zur Abgabe von elektrischer Energie mittels einer Wechselspannung mit einer nahezu konstanten Frequenz, insbesondere mit einer Standardfrequenz und/oder mit einer nahezu konstanten Spannungsamplitude, insbesondere mit einer Standardamplitude, ausgebildet. Bevorzugt können hier Standards wie beispielsweise ein Wechselspannungssystem mit 400V/50Hz oder 480V/60Hz eingesetzt werden. Bei diesen Standards gibt es enge Toleranzbereiche für die Abweichung vom Nominalwert für Spannungsamplitude und Frequenz. Diese Spannungssysteme eignen sich besonders für die direkte Ver ^¬ sorgung von einer Vielzahl von elektrischen Verbrauchern in Schienenfahrzeugen. Gleichzeitig können darüber hinaus auch die dezentralen Frequenzumrichter und ihre zugehörigen elektrischen Verbraucher gespeist werden. Da es sich um Standards handelt, können auch die Eingangsbaugruppen der elektrischen Verbraucher und die Eingangsbaugruppen der dezentralen Frequenzumrichter aus Standardkomponenten aufgebaut werden, was zu einer kostengünstigen Lösung führt. Auch die Isolationsanforderungen an die dezentralen Frequenzumrichter werden durch das verwendete Spannungssystem wie beispielsweise 400V oder 480V bestimmt und sind damit geringer als bei einem Aufbau eines Bordnetzumrichters mit unterschiedlichen Spannungsaus- gängen, da dort recht hohe Zwischenkreisspannungen zu höheren Isolationsanforderungen führen. Dies ermöglicht eine einfache Ausführbarkeit der dezentralen Frequenzumrichter. Auch eine bereits vorhandene Sammelschiene beispielsweise für die Ver ^¬ sorgung von Steckdosen kann für das Energieversorgungssystem genutzt und erweitert werden. Dies hält die Kosten für die

Realisierung des erfindungsgemäßen Energieversorgungssystems gering. Gleichzeitig kann hier auf Standards, wie beispiels ^¬ weise bei der Isolierung, zurückgegriffen werden, die zu einer kostengünstigen Realisierung beitragen.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform weist der Zentraleinheitsausgang und/oder der Frequenzumrichtereingang und/oder der Frequenzumrichterausgang eine Filtervorrichtung zur Filterung der Wechselspannung auf oder ist zur Speisung einer Filtervorrichtung vorgesehen. Diese Filtereinrichtung dient dazu, die Qualität der Wechselspannung insbesondere durch Filterung von Oberschwingungen zu erhöhen. Mit der Filtervorrichtung kann beispielsweise die entsprechende Spannung so bearbeitet werden, dass die elektrischen Verbraucher und/oder die dezentralen Frequenzumrichter nicht an die versorgende Spannungsquelle angepasst werden müssen und idealer ^¬ weise mit Standardeingangsbaugruppen identisch oder zumindest ähnlich wie beim Einsatz in anderen Energieversorgungsnetzen bestückt werden können. Der Einsatz von Standards führt zu einer kostengünstigen Realisierung des Gesamtsystems. Der Ort beziehungsweise die Orte, an denen die Filtervorrichtung (en) platziert werden und die Dimensionierung der Filtervorrich- tung hängen von mehreren Faktoren, wie beispielsweise einbautechnische Randbedingungen oder Anforderungen der elektrischen Verbraucher oder des dezentralen Frequenzumrichters ab.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:

FIG 1 ein erstes Blockschaltbild eines Energieversor ^¬ gungssystems mit angeschlossenen elektrischen

Verbrauchern,

FIG 2 ein weiteres Blockschaltbild eines Energieversor ^¬ gungssystems entsprechend FIG 1, erweitert um Fil ^¬ tervorrichtungen,

FIG 3 ein weiteres Blockschaltbild eines redundanten

Energieversorgungssystems ,

FIG 4 eine Prinzipdarstellung eines Schienenfahrzeugs, mit einer beispielhaften Anordnung der Komponenten der Energieversorgung. FIG 1 zeigt ein Energieversorgungssystem 1 mit angeschlossenen elektrischen Verbrauchern 2. Zu den Hauptbestandteilen des Energieversorgungssystems 1 gehören eine Zentraleinheit 3 sowie mehrere dezentrale Frequenzumrichter 4. Aufgabe der Zentraleinheit 3 ist es, über ihren Zentraleinheitseingang 5 elektrische Energie aufzunehmen. Diese wird den elektrischen Verbrauchern 2 am Zentraleinheitsausgang 6 sowohl direkt zur Verfügung gestellt als auch indirekt über die dezentralen Frequenzumrichter 4. Der Transport der Energie erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel über eine Sammelschiene 10 mit Hilfe einer Wechselspannung, insbesondere einer dreiphasigen Wechselspannung. Als besonders vorteilhaft hat sich hierbei eine Standardspannung von 400V/50Hz oder 480V/60Hz erwiesen. Dabei werden die elektrischen Verbraucher 2, die eine beson- dere Anforderung an Amplitude oder Frequenz der Wechselspannung haben, über die dezentralen Frequenzumrichter 4 gespeist. Die dezentralen Frequenzumrichter 4 befinden sich dabei bevorzugt in räumlicher Nähe der zugeordneten elektri- sehen Verbraucher 2. Der Frequenzumrichtereingang 7 des dezentralen Frequenzumrichters 4 nimmt dabei zumindest Teile der elektrischen Energie auf, die am Zentraleinheitsausgang 6 bereitgestellt werden, um sie am Frequenzumrichterausgang 8 dem elektrischen Verbraucher 2 mit Hilfe eines Spannungssys- tems 11 mit variabler Wechselspannung bereitzustellen. Dies geschieht bevorzugt mit einem dreiphasigen Wechselspannungs ^¬ system. In der dargestellten Ausführung erfolgt die Verzweigung der elektrischen Verbindung zwischen den direkt versorgten elektrischen Verbrauchern 2 und der Zentraleinheit 3 au- ßerhalb des Energieversorgungssystems 1. Alternativ kann die Verzweigung auch innerhalb des Energieversorgungssystems 1 erfolgen .

FIG 2 zeigt ein weiteres Blockschaltbild eines Energieversor- gungssystems 1 entsprechend FIG 1, erweitert um Filtervor ^¬ richtungen 9, die sich sowohl am Zentraleinheitsausgang 6 als auch an den Frequenzumrichterausgängen 8 befinden. Bezüglich der sonstigen Bestandteile des Systems wird auf die Beschrei ^¬ bung zu FIG 1 und auf die dort eingeführten Bezugszeichen verwiesen. Die Filtervorrichtungen 9 dienen dazu, den Spannungsverlauf der Wechselspannungen auf der Sammelschiene 10 und in den Spannungssystemen 11 mit variabler Wechselspannung, insbesondere durch Reduktion oder Beseitigung von

Oberschwinungen, zu optimieren. Die Notwendigkeit und Ausges- taltung der Filtervorrichtungen 9 ergibt sich unter anderem aus den Anforderungen der elektrischen Verbraucher 2 und/oder der dezentralen Frequenzumrichter 4 an ihre Energieversorgung . FIG 3 zeigt ein weiteres Blockschaltbild eines Energieversor ^¬ gungssystems 1 entsprechend FIG 1, erweitert um eine redun ^¬ dante Zentraleinheit 3 und zwei redundante dezentrale Fre ^¬ quenzumrichter 4. Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, dass auch bei Ausfall einer Zentraleinheit 3 und/oder eines dezentralen Frequenzumrichters 4 die Versorgung der elektrischen Verbraucher 2 weiterhin zumindest eingeschränkt sichergestellt werden kann.

FIG 4 zeigt eine Prinzipdarstellung, wie das Energieversorgungssystem 1 beispielhaft in ein Schienenfahrzeug 100 integ ^¬ riert werden kann. Das Schienenfahrzeug 100 wird in diesem Anwendungsbeispiel über einen Stromabnehmer 102 aus einem Wechselspannung führenden Fahrdraht 101 mit elektrischer

Energie versorgt. Ein Transformator 103 passt das Spannungs ^¬ niveau derart an, dass das Energieversorgungssystem 1 die elektrische Energie aufnehmen kann. Dazu wird die Primärseite des Transformators 103 mit dem elektrischen Potential des Fahrdrahts 101 und dem des Erdpotentials der Schiene, das auch an der Radsatzwelle 104 inklusive Rädern anliegt, ver ^¬ bunden. Auf der Sekundärseite des Transformators 103 steht dann eine Spannung zur Verfügung, die in die Zentraleinheit 3 eingespeist wird. Die Zentraleinheit 3 versorgt dann die Sam- melschiene 10, die in diesem Beispiel als wagenübergreifende Sammelschiene 10 ausgeführt ist, mit elektrischer Energie. Die Energieeinspeisung in die Sammelschiene 10 kann darüber hinaus auch durch weitere Zentraleinheiten 3 im Schienenfahrzeug 100 erfolgen, insbesondere in Wagen, die ebenfalls einen Stromabnehmer 102 oder andere Energiequellen aufweisen. Die Versorgung der elektrischen Verbraucher 21,22 erfolgt über die dreiphasige Sammelschiene 10. Die in den Figuren 1 bis 3 eingeführten elektrischen Verbraucher 2 werden in der vorliegenden Figur 4 genauer unterschieden. Die ungeregelten elekt- rischen Verbraucher 21 werden direkt aus der Sammelschiene 10 durch eine Wechselspannung mit konstanter Amplitude und konstanter Frequenz versorgt. Hingegen erfolgt die Versorgung der geregelten elektrischen Verbraucher 22 durch ein Spannungssystem 11 mit variabler Wechselspannung. Diese variable Wechselspannung stellt eine in Amplitude und Frequenz veränderliche Wechselspannung dar. Erzeugt wird dieses Spannungs ^¬ system 11 mit variabler Wechselspannung mit Hilfe des dezentralen Frequenzumrichters 4 in der Nähe des geregelten elekt- rischen Verbrauchers 22. Die erforderliche Energie bezieht der dezentrale Frequenzumrichter 4 dabei aus der Sammelschie ^¬ ne 10. Aus der Prinzipdarstellung wird deutlich, dass sich das Energieversorgungssystem 1 in der Regel über das gesamte Schienenfahrzeug 100 erstreckt.

Im Falle, dass der Fahrdraht 101 eine Gleichspannung auf ^¬ weist, ist kein Transformator 103 erforderlich. Die Spannung des Fahrdrahtes 101 kann dann direkt oder über eine geeignete Eingangsschaltung dem Energieversorgungssystem 1 zugeführt werden .

Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen .