Die Erfindung betrifft eine Schienenfahrzeugsschaltungsanord ^¬ nung, mit zumindest einem Transformator, der in einem ersten Betriebsmodus mit einer Antriebseinheit und einer Bahnnetz ^¬ versorgung elektrisch verbunden ist und in einem zweiten Betriebsmodus von der Bahnnetzversorgung getrennt ist, und ei ^¬ nem Zwischenkreis, welcher zwischen dem Transformator und der Antriebseinheit geschaltet ist.

Bei der Netzzuschaltung eines Schienenfahrzeugs verursacht der elektrische Anschluss des Haupttransformators bzw. eines Satzes von Transformatoren an die Bahnnetzversorgung sehr hohe Einschaltstromstöße (auch „Inrush-Ströme" genannt) . Ohne entsprechende Maßnahmen überschreiten diese Einschaltstromstöße die von den Bahnnetzbetreibern zugelassenen Stromgrenzen .

Zur Reduzierung dieser Ströme bei dem Einschalten eines

Schienenfahrzeugs wurde bereits vorgeschlagen, bei einer

Vielzahl von Transformatoren, diese gestaffelt an die Bahnnetzversorgung anzuschließen. Eine weitere Maßnahme besteht in einer angepassten Dimensionierung des Transformators, indem dieser durch eine Vielzahl kleiner dimensionierter Trans- formatoren ersetzt wird. Ferner ist bereits vorgeschlagen worden, die Einschaltströme mittels zu- und abschaltbarer Vorwiderstände zu begrenzen. Diese genannten Maßnahmen sind bezüglich der Einschaltzeit bzw. der Bauraumbeanspruchung und des Montageaufwands nachteilhaft.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Schienenfahrzeugsschaltungsanordnung bereit zu stellen, durch welche eine vorteilhafte Reduzierung der Einschaltstromstöße auf eine konstruktiv einfache Weise erreicht werden kann.

Hierzu wird vorgeschlagen, dass die Schienenfahrzeugsschal ^¬ tungsanordnung eine Hilfsversorgungseinrichtung, die dazu vorgesehen ist, im zweiten Betriebsmodus eine elektrische Energie in den Zwischenkreis einzuspeisen, und eine Vor- bestromungseinheit aufweist, die im Betrieb die elektrische Energie des Zwischenkreises zum Vorbestromen des Transforma ^¬ tors bezieht. Hierdurch kann - vor einem Anschluss des Trans- formators an die Bahnnetzversorgung - eine vorteilhafte Vor- bestromung des Transformators erreicht werden, indem eine da ^¬ für notwendige elektrische Energie im Zwischenkreis mittels der Hilfsversorgungseinrichtung bereit gestellt wird. Durch die Vorbestromung kann der Transformator aufmagnetisiert wer- den, wobei der beim Anschluss des Transformators an die Bahn ^¬ netzversorgung entstehende Einschaltstromstoß zumindest unter eine vom Bahnnetzbetrieber vorgeschriebene Grenze gebracht, besonders vorteilhaft nahezu gänzlich vermieden werden kann. Vorteilhafterweise weist die Schienenfahrzeugsschaltungsanordnung eine Schalteinheit auf, die dazu dient, die Hilfsver ^¬ sorgungseinrichtung mit dem Zwischenkreis spannungsführend zu verbinden . Die Antriebseinheit weist zumindest einen Fahrmotor auf, wel ^¬ cher in einem Traktionsmodus des Schienenfahrzeugs ein Dreh ^¬ moment zum Antreiben zumindest einer Achse erzeugt. Des Wei ^¬ teren umfasst die Antriebseinheit zweckmäßigerweise eine mit dem Zwischenkreis elektrisch verbundene Leistungsversorgungs- einheit, die dazu dient, durch Beziehen einer elektrischen

Energie des Zwischenkreises im ersten Betriebsmodus den Fahr ^¬ motor mit einer für das Erzeugen des Drehmoments notwendigen Leistung zu versorgen. Hierzu weist die Leistungsversorgungs- einheit vorzugsweise eine Leistungselektronik auf, die ausge- hend von einer Betriebsspannung des Zwischenkreises einen Antriebsstrom für den Fahrmotor erzeugt. Insbesondere kann der Zwischenkreis im Betrieb eine Betriebsspannung führen, die eine Gleichspannung ist. Hierbei ist die Leistungsversor- gungseinheit insbesondere als Wechselrichter ausgebildet.

Der die Anordnung des Zwischenkreises innerhalb der Schal ^¬ tungsanordnung betreffende Begriff „zwischen" bezieht sich insbesondere auf einen Energiefluss , welcher im Traktionsmo- dus vom Transformator über den Zwischenkreis zur Antriebseinheit geführt wird.

Die Vorbestromungseinheit kann insbesondere eine Leistungs- elektronik, die zum Bestromen des Transformators Energie vom Zwischenkreis bezieht, und eine Steuereinheit aufweisen, die Schaltvorgänge der Leistungselektronik steuert. Die Steuereinheit kann insbesondere zumindest ein Bestandteil des An ^¬ triebssteuergeräts des Schienenfahrzeugs sein.

Im zweiten Betriebsmodus ist der Transformator von der Bahnnetzversorgung durch eine Unterbrechung der elektrischen Verbindung zur Bahnnetzversorgung vorzugsweise mittels eines Stromabnehmers und/oder eines dem Stromabnehmer nachgeschal- teten Hauptschalters getrennt.

Vorzugsweise wird vorgeschlagen, dass die Antriebseinheit in einem Bremsmodus als generatorische Bremse eine elektrische Energie in den Zwischenkreis zurückspeist und eine Rückspei- seeinheit vorgesehen ist, welche die Energie des Zwischen ^¬ kreises über den Transformator in die Bahnnetzversorgung zurückspeist, wobei die Vorbestromungseinheit zumindest teil ^¬ weise von der Rückspeiseeinheit gebildet ist. Diese Rückspei- sung von Energie in die Bahnnetzversorgung erfolgt im ersten Betriebsmodus, bei welchem der Transformator mit der Bahnnetzversorgung elektrisch verbunden ist. Im zweiten Betriebsmodus, bei welchem der Transformator von der Bahnnetzversorgung elektrisch getrennt ist - insbesondere im Vorfeld eines Einschaltvorgangs des Schienenfahrzeugs - kann zumindest ein Bestandteil der vorhandenen Rückspeiseeinheit vorteilhaft verwendet werden, um die von der Hilfsversorgungseinrichtung zur Verfügung gestellte Energie in den Transformator zu speisen. Die oben beschriebene Reduzierung des Einschaltstromsto ^¬ ßes kann demnach besonders einfach durch die Nutzung einer vorhandenen Schaltung der Energierückspeisung erreicht werden . Die Rückspeiseeinheit kann beispielsweise eine Leistungs ^¬ elektronik, die zum Bestromen des Transformators Energie des Zwischenkreises bezieht, und eine Steuereinheit aufweisen, die Schaltvorgänge der Leistungselektronik steuert.

In einer bevorzugten Ausbildung der Erfindung entspricht die Vorbestromungseinheit der Rückspeiseeinheit.

Eine besonders konstruktiv einfache Ausführung der Erfindung kann außerdem erreicht werden, wenn die Hilfsversorgungseinrichtung zumindest teilweise Bestandteil einer Bordnetzver- sorgungseinheit zur Versorgung von Hilfsbetrieben ist. Unter einem „Hilfsbetrieb" soll insbesondere ein elektrischer

Verbraucher des Schienenfahrzeugs verstanden werden, welcher sich von einem Fahrmotor unterscheidet.

Außerdem wird vorgeschlagen, dass die Hilfsversorgungseinrichtung dazu vorgesehen ist, im Betrieb eine elektrische Energie aus zumindest einer Bordbatterie zu beziehen. Hier- durch kann schnell und einfach auf eine Energie zugegriffen werden, die in Schienenfahrzeugen herkömmlicherweise gespei ^¬ chert ist.

Zweckmäßigerweise weist die Hilfsversorgungseinrichtung zu- mindest einen Spannungswandler auf, der ausgangsseitig eine

Spannung erzeugt, welche einer Betriebsspannung des Zwischenkreises entspricht. Ist die Betriebsspannung des Zwischen ^¬ kreises eine Gleichspannung und bezieht die Hilfsversorgungs ^¬ einrichtung eine Energie aus einer Bordbatterie, kann der Spannungswandler einfach als Hochsetzsteller ausgebildet sein .

Ferner wird vorgeschlagen, dass die Schienenfahrzeugsschal ^¬ tungsanordnung eine Synchronisationseinrichtung aufweist, die dazu vorgesehen ist, die Vorbestromung des Transformators mit der Bahnnetzversorgungsspannung zu synchronisieren. Hierdurch kein ein optimierter Übergang vom zweiten Betriebsmodus in den ersten Betriebsmodus bei Herstellung der elektrischen Verbindung des Transformators mit der Bahnnetzversorgung erreicht werden.

Ferner wird ein Verfahren zum Anschließen eines Schienenfahr- zeugs an eine elektrische Bahnnetzversorgung vorgeschlagen, wobei das Schienenfahrzeug zumindest eine Antriebseinheit, wenigstens einen Transformator, der in einem ersten Betriebsmodus mit der Antriebseinheit und der Bahnnetzversorgung elektrisch verbunden ist und in einem zweiten Betriebsmodus von der Bahnnetzversorgung getrennt ist, und einen Zwischenkreis aufweist, welcher zwischen dem Transformator und der Antriebseinheit geschaltet ist, bei welchem im zweiten Be ^¬ triebsmodus der Zwischenkreis mit einer elektrischen Energie gespeist wird, die elektrische Energie des Zwischenkreises zum Bestromen des Transformators bezogen wird und der Trans ^¬ formator an die Bahnnetzversorgung angeschlossen wird. Hierdurch kann - vor einem Anschluss des Transformators an die Bahnnetzversorgung - eine vorteilhafte Vorbestromung des Transformators erreicht werden, indem eine dafür notwendige elektrische Energie im Zwischenkreis mittels der Hilfsversor ^¬ gungseinrichtung bereit gestellt wird. Durch die Vorbestro ^¬ mung kann der Transformator aufmagnetisiert werden, wobei der beim Anschluss des Transformators an die Bahnnetzversorgung entstehende Einschaltstromstoß zumindest unter eine vom Bahn- netzbetrieber vorgeschriebene Grenze gebracht, besonders vor ^¬ teilhaft nahezu gänzlich vermieden werden kann.

Es wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert.

Diese zeigt in einer stark schematisierten Ansicht Komponenten eines Schienenfahrzeugs. Das Schienenfahrzeug kann als Lokomotive oder Einheit eines Triebzuges ausgebildet sein.

Das Schienenfahrzeug weist einen Stromabnehmer 10 auf, wel ^¬ cher zur Herstellung eines elektrischen Kontakts mit einer Versorgungsleitung einer elektrischen Bahnnetzversorgung 12 vorgesehen ist, aus welcher das Schienenfahrzeug eine für dessen Betrieb notwendige elektrische Energie bezieht. In der gezeigten Ausführung ist die Versorgungsleitung als Oberleitung ausgebildet, wobei weitere Ausführungen, wie insbesonde- re als Stromschiene, denkbar sind. Das Schienenfahrzeug weist ferner eine Schaltungsanordnung 14 auf, die im Betrieb mit dem Stromabnehmer 10 elektrisch verbunden ist und eine elektrische Energie von der Bahnnetzversorgung bezieht. Ein Haupt ^¬ schalter 16 dient zur Herstellung bzw. Trennung der elektri- sehen Verbindung zwischen dem Stromabnehmer 10 und der Schaltungsanordnung 14. Der Stromabnehmer 10 und der Hauptschalter 16 führen die von der Bahnnetzversorgung 12 zur Verfügung gestellte Hochspannung HV. Diese entspricht insbesondere einer Wechselspannung und kann z.B. einen Wert von 15 kV oder 25 kV aufweisen.

Die Hochspannung HV ist vom Hauptschalter 16 bis zur Primärwicklung 18 eines Transformators 20 geführt. Die Sekundär ^¬ wicklung 22 stellt eine gegenüber der Hochspannung HV herun- tertransformierte Spannung V bereit und ist - über einen Ein- gangssteller 24 - mit einem Zwischenkreis 26 elektrisch verbunden. Insbesondere weist der Eingangssteiler 24 einen Vier- quadrantensteller auf, der ausgangseitig eine gleichgerichte ^¬ te Spannung bereitstellt, die im Betrieb der Betriebsspannung V _Z K des Zwischenkreises 26 entspricht. Beispielweise kann die Betriebsspannung V _ZK einen Wert in der Spanne von 500 V bis 700 V haben.

Der Zwischenkreis 26 dient zur Versorgung einer Antriebsein- heit 28 und einer Bordnetzversorgungseinheit 30. Die An ^¬ triebseinheit 28 umfasst zumindest einen Wechselrichter 32, welcher ausgehend von der Betriebsspannung V _ZK des Zwischenkreises 26 in einem Traktionsmodus des Schienenfahrzeugs ei ^¬ nen Antriebsstrom zum Antreiben zumindest eines Fahrmotors 34 erzeugt. Dies erfolgt mittels nicht näher gezeigter Ventil ^¬ elemente einer Leistungselektronik des Wechselrichters 32, die gemäß einer bestimmten Schaltstrategie zur Erzeugung des Antriebsstroms und eines entsprechenden Drehmoments des Fahr- motors 34 geschaltet werden. Der Aufbau und die Funktionswei ^¬ se eines Wechselrichters zum Antreiben eines elektrischen Traktionsmotors sind ausreichend bekannt und werden hier nicht näher erläutert. Der Wechselrichter 32 wird mittels ei- nes nicht näher gezeigten Antriebssteuergeräts des Schienen ^¬ fahrzeugs gesteuert.

In einem Bremsmodus des Schienenfahrzeugs wird eine kineti ^¬ sche Energie der Fahrmotoren 34 in eine elektrische Energie umgewandelt, die über den Wechselrichter 32 zurück in den Zwischenkreis 26 zurückgespeist wird. In diesem Bremsmodus weisen die Fahrmotoren 34 die Funktion einer generatorischen Bremse auf. Diese Energierückspeisung ist in der Zeichnung durch Pfeile E _B schematisch dargestellt. Diese Energie kann im Schienenfahrzeug gespeichert werden und/oder sie kann, wie in der Figur gezeigt, in die Bahnnetzversorgung 12 zurückgespeist werden, indem die in den Zwischenkreis 26 zurückge ^¬ speiste Energie über den Vierquadrantensteller des Eingangs- stellers 24 in den Transformator 20 gespeist wird. Hierbei wird der Vierquadrantensteller mittels einer Steuereinheit 35 gesteuert, die insbesondere Bestandteil des Antriebssteuerge ^¬ räts des Schienenfahrzeugs ist. Der Vierquadrantensteller und die Steuereinheit 35 bilden eine Rückspeiseeinheit 37, welche die Energie des Zwischenkreises 26 über den Transformator 20 in die Bahnnetzversorgung 12 zurückspeist.

Der Zwischenkreis 26 ist außerdem mit einem Umrichter 36 elektrisch verbunden, welcher ausgehend von der Betriebsspannung V _Z K des Zwischenkreises 26 eine oder mehrere Versor- gungsspannungen der Bordnetzversorgungseinheit 30 bereit ^¬ stellt, die für den Betrieb weiterer, von den Fahrmotoren 34 unterschiedlicher elektrischer Verbraucher des Schienenfahrzeugs (auch „Hilfsbetriebe" genannt) geeignet sind. Diese elektrischen Verbraucher können ein Luftkompressor, ein Ver- dichter eines Klimaaggregats, eine Beleuchtungsanlage, eine

Steckdose usw. sein. Insbesondere ist ein als Batterieladege ^¬ rät 38 ausgebildeter Verbraucher in der Zeichnung dargestellt. Das Batterieladegerät 38 dient dazu, eine Bordbatte- rie 40 mit elektrischer Energie zu laden. Mittels der Bord ^¬ batterie 40 können an das Bordnetz angeschlossene Hilfsbe ^¬ triebe mit elektrischer Energie versorgt werden, auch wenn das Schienenfahrzeug von der Bahnnetzversorgung 12 getrennt ist .

Die Versorgungsspannungen der Bordnetzversorgungseinheit 30 sind vorzugsweise als Wechselspannung ausgebildet und können ein- oder dreiphasig ausgebildet sein. Zur Versorgung einer bestimmten Kategorie elektrischer Verbraucher, z.B. zur Versorgung von Klimaaggregaten, kann eine Versorgungsspannung - abhängig von einem aktuellen Leistungsbedarf - einen variablen Spannungswert und/oder eine variable Frequenz aufweisen. Der Transformator 20 kann mittels des Hauptschalters 16 und/oder des Stromabnehmers 10 mit der Bahnnetzversorgung 12 verbunden (erster Betriebsmodus) bzw. von dieser getrennt werden (zweiter Betriebsmodus). Bei einem Einschaltvorgang des Schienenfahrzeugs, insbesondere beim Übergang vom zweiten Betriebsmodus in den ersten Betriebsmodus verursacht die

Netzzuschaltung des Transformators 20 herkömmlicherweise hohe Einschaltströme. Um diese zu reduzieren, insbesondere zu ver ^¬ meiden, erfolgt mittels der gezeigten Schaltungsanordnung 14 eine Aufmagnetisierung bzw. Vorbestromung des Transformators 20, bevor dieser an die Bahnnetzversorgung angeschlossen wird. Dies erfolgt mittels einer Hilfsversorgungseinrichtung 42, mit der vor der Netzzuschaltung des Transformators 20 - d.h. vor dem Übergang in den ersten Betriebsmodus - eine für die Aufmagnetisierung des Transformators 20 notwendige elekt- rische Energie in den Zwischenkreis 26 und von dort in den

Transformator 20 gespeist wird. Diese Energiespeisung ist in der Zeichnung mittels Pfeilen E _A schematisch dargestellt.

Die Vorbestromung des Transformators 20 erfolgt mittels des Vierquadrantenstellers des Eingangsstellers 24, welcher elektrische Energie aus dem Zwischenkreis 26 bezieht. Der Vierquadrantensteller wird, wie oben bereits beschrieben, mittels der Steuereinheit 35 gesteuert. Der Vierquadranten- steller und die Steuereinheit 35 bilden eine Vorbestromung- seinheit 43, die im Betrieb die von der Hilfsversorgungseinrichtung 42 bereitgestellte elektrische Energie des Zwischen ^¬ kreises 26 zum Vorbestromen des Transformators 20 bezieht. Die Vorbestromungseinheit 43 entspricht daher der Rückspeise ^¬ einheit 37.

Die Schaltungsanordnung 14 weist eine Schalteinheit 44 auf, die dazu dient, die Hilfsversorgungseinrichtung 42 mit dem Zwischenkreis 26 für den oben beschriebenen Aufmagnetisie- rungsvorgang des Transformators 20 spannungsführend zu ver ^¬ binden .

Die Hilfsversorgungseinrichtung 42 ist Bestandteil der Bord- netzversorgungseinheit 30 und bezieht im Betrieb eine elekt ^¬ rische Energie aus der Bordbatterie 40. Die Batteriespannung ist eine Gleichspannung, die insbesondere einen Wert von 110 V hat. Die Hilfsversorgungseinrichtung 42 weist einen als Hochsteller ausgebildeten Spannungswandler 46 auf, welcher die Batteriespannung in die höhere Zwischenkreisspannung V _ZK wandelt. Die in der Zeichnung gezeigte Anordnung der Schalt ^¬ einheit 44 zwischen dem Spannungswandler 46 und dem Zwischenkreis 26 ist beispielhaft. Eine alternative Anordnung, z.B. zwischen dem Spannungswandler 46 und der Bordbatterie 40 ist ebenfalls denkbar.

Die Schaltungsanordnung 14 weist ferner eine Synchronisationseinrichtung 48 auf, die dazu dient, die bei der Speisung des Transformators 20 entstehende Spannung der Sekundärwick- lung 22, d.h. die Aufmagnetisierungsspannung, mit der Spannung der Bahnnetzversorgung 12 zu synchronisieren. Die Synchronisationseinrichtung 48 weist einen Netzspannungswandler 50 auf, der die Hochspannung HV heruntertransformiert. Das hierdurch abgetastete Signal wird in einer Recheneinheit 52 analysiert, insbesondere mittels einer Fourier-Analyse, die ein Taktungssignal für den Eingangssteiler 24 erzeugt. Der Eingangssteiler 24 wird hiermit von der Recheneinheit 52 und der mit dieser in Wirkverbindung stehenden Steuereinheit 35 mit der Bahnnetzversorgung 12 synchron getaktet. Die Recheneinheit 35 kann insbesondere Bestandteil des Antriebssteuer ^¬ geräts des Schienenfahrzeugs sein.