DE2815441C2 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanord­ nung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Es ist bekannt, daß auf modernen elektrischen Triebwagen und Lokomotiven Akkumulatoren mitgeführt werden, die als Hilfsbatterien für Steuer- und Beleuchtungszwecke die­ nen. Diese Hilfsakkumulatoren werden ständig über ein mitgeführtes Ladegerät im sogenannten Pufferbetrieb ge­ laden.

Es sind auch Lokomotiven und Triebwagen bekannt, die nur über Antriebs-Akkumulatoren mit elektrischer Energie versorgt werden. Es ist bekannt, diese Antriebs-Akkumu­ latoren, sobald sie entladen sind, gegen frisch geladene Akkumulatoren auszutauschen und diese stationär aufzula­ den. Durch den erforderlichen Austausch der Antriebs-Ak­ kumulatoren ist der Aktionsradius eines solchen Triebfahrzeuges eingeengt, wenn keine Nachladung während des Fahrbetriebs erfolgt.

Es sind auch Fahrdraht-Akkumulator-Triebfahrzeuge be­ kannt, die sowohl aus dem Fahrdraht als auch aus dem Antriebsakkumulator gespeist werden. Der Antriebsakkumu­ lator wird während des Fahrdrahtbetriebes über separate, auf dem Fahrzeug mitgeführte und regelbare Ladegeräte geladen, so daß der Aktionsradius von solchen gemischt versorgten Triebfahrzeugen bei Batteriebetrieb ver­ größert wird. Besonders Grubenlokomotiven, wie die "Sie­ mens-Zeitschrift", Juni 1965, Heft 6, Seite 629, zeigt, werden als gemischt versorgte Triebfahrzeuge ausgebil­ det, wobei der Batteriebetrieb in Schlagwetter gefährde­ ten Bereichen benutzt wird und der Fahrdrahtbetrieb in nicht gefährdeten Bereichen. Je nach Anteil des Fahr­ drahtbetriebes an der gesamten Einsatzzeit kann in gün­ stigen Fällen sogar auf eine stationäre Aufladung der Akkumulatoren verzichtet werden.

Bei dieser bekannten Fahrdraht-Akkumulator-Lokomotive werden bei Fahrdrahtbetrieb die Fahrmotoren aus einer Transformatorwicklung über Gleichrichter gespeist und gleichzeitig über eine weitere Transformatorwicklung das Thyristorladegerät für die Akku-Aufladung während der Fahrt. Bei Akkumulatoren-Betrieb erfolgt die Speisung der Fahrmotoren unmittelbar aus dem Akkumulator. Sowohl bei der stationären Ladung der Austausch-Akkumulatoren als auch bei der Ladung während des Fahrdrahtbetriebes sind separate Ladegeräte für die Antriebs-Akkumulatoren mit allen notwendigen Steuer- und Regelgeräten einge­ setzt.

Weiter sind elektrische Triebwagen und Lokomotiven be­ kannt, die außer einem Versorgugsnetz für die Fahrmoto­ ren ein separates Wechsel- oder Drehstrombordnetz für Hilfsbetriebe besitzen. Zu den Hilfsbetrieben zählen u. a. die Lüfter zur Kühlung von Fahrmotoren und Elektro­ nik, Luftpresser für Bremse oder Türbetätigung, das Lichtnetz, die Steuer- und Regelelektronik und die Lade­ einrichtung für die Hilfsbatterie. Zur Versorgung des Bordnetzes werden statische, selbstgeführte Wechselrich­ ter verwendet. Versorgt der Wechselrichter ein Strom­ bordnetz, so können zum Antrieb der Hilfsbetriebe im Gegensatz zu den früher üblichen Kollektormotoren war­ tungsfreie Drehstrom-Käfigläufermotoren verwendet wer­ den. Die Versorgung des Hilfsbetriebe-Wechselrichters erfolgt bei einer bekannten Ausführung aus einer geson­ derten Wicklung des Fahrzeugtransformators über einen Ladegleichrichter und eine Glättungsdrosselspule, wobei der Ladegleichrichter gleichzeitig die Fahrzeugbatterie lädt. Bei dieser Anordnung liegt somit die Fahrzeugbat­ terie parallel zum Eingang des Hilfsbetriebe-Wechsel­ richters.

Aus der DE-OS 21 32 387 ist eine Stromversorgung für Triebfahrzeuge bekannt, die zwei Bordnetze für Verbrau­ cher unterschiedlicher Leistung besitzt. Hierdurch kann jedes Bordnetz optimal an die auftretende Belastung an­ gepaßt werden.

Aus "Glasers Annalen", Januar 1959, Seite 8 und "Elek­ trische Bahnen, 1958, Heft 1, Seiten 9 bis 11, ist eine weitere Fahrdraht-Akkumulator-Lokomotive bekanntgewor­ den. Bei dieser Lokomotive erfolgt die Stromversorgung über einen Transformator aus der Fahrleitung. Diese Speisespannung wird gleichgerichtet und sowohl den Fahr­ motoren als auch dem Akkumulator zugeschaltet. Je nach dem Ladezustand des Akkumulators kann die volle Trans­ formatorspannung für eine Schnelladung abgegriffen wer­ den oder eine geringere Transformatorspannung für eine Ladung mit herabgesetztem Ladestrom. Beide Ladearten können sowohl in Wartepausen als auch im Fahrbetrieb eingeschaltet werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zum Laden von Antriebs-Akkumu­ latoren auf elektrischen Fahrdraht-Akkumulator-Triebwa­ gen und -Lokomotiven während des Fahrdrahtbetriebes der­ art weiterzubilden, daß das Aufladen der Akkumulatoren ge­ regelt und mit geringerem Aufwand so geschieht, daß die Spannung im Fahrstromkreis dabei unverändert bleibt.

Die Lösung dieser Aufgabe ist im Kennzeichen des An­ spruchs 1 enthalten.

Die im Triebwagen oder der Lokomotive über den Fahrdraht zugeführte Betriebsspannung schwankt je nach Belastung während die Bordnetzspannung auf einen konstanten Wert geregelt sein soll, so daß der die Bordnetzspannung er­ zeugende Hilfsbetriebe-Wechselrichter gut in der Span­ nung verstellbar ist. Diese Spannungsverstellbarkeit wird bei der Erfindung ausgenutzt, um die Bordnetzspan­ nung entsprechend der für die Ladung der Akkumulatoren notwendigen Ladespannung zu regeln. Es hat sich heraus­ gestellt, daß ab einer bestimmten Größe der zu ladenden Akkumulatoren im Verhältnis zur Leistung der sonstigen an das Bordnetz angeschlossenen Hilfsbetriebe diese Lö­ sung wirtschaftliche sowie gewichts- und größenmäßige Vorteile bietet gegenüber der Verwendung eines separaten Ladegerätes.

Mit der Verstellung der Ausgangsspannung am Hilfsbetrie­ be-Wechselrichter entsprechend der Ladespannung der Ak­ kumulatoren verändert sich natürlich auch die den Hilfs­ betrieben zugeführte Spannung. Um zu vermeiden, daß die angeschlossenen Verbraucher, insbesondere die Dreh­ strom-Asynchronmotoren in Sättigung gehen, wird vorzugs­ weise mit der Ausgangsspannung auch die Ausgangsfrequenz so verstellt, daß die Spannungszeitflächen konstant blei­ ben. Die Bordnetzverbraucher sind so auszulegen, daß sie auch bei kleinster Frequenz bereits die notwendige Lei­ stung zur Verfügung stellen. Die dadurch notwendige ge­ ringe Überdimensionierung bei den relativ billigen Dreh­ strommotoren wird bei weiten kompensiert durch die Vor­ teile, die sich durch die Einsparung eines kompletten, regelbaren und separaten Ladegerätes ergibt.

Damit ergeben sich die Vorteile, daß den Akkumulatoren immer die optimale Ladespannung zur Verfügung gestellt wird, daß ein zweites steuer- und regelbares Ladegerät eingespart wird, daß der Aktionsradius einer derart aus­ gerüsteten Lokomotive bei Batteriebetrieb wesentlich vergrößert wird, da eine ständige optimale Nachladung beim Fahrdrahtbetrieb erfolgt, und daß die Fahrdraht­ spannung sowohl Gleich- als auch Wechselspannung sein kann. Falls es sich bei der so ausgerüsteten Lokomotive um eine Grubenlokomotive handelt, kann der Platzbedarf der explosionssicher zu kapselnden Elektronikkomponenten sowie die Verlustleistung dieser Komponenten verringert werden.

Vorzugsweise ist der Hilfsbetriebe-Wechselrichter ein Drehstrom-Wechselrichter. Dadurch ergibt sich die Mög­ lichkeit, die besonders einfach aufgebauten und robusten Drehstrom-Asynchronmotoren in den Hilfsbetrieben einzu­ setzen.

Vorzugsweise wird der Hilfsbetriebe-Wechselrichter beim Betrieb aus dem Fahrdraht mit Dreifach-Taktung, beim Betrieb aus dem Akkumulator mit Grundfrequenztaktung betrieben. Die Dreifach-Taktung ermöglicht eine gute Verstellung der Ausgangsspannung. Beim Betrieb aus dem Akkumulator kommt es dagegen auf eine gute Spannungsaus­ beute an. Aus diesem Grunde wird bei Akkumulatorbetrieb der Hilfsbetriebe-Wechselrichter mit Grundfrequenztak­ tung betrieben, wodurch der Spannungsbereich des Bord­ netzes weiter eingeengt wird. Bezüglich der Taktung von Wechselrichtern wird auf die Zeitschriften "ETZ-A", Band 90 (1969), Heft 14, Seiten 353 bis 357, oder "IEEE Trans. on Industry Applications", Vol. JA-9, July/August 1973, Seiten 482 bis 491, verwiesen.

Vorzugsweise ist im Bordnetz vor den Hilfsbetrieben eine Glättungsdrosselspule angeordnet, die den Speisestrom der Bordnetzverbraucher etwas glättet. Eine Ladestromstromglättungs­ drosselspule ist in die Leitung zwischen dem Ladegleich­ richter und dem Akkumulator eingeschaltet.

Anhand der Zeichnung soll die Erfindung in Form eines Aus­ führungsbeispiels erläutert werden.

Dargestellt ist der elek­ trische Teil einer Fahrdraht-Akkumulator-Lokomotive. Eine Gleichstrom-Fahrleitung 1 speist über einen Stromabnehmer 2, einen Eingangsschütz 3, eine Eingangsdrosselspule 4 und einen Schnellschalter 5 einen Traktionswechselrichter 6 und einen Hilfsbetriebewechselrichter 9. Der Traktionswechsel­ richter 6 formt die Gleichspannung in ein Drehstromsystem mit variabler Frequenz und variabler Spannung entsprechend den Traktionsbedingungen um. Das Drehstromsystem des Wechsel­ richters 6 speist über eine Ausgangsdrosselspule 7 einen Fahrmotor 8.

Die Ladung der Akkumulatoren 16 erfolgt aus dem vom Hilfsbe­ triebewechselrichter 9 erzeugten Drehstrom-Bordnetz 10 über einen einfachen, ungesteuerten Gleichrichter 11, z. B. eine Drehstrom-Gleichrichterbrücke, eine Ladestromglättungsdrossel­ spule 12, einen Schütz 13, der zwischen den Schaltstellungen "Fahren" und "Laden" umschaltet, wobei im vorliegenden Bei­ spiel die Schaltstellung "Laden" gezeichnet ist, und über eine Steckverbindung mit angekoppeltem Schalter 15. Die Kupp­ lung des Schalters 15 mit der Steckverbindung 14 ermöglicht ein Auswechseln der Akkumulatoren 16 bei spannungsfreier Steckverbindung 14, was besonders bei Verwendung der Loko­ motive als Grubenlokomotive vorteilhaft ist.

Eine Meßvorrichtung 17, die beispielsweise wie die in der DE-AS 19 38 076 beschriebene Einrichtung aufgebaut sein kann, mißt den Ladezustand der Akkumulatoren 16 und beeinflußt die Ausgangsspannung und -frequenz des Hilfsbetriebewechsel­ richters 9 so, daß im Bordnetz 10 die erforderliche Lade­ spannung ansteht. Gleichzeitig kann der Ladezustand der Akkumulatoren 16 an einem Anzeigeinstrument 18 angezeigt werden.

Im Bordnetz 10 ist ferner eine Glättungsdrosselspule 19 an­ geordnet, die den in der Leitung 20 zu den (nicht dargestell­ ten) Hilfsbetrieben fließenden Strom etwas glättet, um die Oberschwingungs-Verluste der angeschlossenen Drehstrommotoren zu verringern.

Sobald die Lokomotive aus den Akkumulatoren 16 betrieben werden soll, schaltet der Schütz 13 auf den Betriebszustand "Fahren" und der Hilfsbetriebewechselrichter 9 von Dreifach- Taktung auf Grundfrequenztaktung und damit auf maximal mög­ liche Ausgangsspannung um. Die Meßeinrichtung 17 dient jetzt nur noch dazu, den Ladezustand der Akkumulatoren 16 zu über­ wachen; eine Steuerung der Spannung im Bordnetz 10 entsprechend dem Ladezustand der Akkumulatoren 16 wird im Betriebszustand "Fahren" nicht vorgenommen, da eine Regelung der Bordnetz­ spannung wegen der Grundfrequenztaktung nicht möglich ist. Die Bordnetzspannung ist der Batteriespannung proportional.

Abschließend soll noch erwähnt werden, daß sowohl das erfin­ dungsgemäße Verfahren als auch die zur Durchführung dieses Verfahrens geeignete Vorrichtung auch dann funktionieren, wenn der Fahrdraht nicht wie im vorgestellten Beispiel mit Gleichspannung, sondern mit Wechselspannung gespeist ist. Gleichrichterschaltungen, die die Fahrdrahtspannung an die sowohl vom Traktionswechselrichter als auch vom Hilfsbe­ triebewechselrichter benötigten Eingangsspannungen anpassen, sind bekannt.

Claims (5)

1. Schaltungsanordnung zum Aufladen von Antriebsak­ kumulatoren auf elektrischen Fahrdraht-Akkumulator- Triebwagen und -Lokomotiven während des Fahrdrahtbetrie­ bes, die einen Gleichspannungs-Fahrstromkreis und ein separates Wechselspannungs- oder Drehspannungs-Bordnetz für Hilfsbetriebe besitzen, welches über einen Hilfsbe­ triebe-Wechselrichter aus dem Gleichspannungs-Fahrstrom­ kreis gespeist wird, und mit einem Schaltschütz, das die Antriebs-Akkumulatoren mit dem Gleichspannungs-Fahr­ stromkreis zum Laden und Fahren verbindet, wobei die Antriebs-Akkumulatoren zum Fahren unmittelbar mit dem Fahrstromkreis verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltschütz (13) als Umschaltschütz ausgebildet ist, das die Antriebs-Akkumulatoren (15) in der Um­ schaltstellung mit dem Ausgang eines ungesteuerten Gleichrichters (11) zum Laden verbindet, wobei der unge­ steuerte Gleichrichter aus dem Bordnetz (10) für Hilfs­ betriebe gespeist wird und daß in der Stellung Laden die Ausgangsspannung des Hilfsbetriebs-Wechselrichters (9) für das Bordnetz entsprechend der notwendigen Akku-Lade­ spannung und die Ausgangsfrequenz des Hilfsbetriebe- Wechselrichters (9) entsprechend der Ausgangsspannung über eine an sich bekannte Einrichtung zur Bestimmung des Ladezustandes (17) die Antriebs-Akkumulatoren gere­ gelt wird.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Spannung des Bordnetzes (10, 20) auch dessen Frequenz so verstellt wird, daß die Spannungszeitflächen konstant bleiben.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 und 2, ge­ kennzeichnet durch einen Hilfsbetriebe-Wechselrichter (9) mit Dreifach-Taktung bei Betrieb aus dem Fahrdraht (1) und Grundfrequenztaktung bei Betrieb aus dem Akkumu­ lator.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 und einem der Ansprüche 2 bis 3, gekennzeichnet durch eine Glät­ tungsdrosselspule (19) im Bordnetz vor den Hilfsbetrie­ ben.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 und einem der Ansprüche 2 bis 4, gekennzeichnet durch eine Lade­ stromglättungsdrosselspule (12), die dem Ladegleichrich­ ter (11) nachgeschaltet ist.