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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schalten einer
Transformatoreinrichtung eines Schienenfahrzeugs an eine Wechselspannung liefernde
Energieversorgungseinrichtung eines Bahnstromnetzes, bei dem die
Transformatoreinrichtung durch Schließen einer Schalteinrichtung
zu einem Einschaltzeitpunkt mit der Energieversorgungseinrichtung
verbunden wird, wobei die Schalteinrichtung zwischen die Energieversorgungseinrichtung und
eine Primärseite eines magnetischen Kreises der Transformatoreinrichtung
geschaltet wird und ein Verbraucher elektrischer Energie auf eine
Sekundärseite des magnetischen Kreises der Transformatoreinrichtung
schaltbar ist und der Einschaltzeitpunkt in Abhängigkeit
von einem zeitlichen Verlauf der Wechselspannung bestimmt wird.
Sie betrifft weiterhin eine entsprechende Energiezufuhreinrichtung
zu einer Transformatoreinrichtung, die insbesondere für
den Einsatz bei einem Schienenfahrzeug geeignet ist. Weiterhin betrifft
sie ein Schienenfahrzeug mit einer solchen Energiezufuhreinrichtung.
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Bei
Schienenfahrzeugen, welche die zu ihrem Betrieb erforderliche Energie über
eine Wechselspannung liefernde Energieversorgungseinrichtung (beispielsweise
ein einphasiges Wechselspannungsnetz) beziehen, ist es in der Regel
erforderlich, die Energieversorgung über eine separate
Schalteinrichtung definiert an- und abschalten zu können.
So ist beispielsweise zur Versorgung elektrischer Antriebsanlagen
auf Schienenfahrzeugen häufig vorgesehen, dass diese aus
der Oberleitung eines Bahnnetzes (insbesondere über einen
Haupttransformator aus einem einphasigen Wechselspannungsnetz mit
15 kV/16,7 Hz oder mit 25 kV/50 Hz) gespeist werden.
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Zum
definierten Zu- und Abschalten der Versorgungsspannung dienen bei
diesen Fahrzeugen elektrische Schaltgeräte (häufig
Schaltgeräte mit Vakuum-Schaltkammern), die in der Regel
als Fahrzeug-Hauptschalter bezeichnet werden. Für den Schaltvorgang
wertet eine dem Hauptschalter übergeordnete Steuerung typischerweise
eine Anzahl von Informationen aus, sodass erst beim Vorliegen genau
definierter Zustände, mithin also zu einem definierten
Einschaltzeitpunkt ein Zuschalten der Oberleitungsspannung auf den
Haupttransformator erfolgt. Ebenso realisiert die Steuerung des
Hauptschalters in der Regel eine komplexe Schutzfunktion für
die Komponenten der Antriebseinrichtung beim Abschalten der Versorgungsspannung.
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Dieses
Zuschalten der Versorgungsspannung zu einem definierten Einschaltzeitpunkt
in Bezug auf den zeitlichen Verlauf der Netzspannung wird als netzsynchrones
Zuschalten bezeichnet. Ebenso spricht man von einem netzsynchronen
Abschalten, wobei man außer auf die Phasenlage der Netzspannung
auch auf die Phasenlage des Netzstromes synchronisieren kann.
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Während
bei Energieversorgern im Mittel- und Hochspannungsbereich bereits
seit geraumer Zeit entsprechende Verfahren zum netzsynchronen Zu-
und Abschalten angewendet werden, kommt es bei der Energieversorgung
in Schienenfahrzeugen zu folgendem Zielkonflikt:
Erfolgt das
Einschalten der Energieversorgung in der Nähe des Maximums
der Versorgungsspannung, kommt es unmittelbar vor dem Schließen
der Kontakte des Schaltgerätes zu sogenannten Vorzündungen, die
sehr steilflankige, hochfrequente Spannungssprünge generieren.
Diese Spannungssprünge können die Isolierung elektrischer
Komponenten schädigen, im hochfrequenten Bereich arbeitende
signaltechnische Anlagen stören sowie zum Abschalten des
Schienenfahrzeuges führen.
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Erfolgt
das Einschalten der Energieversorgung hingegen in der Nähe
des Spannungs-Nulldurchgangs der Versorgungsspannung, resultieren hohe
Einschaltströme des Traktionstransformators. Diese sogenannten
Inrush-Ströme beruhen auf der Sättigung des magnetischen
Kreises des eingeschalteten Traktionstransformators. Sie weisen
einen hohen Gleichstromanteil sowie geradzahlige Harmonische der
Netzspannungs-Grundfrequenz auf (insbesondere 100 Hz bei einer Grundfrequenz
von 50 Hz). Bahntechnische Signalanlagen, die in einem solchen Frequenzbereich
betrieben werden, können hierdurch in ihrer Funktion gestört
werden. Weiterhin kann es in diesem Fall dazu kommen, dass Überwachungsschaltungen
auf dem Schienenfahrzeug (sogenannte Störstromwächter),
die niederfrequente Störströme detektieren sollen,
durch die hohen Einschaltströme zum Ansprechen gebracht
werden und zum Abschalten des Schienenfahrzeuges führen.
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Im
Schienenfahrzeugbau wird derzeit versucht, diesen Zielkonflikt zu
lösen, indem man sich auf die Reduzierung der Inrush-Ströme
konzentriert und bewusst das Zuschalten des Traktionstransformators
auf den Scheitelwert der Netzspannung synchronisiert, mithin also den
Einschaltzeitpunkt in den Bereich des Zeitpunktes liegt, an dem
der Betrag der Versorgungsspannung einen Maximalwert erreicht. Die
Hochspannungsanlagen auf dem Schienenfahrzeug werden hierzu mit
zusätzlichen Filterelementen ausgerüstet, um ihre
Komponenten vor den auftretenden steilflankigen Spannungsimpulsen
zu schützen.
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Dies
führt dazu, dass Transformatoren, insbesondere Haupt- oder
Traktionstransformatoren im Bereich höherer Leistungen,
mit zusätzlichem technischem Aufwand gefertigt werden müssen,
um die gewünschte Begrenzung des maximalen Einschaltstromes
zu erreichen. Die dafür verantwortliche Sättigung
des magnetischen Kreises wird reduziert, indem zusätzliches
Kernmaterial verwendet wird und somit eine geringere magnetische
Ausnutzung erreicht wird. Durch Luftspalte im Magnetkreis kann der Einfluss
des Restmagnetismus (der so genannten Remanenz, die häufig
auch als magnetische Remanenz bzw. Remanenzflussdichte bezeichnet
wird) weiter verringert werden. Aus allen diesen Maßnahmen
resultieren jedoch eine höhere Masse, ein höheres
Volumen, höhere Kosten, höhere Magnetisierungsverluste
sowie insgesamt ungünstigere Eigenschaften des magnetischen
Kreises des Transformators. Zudem müssen Störstromwächter
auf dem Schienenfahrzeug für den Zeitraum des Einschaltens überbrückt
bzw. in ihrer Empfindlichkeit herabgesetzt werden, um ihr Ansprechen
beim Einschalten zu verhindern.
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In
der
DE 27 46 845 A1 wird
für eine Energieversorgung mit vergleichsweise geringer
Versorgungsspannung eine Schalteinrichtung beschrieben, bei der
mit ständigem Phasenanschnitt während der Startzeit
die Durchlasswinkel der Spannung von kleinen Werten zu großen
hin langsam verschoben werden. Diese Vorrichtung weist den Nachteil
auf, dass der Transformator durch die Remanenz seines magnetischen
Kreises trotz Phasenanschnitt über mehrere Perioden der
Netzspannung in die Sättigung kommen kann, was nach wie
vor hohe Stromspitzen zur Folge hat.
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In
der
DE 40 19 592 A1 wird
für eine Energieversorgung mit vergleichsweise geringer
Versorgungsspannung ein Verfahren vorgestellt, bei dem ein Wechselspannungs-Halbleiterschalter
einen Transformator mit Spannungsimpulsen solcherart versorgt, dass über
mehrere Perioden der Netzspannung zunehmend größere
Spannungsimpulse einer auf den Transformator gegeben werden. Überschreitet
der Strom einen definierten Grenzwert, knapp bevor der Transformator
in die Sättigung kommt, wird die volle Netzspannung mit
entgegengesetzter Polarität zur Magnetisierung des Transformators
angelegt.
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In
der
EP 0 575 715 A2 wir
für eine Energieversorgung mit vergleichsweise geringer
Versorgungsspannung ein Verfahren beschrieben, bei dem die Vormagnetisierung
des Transformators zu Einschaltbeginn durch Impulse nur einer Polarität
in eine definierte Richtung gebracht wird. Nach einer vorbestimmten
Anzahl von Pulsen oder bei Detektieren der Sättigung wird
der Transformator zu Beginn einer entgegengesetzt gerichteten Spannungshalbwelle voll
eingeschaltet.
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Die
drei letztgenannten Verfahren werden jeweils unter Verwendung von
Halbleiterschaltern realisiert, welche für die Energieversorgung
mit vergleichsweise geringer Versorgungsspannung ohne weiteres zur
Verfügung stehen. Bei hohen Versorgungsspannungen, wie
sie typischerweise für die Energieversorgung von Schienenfahrzeugen
verwendet werden müssen, besteht jedoch das Problem, dass derzeit
keine geeigneten Halbleiter verfügbar sind, die über
eine hinreichende Spannungsfestigkeit für die hohe Primärspannung
(beispielsweise 15 kV bzw. 25 kV) verfügen, sodass der
Einsatz dieser Verfahren im Bereich von Versorgungsspannungen oberhalb von
10 KV nur mit unverhältnismäßig hohem
Aufwand möglich ist.
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In
der
EP 1 024 574 B1 werden
schließlich Verfahren zum Zuschalten eines Transformators
an ein Wechselspannungsnetz beschrieben, bei der ein sekundärseitig
des Transformators befindlicher selbstgeführter Stromrichter
vor dem Zuschalten des Fahrzeughauptschalters eine gezielte Magnetisierung
des Transformators vornimmt. Nachteil dieses Verfahrens ist, dass
hierzu zum einen eine hinreichend leistungsfähige Energiequelle
zum Aufladen des sekundärseitigen Zwischenkreises für
die Aufmagnetisierung benötigt wird. Zudem wird der fehlende
Einfluss des führenden Netzes auf die Spannungen an jeder
einzelnen Sekundärwicklung und die daran angeschlossenen
Verbraucher nicht betrachtet. Zwei weitere Verfahren lassen den
Inrush-Strom zu und zielen auf einen aktiven Abbau des darin enthaltenen
Gleichanteils ab.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt vor diesem Hintergrund die Aufgabe
zu Grunde, ein Verfahren, eine Energiezufuhreinrichtungen sowie
ein Schienenfahrzeug der eingangs genannten Art zur Verfügung
zu stellen, welche die oben genannten Nachteile nicht oder zumindest
in geringerem Maße aufweisen und insbesondere Reduzierung
der unerwünschten Effekte beim Zuschalten des Verbrauchers
bei einfacher und kostengünstiger Gestaltung der Komponenten
der Energiezufuhreinrichtung ermöglichen.
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Die
vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe ausgehend von
einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1 durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen
Merkmale. Sie löst diese Aufgabe weiterhin ausgehend von einer
Energiezufuhreinrichtung gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 11 durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs
11 angegebenen Merkmale.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die technische Lehre zu Grunde, dass
man eine Reduzierung der unerwünschten Effekte beim Zuschalten
der Transformatoreinrichtung bei einfacher und kostengünstiger
Gestaltung der Komponenten der Energiezufuhreinrichtung erzielt,
wenn ein zuvor erfasste Information über die unmittelbar
vor dem Einschaltzeitpunkt vorliegende aktuelle Remanenz des magnetischen
Kreises verwendet wird, um den Einschaltzeitpunkt für die
verwendete Schalteinrichtung zu bestimmen. Dank der Verwendung dieser
(im Folgenden Remanenzinformation genannten) Information über
die aktuelle Remanenz des magnetischen Kreises ist es möglich,
den Einschaltzeitpunkt so zu wählen, dass sich in dem magnetischen
Kreis des Transformators durch den Energiefluss nach dem Einschalten
ein magnetischer Fluss mit einer Polarität aufbaut, die
der Polarität einer in dem magnetischen Kreis gegebenenfalls
vorhandenen Remanenz entgegengesetzt ist, sodass es zumindest zu
einer deutlichen Reduzierung der Inrush-Ströme kommt.
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Mit
der vorliegenden Erfindung ist es mit anderen Worten gegenüber
den für den hier zu betrachtenden Bereich hoher Spannungen
bekannten Verfahren (bei denen eine Synchronisation auf den Spannungsverlauf
erfolgt) also möglich, in vorteilhafter Weise zu einem
schnellen Erreichen eines eingeschwungenen Zustands des magnetischen
Kreises zu kommen.
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Eine
hohe Remanenz des magnetischen Kreises des Transformators ist hierbei
von Vorteil für die Effizienz des beschriebenen Verfahrens,
da gegebenenfalls eine maximale gegenseitige Kompensation (bis hin
zu einer vollständigen gegenseitigen Kompensation) der
Remanenz und des sich durch den Energiefluss aufbauenden magnetischen
Flusses erzielt werden kann. Demgemäß können
Einschaltströme (Inrush-Ströme) zumindest wirkungsvoll
reduziert, gegebenenfalls sogar vollständig verhindert
werden.
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Mit
der vorliegenden Erfindung können zudem durch ein Einschalten
weit vor dem Spannungsmaximum der Versorgungsspannung steilflankige Spannungsimpulse
effektiv in ihrer Amplitude begrenzt werden. Eine mögliche
negative Beeinflussung signaltechnischer Bahnanlagen kann hierdurch effektiv
vermieden werden. Weiterhin kann eine mögliche negative
Beeinflussung von gegebenenfalls verwendeten Störstromwächtern
vermieden werden.
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Schließlich
ist es mit der vorliegenden Erfindung (dank der bevorzugt hohen
Remanenz) in vorteilhafter Weise möglich, die Gestaltung
des Transformators bezüglich seiner Masse, seines Volumens und
damit seiner Kosten zu optimieren.
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Die
vorliegende Erfindung entfaltet ihre positive Wirkung nicht nur
im Zusammenhang mit einer gezielten (netzsynchronen) betrieblichen
Abschaltung des Verbrauchers zu einem definierten Ausschaltzeitpunkt.
Vielmehr ist dies auch für zufällige, nicht-synchronisierte
Schutzabschaltungen (beispielsweise im Fall einer Fehlfunktion einer
der Komponenten der Energieversorgung) der Fall. So müssen
die Komponenten der Energieversorgung anders als bei den bekannten
Verfahren lediglich auf den ungünstigsten Fall ausgelegt
sein, dass eine solche zufällige Abschaltung zu einem Zeitpunkt
geschieht, aus dem eine vollständige Entmagnetisierung
des magnetischen Kreises des Transformators (mithin also eine Remanenz
mit dem Wert Null) resultiert. Anders als bei den bekannten Verfahren
kann es also hier im ungünstigsten Fall beim Einschalten
nicht zu einer Addition der Remanenz und des aus dem Energiefluss
resultierenden magnetischen Fluss kommen, sondern es kann schlimmstenfalls
lediglich zu dem rein aus dem Energiefluss (nach dem Einschalten)
resultierenden maximalen magnetischen Fluss in dem magnetischen
Kreis kommen.
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Die
vorliegende Erfindung lässt sich grundsätzlich
mit der Aufschaltung eines beliebigen Verbrauchers auf eine Energieversorgung
mit Wechselspannung beliebiger Amplitude einsetzen. Besonders vorteilhaft
ist die Anwendung der Erfindung im Zusammenhang mit Wechselspannung
in vergleichsweise hohe Amplitude, wie sie beispielsweise bei der Energieversorgung
von Schienenfahrzeugen erforderlich sind. Die Amplitude der primärseitigen
Wechselspannung liegt daher bevorzugt oberhalb von 10 kV, weiter
vorzugsweise mindestens bei 15 kV.
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Gemäß einem
Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung daher ein Verfahren zum
Schalten einer Transformatoreinrichtung eines Schienenfahrzeugs an
eine Wechselspannung liefernde Energieversorgungseinrichtung eines
Bahnstromnetzes, bei dem die Transformatoreinrichtung durch Schließen
einer Schalteinrichtung zu einem Einschaltzeitpunkt mit der Energieversorgungseinrichtung
verbunden wird. Die Schalteinrichtung wird zwischen die Energieversorgungseinrichtung
und eine Primärseite eines magnetischen Kreises der Transformatoreinrichtung
geschaltet, während ein Verbraucher elektrischer Energie
auf eine Sekundärseite des magnetischen Kreises der Transformatoreinrichtung
schaltbar ist. Der Einschaltzeitpunkt wird in Abhängigkeit
von einem zeitlichen Verlauf der Wechselspannung bestimmt. Der Einschaltzeitpunkt
wird unter Verwendung einer Remanenzinformation bestimmt, wobei
die Remanenzinformation für eine aktuelle Remanenz des
magnetischen Kreises unmittelbar vor dem Einschaltzeitpunkt repräsentativ
ist.
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Um
die oben beschriebene zumindest teilweise wechselseitige Kompensation
der Remanenz und des sich durch den Energiefluss aufbauenden magnetischen
Feldes zu erzielen, ist bevorzugt vorgesehen, dass der Einschaltzeitpunkt
im Fall eines von dem Wert Null abweichenden Betrags der aktuellen
Remanenz in Abhängigkeit von einer ersten Polarität
der aktuellen Remanenz bestimmt wird, wobei sich nach dem Einschaltzeitpunkt
durch einen Energiefluss aus der Energieversorgungseinrichtung in dem
magnetischen Kreis ein magnetischer Fluss mit einer zweiten Polarität
aufbaut. Der Einschaltzeitpunkt wird derart bestimmt, dass die zweite
Polarität zu der ersten Polarität entgegengesetzt
ist und sich demgemäß die vorteilhafte, zumindest
teilweise wechselseitige Kompensation ergibt.
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Hierbei
kann es für eine zufrieden stellende Reduktion der Einschaltströme
(Inrush-Ströme) und ihrer unerwünschten Auswirkungen
ausreichen, nur eine teilweise wechselseitige Kompensation der aktuellen
Remanenz und des sich durch den Energiefluss aufbauenden magnetischen
Feldes zu erzielen. Vorzugsweise erfolgt jedoch eine im Wesentlichen
vollständige wechselseitige Kompensation. Demgemäß ist
bevorzugt vorgesehen, dass sich nach dem Einschaltzeitpunkt in dem
magnetischen Kreis bei einem maximalen Betrag der Wechselspannung
ein erster magnetischer Fluss aufgebaut hat und der Einschaltzeitpunkt
derart bestimmt wird, dass die aktuelle Remanenz durch den ersten
magnetischen Fluss im Wesentlichen aufgehoben wird. Hierdurch wird
in vorteilhafter Weise eine besonders schnelle magnetische Synchronisation
erzielt und es werden damit Sättigungseffekte mit erheblichen Gleichanteilen
im Stromverlauf vermieden.
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Die
Remanenzinformation kann grundsätzlich auf beliebige geeignete
Weise ermittelt werden. Beispielsweise kann sie anhand der Erfassung
einer oder mehrerer Messgrößen (die beispielsweise
für Ströme, Spannungen, elektrische oder magnetische Felder
etc. im Bereich des magnetischen Kreises repräsentativ
sind) ermittelt werden, welche einen Rückschluss auf die
tatsächliche aktuelle Remanenz zulassen, die unmittelbar
vor dem Einschaltzeitpunkt vorliegt. Ebenso kann aber auch ein rein
theoretischer Ansatz verwendet werden, um beispielsweise anhand
eines mathematischen Modells des magnetischen Kreises Rückschlüsse
auf die Remanenz zu ziehen. Ebenso können natürlich
beliebige Kombinationen dieser beiden Ansätze verwendet
werden. Insbesondere können zeitabhängige Modelle
verwendet werden, welche die Änderung der Remanenz über die Zeit
seit der letzten Abschaltung (gegebenenfalls in Abhängigkeit
von Umwelteinflüssen wie Temperatur etc.) berücksichtigen.
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Hierbei
versteht es sich, dass bei der Ermittlung der Remanenzinformation
in einfacher Weise beliebige geeignete konstruktive Merkmale (z.
B. konstruktive Daten des Transformatorkerns, magnetische Eigenschaften
des verwendeten Kernmaterials etc.) des magnetischen Kreises zur
Ermittlung der Remanenzinformation herangezogen werden können.
Ebenso können diese konstruktionsbedingten Informationen
aber auch erst später bei der Ermittlung des Einschaltzeitpunktes
herangezogen werden.
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Weiterhin
kann die Remanenzinformation grundsätzlich zu beliebigen
geeigneten Zeitpunkten vor dem Einschaltzeitpunkt ermittelt werden.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Remanenzinformation bei einem
dem Schließen der Schalteinrichtung unmittelbar vorangehenden Öffnen
der Schalteinrichtung (also dem zeitlich letzten Öffnen
vor dem aktuellen Schließen) ermittelt wird. Aus den zu
diesem Ausschaltzeitpunkt der Schalteinrichtung vorliegenden Größen
lässt sich die Remanenzinformation dann gegebenenfalls
auf besonders einfache Weise ermitteln (gegebenenfalls unter Verwendung
der oben genannten zeitabhängigen Modelle). Die Remanenzinformation
kann in einem entsprechenden Speicher einer Steuereinrichtung der
Schalteinrichtung abgelegt werden und später zur Ermittlung
des Einschaltzeitpunkts aus diesem Speicher ausgelesen werden.
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Die
Remanenzinformation kann wie erwähnt auf beliebige geeignete
Art ermittelt werden. Bevorzugt wird die Remanenzinformation unter
Verwendung einer Polarität und/oder einer Amplitude eines Stromflusses
in der Transformatoreinrichtung, insbesondere eines Stromflusses
in der Primärseite der Transformatoreinrichtung, zum Zeitpunkt
des Öffnens der Schalteinrichtung (also dem Ausschaltzeitpunkt
der Schalteinrichtung) ermittelt wird. Hieraus lässt sich
besonders einfache Weise eine entsprechend aussagekräftige
und einfach bei der Bestimmung des Einschaltzeitpunkts verwendbare
Remanenzinformation gewinnen.
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Das Öffnen
der Schalteinrichtung kann grundsätzlich in einem beliebigen
Betriebszustand der Energieversorgung, insbesondere des Verbrauchers,
erfolgen. Vorzugsweise erfolgt das Öffnen der Schalteinrichtung
bei sekundärseitig abgetrenntem Verbraucher. Dies hat den
Vorteil, dass sich der Transformator dann in einem lastfreien Zustand
befindet. Bei einem verlustarmen, lastfrei bzw. leer laufenden Transformator
beträgt die Phasenverschiebung zwischen angelegter Netzspannung
und Leerlaufstrom annähernd 90°, wobei die Spannung
dem Strom voreilt. Beim Öffnen der Schalteinrichtung im Bereich
des Spannungsnulldurchgangs hat der Leerlaufstrom dann sein Maximum.
Die Amplitude des Leerlaufstroms ist dann klein im Vergleich zum
Nennstrom unter Last.
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Im
Ausschaltzeitpunkt hat der Transformatorkern hierbei dann die maximale
magnetische Energie gespeichert, was wie oben erläutert
von besonderem Vorteil ist. Mit dem Öffnen der Kontakte
der Schalteinrichtung bildet sich ein Lichtbogen, der den kleiner
werdenden Strom bis nahe zum natürlichen Stromnulldurchgang
leitet. Durch die bis dahin vergehende Zeit sind die Kontakte des
Schalters dann bereits soweit geöffnet, dass kein erneutes
Zünden der Schaltstrecke beim Anstieg der Spannung nach
deren Nulldurchgang auftritt.
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Insbesondere
bei der bevorzugten Verwendung von Vakuum-Schaltern kann das erfindungsgemäße
Verfahren bedingt durch die für Vakuum-Schalter typische
sehr schnelle Wiederverfestigung der Schaltstrecke (die typischerweise
im Bereich weniger Mikrosekunden liegt) sinnvoll über einen
weiten Bereich um das Maximum des Leerlaufstromes angewendet werden.
Mithin ist also für die Wirksamkeit des erfindungsgemäßen
Verfahrens kein hochpräzises Abschalten durch die Schalteinrichtung
erforderlich.
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Vorzugsweise
erfolgt das Öffnen der Schalteinrichtung im Bereich eines
Phasenwinkels von höchstens 60° um einen Nulldurchgang
der Wechselspannung und/oder ein primärseitiges Strommaximum,
vorzugsweise im Bereich eines Phasenwinkels von höchstens
30° um den Nulldurchgang der Wechselspannung und/oder das
primärseitige Strommaximum, weiter vorzugsweise im Wesentlichen
in dem Nulldurchgang der Wechselspannung und/oder in dem primärseitigen
Strommaximum, erfolgt.
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Bei
weiteren bevorzugten Varianten des erfindungsgemäßen
Verfahrens ist vorgesehen, dass das Öffnen der Schalteinrichtung
zu einem Zeitpunkt erfolgt, aus dem ein Wert der Remanenz resultiert, der
wenigstens 60% der in einem Normalbetrieb des magnetischen Kreises
bei der Wechselspannung maximal möglichen Remanenz beträgt,
vorzugsweise wenigstens 80% der in einem Normalbetrieb des magnetischen
Kreises bei der Wechselspannung maximal möglichen Remanenz
beträgt. Hiermit lässt sich eine besonders günstige,
weit gehende wechselseitige Kompensation der Remanenz und des sich infolge
des Energieflusses aufbauenden magnetischen Flusses erzielen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren lässt sich wie
erwähnt im Zusammenhang mit beliebigen Anwendungen bei
der Energieversorgung einer Komponente eines Schienenfahrzeugs einsetzen.
Vorzugsweise findet es bei der Energieversorgung einer Traktionseinrichtung
eines Schienenfahrzeugs Anwendung, da seine Vorteile hier besonders
weit gehend zum Tragen kommen.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft gemäß einem weiteren
Aspekt eine Energiezufuhreinrichtung zu einer Transformatoreinrichtung
eines Schienenfahrzeugs mit einer Schalteinrichtung zum Schalten der
Transformatoreinrichtung an eine Wechselspannung liefernde Energieversorgungseinrichtung
eines Bahnstromnetzes. Die Transformatoreinrichtung ist durch Schließen
der Schalteinrichtung zu einem Einschaltzeitpunkt mit der Energieversorgungseinrichtung
verbindbar, wobei die Schalteinrichtung zwischen die Energieversorgungseinrichtung
und eine Primärseite eines magnetischen Kreises der Transformatoreinrichtung
schaltbar ist und ein Verbraucher elektrischer Energie auf eine
Sekundärseite des magnetischen Kreises der Transformatoreinrichtung schaltbar
ist. Die Schalteinrichtung ist dazu ausgebildet, den Einschaltzeitpunkt
in Abhängigkeit von einem zeitlichen Verlauf der Wechselspannung
zu bestimmen, wobei die Schalteinrichtung den Einschaltzeitpunkt
unter Verwendung einer Remanenzinformation, insbesondere einer in
der Schalteinrichtung gespeicherten Remanenzinformation, bestimmt,
die für eine aktuelle Remanenz des magnetischen Kreises
unmittelbar vor dem Einschaltzeitpunkt repräsentativ ist.
Mit dieser Energiezufuhreinrichtung lassen sich die oben im Zusammenhang
mit dem erfindungsgemäßen Verfahren geschilderten
Varianten und Vorteile in demselben Maße realisieren, sodass diesbezüglich
auf die obigen Ausführungen verwiesen wird.
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Weiterhin
betrifft die vorliegende Erfindung ein Schienenfahrzeug mit einem
Verbraucher elektrischer Energie, insbesondere einer elektrischen
Traktionseinrichtung als Verbraucher, und einer erfindungsgemäßen
Energiezufuhreinrichtung, wobei die Schalteinrichtung zwischen die
Energieversorgungseinrichtung und die Primärseite eines
magnetischen Kreises der Transformatoreinrichtung geschaltet ist und
der Verbraucher auf der Sekundärseite des magnetischen
Kreises der Transformatoreinrichtung geschaltet ist. Mit diesem
Schienenfahrzeug lassen sich die oben im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen
Verfahren geschilderten Varianten und Vorteile ebenfalls in demselben
Maße realisieren, sodass auch diesbezüglich auf
die obigen Ausführungen verwiesen wird.
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Weitere
bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen
bzw. der nachstehenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele,
welche auf die beigefügten Zeichnungen Bezug nimmt. Es
zeigen:
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1 eine
schematische Schnittansicht einer bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Schienenfahrzeugs mit einer
bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Energiezufuhreinrichtung, mit dem eine bevorzugte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens durchgeführt
werden kann;
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2 ein
Ablaufdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens, welches mit dem Schienenfahrzeug aus 1 durchgeführt
werden kann.
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Im
Folgenden wird unter Bezugnahme auf die 1 und 2 ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Schienenfahrzeugs 101 beschrieben, welches eine bevorzugte
Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Energiezufuhreinrichtung 102 umfasst.
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Die 1 zeigt
eine stark schematisierte Seitenansicht eines Teils des Schienenfahrzeugs 101.
Das Fahrzeug 101 umfasst ein Fahrzeuggehäuse in
Form eines Wagenkastens 101.1, der an seinem vorderen Ende
auf einem Fahrwerk in Form eines Drehgestells 101.2 abgestützt
ist. Das (in 1 nicht dargestellte) andere
Ende des Wagenkastens 101.1 ist auf einem weiteren Fahrwerk,
beispielsweise einem weiteren Drehgestell abgestützt.
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Das
Fahrzeug 101 weist eine (stark schematisiert dargestellte)
elektrische Antriebsanlage 101.3 auf, welche die Räder
des Drehgestells 101.2 antreibt. Die Antriebsanlage 101.3 wird
aus der Oberleitung 103 eines Bahnnetzes mit elektrischer
Energie in Form einer Wechselspannung versorgt. Im vorliegenden
Beispiel handelt es sich bei dem Bahnnetz um ein einphasiges Wechselspannungsnetz
mit einer Wechselspannung von 15 kV bei 16,7 Hz. Alternativ kann
auch ein einphasiges Wechselspannungsnetz mit einer Wechselspannung
von 25 kV bei 50 Hz zum Einsatz kommen. Ebenso versteht es sich,
dass grundsätzlich auch beliebige andere Wechselspannungsnetze
für die Energieversorgung verwendet werden können.
Insbesondere können für andere Anwendungen auch
mehrphasige Wechselspannungsnetze zum Einsatz kommen.
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Die
Antriebsanlage 101.3 umfasst neben der Energiezufuhreinrichtung 102 einen
oder mehrere Antriebsmotoren einer Traktionseinrichtung 104,
welche die Räder des Drehgestells 101.2 antreiben
und somit Verbraucher elektrischer Energie im Sinne der vorliegenden
Erfindung darstellen. Die Energiezufuhreinrichtung 102 umfasst
einen Stromabnehmer 102.1, über den die elektrische
Energie aus der Oberleitung 103 entnommen wird. Weiterhin
umfasst die Energiezufuhreinrichtung 102 eine Schalteinrichtung 102.2,
die zwischen den Stromabnehmer 102.1 und die Primärseite
eines Transformators 102.3 der Energiezufuhreinrichtung 102 geschaltet
ist. Zwischen die Sekundärseite des Transformators 102.3 und
die Traktionseinrichtung 104 ist eine Zwischenkreiseinrichtung 102.4 geschaltet,
aus der die Traktionseinrichtung 104 in hinlänglich
bekannter Weise gespeist wird, sodass hierauf an dieser Stelle nicht näher
eingegangen werden soll.
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Die
Schalteinrichtung 102.2 dient nach Art eines Fahrzeug-Hauptschalters
dazu, den übrigen Teil der Antriebsanlage 101.3 (und
damit den Verbraucher) zu einem definierten Einschaltzeitpunkt mit
der Energieversorgung aus dem Wechselspannungsnetz 103 zu
verbinden bzw. diese Verbindung zu einem definierten Ausschaltzeitpunkt
zu trennen. Hierzu umfasst die Schalteinrichtung wenigstens einen Schalter 102.5,
der im vorliegenden Beispiel nach Art eines Vakuum-Schalters ausgebildet
ist. Es versteht sich jedoch, dass bei anderen Varianten der Erfindung,
insbesondere bei Anwendungen mit anderen Spannungsniveaus der Wechselspannung,
auch beliebige andere für die jeweilige Anwendung geeignete
Schalter verwendet werden können.
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Zum
Schließen bzw. Trennen der Verbindung zwischen dem Bahnnetz 103 und
dem Verbraucher 104 wird der Schalter 102.5 durch
eine Steuereinrichtung in Form einer Steuerung 102.6 gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens angesteuert, wie dies im Folgenden unter Bezugnahme auf
die 1 und 2 näher beschrieben
wird.
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Wie 1 weiterhin
zu entnehmen ist, ist die Zwischenkreiseinrichtung 102.4 über
einen weiteren Schalter 102.7 an den Transformator 102.3 schaltbar. Dabei
ist zum einen anzumerken, dass die Betätigung des Schalters 102.5 bevorzugt
bei sekundärseitig abgetrennten Verbrauchern, also bei
geöffnetem Schalter 102.7 erfolgt. Weiterhin versteht
es sich, dass der weitere Schalter bei anderen Varianten der Erfindung
auch an anderer Stelle auf der Sekundärseite des Transformators
angeordnet sein kann.
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Die 2 zeigt
wie erwähnt ein Ablaufdiagramm dieser bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Schalten
der Traktionseinrichtung 104 (mithin also eines Verbrauchers)
an die Wechselspannung des Bahnnetzes 103. Wie der 2 zu
entnehmen ist, wird der Verfahrensablauf zunächst in einem
Schritt 105.1 gestartet. Anschließend wird in
einem Schritt 105.2 geprüft, ob die Traktionseinrichtung 104 mit
elektrischer Energie versorgt werden soll. Hierzu prüft
die Steuerung 102.6 beispielsweise, ob ein entsprechendes Signal
aus der mit ihr verbundenen (in 1 nicht dargestellten)
Leittechnik des Fahrzeugs 101 vorliegt.
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Ist
dies der Fall, bestimmt die Steuerung 102.6 in einem Schritt 105.3 den
genauen Einschaltzeitpunkt, in dem der Schalter 102.5 geschlossen werden
soll und damit der Energiefluss aus dem Bahnnetz 103 in
die Antriebsanlage 101.3 in Gang gesetzt werden soll. Hierzu
liest die Steuerung 102.6 in einem Schritt 105.3 aus
einem Speicher der Steuerung 102.6 eine Remanenzinformation
aus, welche für die aktuelle Remanenz in dem magnetischen Kreis
des Transformators 102.3 repräsentativ ist.
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Im
vorliegenden Beispiel umfasst die Remanenzinformation zum einen
eine erste Information, welche für die (im Folgenden erste
Polarität genannte) Polarität der aktuellen Remanenz
repräsentativ ist. Weiterhin umfasst die Remanenzinformation
eine zweite Information, die für die Amplitude des Stromflusses
auf der Primärseite des Transformators 102.3 repräsentativ
ist, die zum Zeitpunkt des letzten dem Schritt 105.3 vorangehenden Öffnens
des Schalters 102.5 vorlag.
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Die
Amplitude des Stromflusses auf der Primärseite des Transformators 102.3 erlaubt
der Steuerung 102.6 dabei unter Verwendung ebenfalls in dem
Speicher gespeicherter konstruktiver Daten des magnetischen Kreises
(wie charakteristischen Abmessungen, verwendeten Kernmateralien
etc.) Rückschlüsse auf den Betrag der aktuellen
Remanenz in dem magnetischen Kreis zu ziehen. Es versteht sich jedoch,
dass bei anderen Varianten der Erfindung auch beliebige andere geeignete
Größen herangezogen werden können, welche
einen entsprechenden Rückschluss auf Polarität
und/oder Betrag der Remanenz im magnetischen Kreis zulassen.
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Die
in dem Speicher der Steuerung 102.6 abgelegte Remanenzinformation
wurde, wie im Folgenden noch näher erläutert wird,
beim letzten dem Schritt 105.3 vorangehenden Öffnen
des Schalters 102.5 ermittelt. Hierbei versteht es sich,
dass bei einem Neufahrzeug gegebenenfalls beim erstmaligen Schließen
des Schalters 102.5 in seinem im Fahrzeug 101 eingebauten
Zustand eine entsprechende Remanenzinformation in der Steuerung 102.6 gespeichert
sein kann, die bei der Herstellung des Fahrzeugs in den Speicher
der Steuerung 102.6 geschrieben wurde. Beispielsweise ist
es in diesem Zusammenhang möglich, dass der magnetische
Kreis des Transformators 102.3 vor dieser erstmaligen betrieblichen
Nutzung in dem Fahrzeug 101 auf eine maximal mögliche
Remanenz einer vorgegebenen Polarität gebracht wurde und
bei der Herstellung des Fahrzeugs 101 eine entsprechende
(initiale) Remanenzinformation in der Steuerung 102.6 abgelegt
wurde.
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Unter
Verwendung der aus dem Speicher der Steuerung 102.6 ausgelesenen
Remanenzinformation bestimmt die Steuerung 102.6 nunmehr
in dem Schritt 105.3 den Einschaltzeitpunkt des Schalters 102.5 derart,
dass sich in dem magnetischen Kreis des Transformators 102.3 durch
den Energiefluss nach dem Einschalten des Schalters 102.5 ein
magnetischer Fluss mit einer zweiten Polarität aufbaut, die
der ersten Polarität der in dem magnetischen Kreis gegebenenfalls
vorhandenen Remanenz entgegengesetzt ist, sodass es beim Einschalten
des Schalters 102.5 zu einer wechselseitigen Kompensation
der Remanenz und des sich aufbauenden magnetischen Flusses kommt.
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Die
Steuerung 102.6 bestimmt den Einschaltzeitpunkt im vorliegenden
Beispiel in Abhängigkeit von einem zeitlichen Verlauf der
Wechselspannung des Bahnnetzes 103. Das Zuschalten des Transformators 102.3 erfolgt
mithin also synchronisiert zur Netzspannung des Bahnnetzes 103.
Der Einschaltzeitpunkt wird aus der gespeicherten ersten Polarität
und dem gespeicherten Betrag der Remanenz derart bestimmt, dass
es beim Einschalten des Schalters 102.5 zu einer im Wesentlichen
vollständigen wechselseitigen Kompensation der Remanenz und
des sich aufbauenden magnetischen Flusses kommt.
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Mit
anderen Worten wird der Einschaltzeitpunkt im vorliegenden Beispiel
derart bestimmt, dass sich nach dem Einschalten des Schalters 102.5 in dem
magnetischen Kreis des Transformators 102.3 bei einem maximalen
Betrag der primärseitigen Wechselspannung ein erster magnetischer
Fluss aufgebaut hat, der die aktuelle Remanenz (gemäß der gespeicherten
Remanenzinformation) im Wesentlichen aufhebt. Hierdurch ergibt sich
eine vorteilhaft schnelle magnetische Synchronisation, also in vorteilhafter
Weise ein schnelles Erreichen eines eingeschwungenen Zustands des
magnetischen Kreises des Transformators 102.3.
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Es
versteht sich jedoch, dass bei anderen Varianten der Erfindung auch
vorgesehen sein kann, dass es nur zu einer teilweisen wechselseitigen
Kompensation der Remanenz und des sich aufbauenden magnetischen
Flusses kommt. Die wechselseitige Kompensation muss dabei bevorzugt
lediglich so groß gewählt sein, dass es bei der
vorliegenden Auslegung der Komponenten der Antriebseinrichtung 101.3 nicht
zu einer unerwünschten Schädigung dieser Komponenten
bzw. zu einer unerwünschten negativen Beeinflussung von
signaltechnischen Anlagen im Bereich oder Umfeld des Fahrzeugs 101 durch
die beim Einschalten des Schalters 102.5 resultierenden
Einschaltströme (die so genannten Inrush-Ströme)
kommt.
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Erfolgte
im vorliegenden Beispiel mit der vollständigen Kompensation
beispielsweise das letzte dem Einschalten vorhergehende Abschalten
des Schalters 102.5 derart, dass in dem magnetischen Kreis
des Transformators 102.3 eine Remanenz mit positiver Polarität
im Kern verbleibt, muss das Zuschalten auf die negative Halbwelle
der Netzspannung synchronisiert werden. Dabei wird der Einschaltzeitpunkt
tein im vorliegenden Beispiel so weit vor
das negative Spannungsmaximum –Umax verschoben,
dass der sich nach dem Schließen des Schalters 102.5 in
dem magnetischen Kreis des Transformators 102.3 aufbauende
magnetische Fluss negativer Polarität zum Zeitpunkt des
negativen Spannungsmaximums –Umax die
Remanenz (also die anfangs vorliegende positive Restmagnetisierung)
im magnetischen Kreis des Transformators 102.3 aufhebt.
Somit stellt sich bereits mit dem Einschalten des Transformators 102.3 in
vorteilhafter Weise ein magnetisch eingeschwungener Zustand ein,
der eine Sättigung des Transformators 102.3 und die
damit verbundenen hohen Einschaltströme verhindert.
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Mithin
werden also durch das ausreichend weit vor dem Spannungsmaximum
der Netzspannung des Bahnnetzes 103 erfolgende Einschalten des
Schalters 102.5 steilflankige Spannungsimpulse in der Antriebseinrichtung 101.3 effektiv
in ihrer Amplitude begrenzt. Eine mögliche negative Beeinflussung
signaltechnischer Bahnanlagen kann hierdurch effektiv vermieden
werden. Ebenso kann eine mögliche negative Beeinflussung
von gegebenenfalls im Fahrzeug 101 verwendeten Störstromwächtern
oder dergleichen vermieden werden.
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Durch
die Begrenzung dieser Einschaltströme bzw. Einschaltspannungsimpulse
ist es mit der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise möglich,
die Gestaltung des Transformators 102.3 bezüglich
seiner Masse, seines Volumens und damit seiner Kosten zu optimieren.
So kann der Transformator entsprechend leichter, kleiner und damit
kostengünstiger gestaltet werden, da er auf geringere magnetische
Verluste ausgelegt werden kann.
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In
einem Schritt 105.4 steuert die Steuerung 102.6 dann
den Schalter 102.5 entsprechend synchronisiert zu der Netzspannung
des Bahnnetzes 103 an, so dass dieser zu dem in dem Schritt 105.3 berechneten
Einschaltzeitpunkt tein geschlossen wird.
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In
einem Schritt 105.5 wird dann überprüft, ob
die Energieversorgung der Traktionseinrichtung 104 mit
elektrischer Energie beendet werden soll, mithin also ob der Schalter 102.5 wieder
geöffnet werden soll. Hierzu prüft die Steuerung 102.6 beispielsweise,
ob ein entsprechendes Signal aus der mit ihr verbundenen (in 1 nicht
dargestellten) Leittechnik des Fahrzeugs 101 vorliegt.
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Ist
dies der Fall, bestimmt die Steuerung 102.6 in einem Schritt 105.6 den
genauen Ausschaltzeitpunkt taus, in dem
der Schalter 102.5 geöffnet werden soll und damit
der Energiefluss aus dem Bahnnetz 103 in die Antriebsanlage 101.3 beendet
werden soll. In einem Schritt 105.7 steuert die Steuerung 102.6 dann
den Schalter 102.5 zu diesem Ausschaltzeitpunkt entsprechend
an, sodass dieser geöffnet wird.
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Dieses
betriebliche Öffnen des Schalters 102.5 kann grundsätzlich
in einem beliebigen Betriebszustand des Fahrzeugs 101 erfolgen.
Im vorliegenden Beispiel erfolgt das Öffnen des Schalters 102.5 in
dem Schritt 105.7 bei sekundärseitig des Transformators 102.3 abgetrenntem
Verbraucher 104. Hierzu steuert die Steuerung 102.6 den
Schalter 102.7 und/oder die Zwischenkreiseinrichtung 102.4 und/oder
die Traktionseinrichtung 104 vor der Betätigung
des Schalters 102.5 entsprechend an, um den Transformator 102.3 dann
in einem im Wesentlichen lastfreien Zustand zu bringen.
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Bei
einem verlustarmen, lastfrei bzw. leer laufenden Transformator 102.3 beträgt
die Phasenverschiebung zwischen der angelegten Netzspannung und
dem primärseitigen Leerlaufstrom annähernd 90°,
wobei die Spannung dem Strom voreilt. Beim Öffnen des Schalters 102.5 im
Bereich des Spannungsnulldurchgangs hat der primärseitige Leerlaufstrom
dann sein Maximum, wobei die Amplitude des primärseitigen
Leerlaufstroms im Vergleich zum primärseitigen Nennstrom
unter Last klein ist.
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Dies
hat den Vorteil, dass der magnetische Kreis bzw. der Transformatorkern
des Transformators 102.3 in dem Ausschaltzeitpunkt dann
die maximale magnetische Energie gespeichert hat, was wie oben erläutert
von besonderem Vorteil ist, da bei dem nachfolgenden erneuten Einschalten
des Schalters eine besonders weit gehende wechselseitige Kompensation
der Remanenz und des sich aufbauenden magnetischen Flusses und damit
eine besonders starke Reduktion der Einschaltströme erzielt
werden kann.
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Mit
dem Öffnen der Kontakte des Schalters 102.5 bildet
sich ein Lichtbogen, der den kleiner werdenden Strom bis nahe zum
natürlichen Stromnulldurchgang leitet. Durch die bis dahin
vergehende Zeit sind die Kontakte des Schalters 102.5 dann
bereits soweit geöffnet, dass kein erneutes Zünden
der Schaltstrecke beim Anstieg der Spannung nach deren Nulldurchgang
auftritt.
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Die
im vorliegenden Beispiel verwendete Vakuum-Schalter 102.5 weist
typischerweise eine sehr schnelle Wiederverfestigung der Schaltstrecke
auf (die in der Regel im Bereich weniger Mikrosekunden liegt), sodass
das Abschalten des Schalters 102.5 über einen
weiten Bereich um das Maximum des Leerlaufstromes erfolgen kann.
Mithin ist also für die Wirksamkeit des erfindungsgemäßen
Verfahrens kein hochpräzises Abschalten durch die Schalteinrichtung 102.2 erforderlich.
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Im
vorliegenden Beispiel legt die Steuerung 102.6 den Ausschaltzeitpunkt
derart fest, dass das Öffnen der Schalteinrichtung im Wesentlichen
in dem Nulldurchgang der Wechselspannung des Bahnnetzes 103 und
damit in dem primärseitigen Strommaximum, erfolgt, um die
oben beschriebene maximale wechselseitige Kompensation beim nachfolgenden erneuten
Einschalten zu erzielen. Mit anderen Worten ergibt sich in dem magnetischen
Kreis des Transformators 102.3 hierbei also die bei der
anliegenden Wechselspannung des Bahnnetzes 103 maximal mögliche
Remanenz.
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Es
versteht sich jedoch, dass bei anderen Varianten der Erfindung auch
vorgesehen sein kann, dass der Ausschaltzeitpunkt im Bereich eines
Phasenwinkels von höchstens 60° um den jeweiligen Nulldurchgang
der Wechselspannung bzw. das primärseitige Strommaximum
liegen kann. Vorzugsweise liegt der Ausschaltzeitpunkt im Bereich
eines Phasenwinkels von höchstens 30° um den Nulldurchgang
der Wechselspannung bzw. das primärseitige Strommaximum.
Vorzugsweise wird der Ausschaltzeitpunkt so gewählt, dass
das Öffnen des Schalters 102.5 zu einem Zeitpunkt
erfolgt, aus dem ein Wert der Remanenz resultiert, der wenigstens
60% der in einem Normalbetrieb des magnetischen Kreises bei der
Wechselspannung maximal möglichen Remanenz beträgt,
vorzugsweise wenigstens 80% der in einem Normalbetrieb des magnetischen
Kreises bei der Wechselspannung maximal möglichen Remanenz
beträgt. Hiermit lässt sich bei dem nachfolgenden
erneuten Einschalten des Schalters 102.5 eine besonders
günstige, weit gehende wechselseitige Kompensation der
Remanenz und des sich infolge des Energieflusses aufbauenden magnetischen Flusses
erzielen.
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In
dem Schritt 105.7 wird durch die Steuerung 102.6 weiterhin
eine neue, aktuelle Remanenzinformation ermittelt. Hierzu ermittelt
eine Erfassungseinrichtung 102.8 die Polarität
und die Amplitude des primärseitigen Stromes. Mit der Polarität
des primärseitigen Stromes im Abschaltzeitpunkt ist auch die
Polarität der Remanenz im Transformator 102.3 festgelegt.
Aus der Amplitude des primärseitigen Stromes im Abschaltzeitpunkt,
den konstruktiven Daten des Transformators 102.3 (insbesondere
des Transformatorkerns) und den magnetischen Eigenschaften des verwendeten
Kernmaterials ist der Betrag der in dem magnetischen Kreis des Transformators 102.3 gespeicherten
Restmagnetisierung, so der Remanenz, festgelegt. Demgemäß liegt
die Steuerung 102.6 in dem Schritt 105.7 in ihrem
Speicher eine für die ermittelte Polarität und
den ermittelten Betrag der Remanenz repräsentative Information
ab. Diese wird dann bei dem nachfolgenden erneuten Einschalten des
Schalters 102.5 in der oben beschriebenen Weise verwendet.
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In
einem Schritt 105.8 wird dann überprüft, ob
der Verfahrensablauf beendet werden soll. Ist dies nicht der Fall,
wird zurück zu dem Schritt 105.2 gesprungen. Andernfalls
wird der Verfahrensablauf in einem Schritt 105.9 beendet.
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Die
vorliegende Erfindung entfaltet ihre positive Wirkung nicht nur
im Zusammenhang mit der soeben beschriebenen gezielten (netzsynchronen)
betrieblichen Abschaltung des Verbrauchers 104 zu einem
durch die Steuerung 102.6 vorab definierten Ausschaltzeitpunkt.
Vielmehr ist dies auch für zufällige, nicht-synchronisierte
Schutzabschaltungen (beispielsweise im Fall einer Fehlfunktion einer
der Komponenten der Energieversorgung) der Fall. So müssen
die Komponenten der Antriebseinrichtung 101.3 anders als
bei den bekannten Verfahren bzw. Fahrzeugen lediglich auf den ungünstigsten
Fall ausgelegt sein, dass eine solche zufällige Abschaltung
zu einem Zeitpunkt geschieht, aus dem eine vollständige
Entmagnetisierung des magnetischen Kreises des Transformators 102.3 (mithin
also eine Remanenz mit dem Wert Null) resultiert. Anders als bei
den bekannten Verfahren bzw. Fahrzeugen kann es also hier im ungünstigsten
Fall beim Einschalten nicht zu einer Addition der Remanenz und des
aus dem Energiefluss in dem Transformator 102.3 resultierenden magnetischen
Flusses kommen, sondern es kann schlimmstenfalls lediglich zu dem
rein aus dem Energiefluss (nach dem Einschalten) resultierenden
maximalen magnetischen Fluss in dem magnetischen Kreis des Transformators 102.3 kommen.
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Bei
einem solchen nicht-netzsynchronen Abschalten (z. B. im Falle von
schnellen Schutzabschaltungen) ist dann wiederum lediglich der Verlauf
der primärseitigen Netzspannung und des primärseitigen Netzstromes
zum Zeitpunkt des Abschaltens bis zum Verlöschen des Schaltlichtbogens
zu ermitteln und wie oben beschrieben eine entsprechende Remanenzinformation
in dem Speicher der Steuerung 102.6 zu speichern.
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Es
sei an dieser Stelle nochmals erwähnt, dass die Remanenzinformation
grundsätzlich auf beliebige geeignete Weise ermittelt werden
kann sowie in beliebiger geeigneter Form in der Steuereinrichtung
gespeichert werden kann. Beispielsweise kann sie anhand der Erfassung
einer oder mehrerer Messgrößen (die beispielsweise
für Ströme, Spannungen, elektrische oder magnetische
Felder etc. im Bereich des magnetischen Kreises repräsentativ
sind) ermittelt werden, welche einen Rückschluss auf die
zu speichernde aktuelle Remanenz in dem Transformator 102.3 zulassen,
die unmittelbar vor dem Einschaltzeitpunkt vorliegt. Ebenso kann
aber auch ein rein theoretischer Ansatz verwendet werden, um beispielsweise
anhand eines mathematischen Modells des magnetischen Kreises des
Transformators 102.3 Rückschlüsse auf
die Remanenz zu ziehen. Ebenso können natürlich
beliebige Kombinationen dieser beiden Ansätze verwendet
werden.
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Die
vorliegende Erfindung wurde vorstehend ausschließlich anhand
eines Beispiels mit der Traktionseinrichtung eines Schienenfahrzeugs
beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die vorliegende Erfindung
auch in Verbindung beliebigen anderen Anwendungen im Bereich des
Schienenfahrzeugs für das Ab- und Zuschalten von einem
oder mehreren Transformatoren zum Einsatz kommen kann, bei denen
die magnetischen Eigenschaften des zu schaltenden Transformators
bekannt sind, ein netzsynchrones Ab- und Zuschalten technisch realisierbar
ist und eine Vorrichtung zum Abspeichern der Amplitude und Polarität
des Restmagnetismus des Transformators vorhanden ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 2746845
A1 [0009]
- - DE 4019592 A1 [0010]
- - EP 0575715 A2 [0011]
- - EP 1024574 B1 [0013]