DEVICE FOR FEEDING POWER CONSUMPTION UNITS, PARTICULARLY IN A RAIL VEHICLE

Abstract: 1. Power supply installation comprising a converter which can be fed from an electric supply system and which exhibits a static inverter (1; 30a, 30b, 30c), for loads which also include motors (14) - in particular for lamps (13), motors (14) and a battery charger in a rail vehicle, the converter, given variations in the input voltage, delivering an almost constant output voltage and the inverter (1; 30a, 30b, 30c) featuring at least one inverter/transformer (2), which has at least one leakage gap and whose secondary circuit is equipped with a voltage stabilizer featuring compensation, resonance and output windings (6, 4, 5), a resonance capacitor (7) and harmonics compensation winding (3), and the input side of the inverter (1; 30a, 30b, 30c) being arranged so that it can be connected to the onboard battery, characterized in that a DC to DC converter (28) delivering an output voltage lower than that of the input power supply is arranged between the onboard battery (18) and the input side of the inverter (1; 30a, 30b, 30c), whereby the output voltage of the inverter (1; 30a, 30b, 30c) on input power failure is lower than its rated voltage, in that an input resistance (11) and an input resistance by-pass contact connected in parallel thereto are arranged on the power input side of the inverter (1; 30a, 30b, 30c), the input resistance by-pass contact (12) being the make contact of a relay which is connected to the output side of a comparator (16), in that the input comparator (16) is connected to the output of the inverter (1; 30a, 30b, 30c) and emits a signal when the output voltage of the inverter (1; 30a, 30b, 30c) reaches the rated value of the output voltage, whereby the make contact of the relay is closed, and in that a threshold voltage measuring element (29) is provided, which is connected on the input side to the electricity supply and to the input resistance (11) and from whose output side a contacter arranged in the supply circuit of the motors can be activated to operate the motors (14) when both the power is applied and the input resistance short-circuited.

Description: Einrichtung zur Versorgung von Nutzverbrauchern in einem Schienenfahrzeug Die Erfindung bezieht sich auf eine Energieversorgungseinrichtung für sich in einem Schienenfahrzeug befindende Nutzverbraucher, die aus einem elektrischen Netz über einen Umformer gespeist werden, wobei der Umformer einen statischen Wechselrichter aufweist und die Nutzverbraucherspannung nahezu auf einen konstanten Wert einregelt. Es sind Energieversorgungseinrichtungen gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 mit Umformern bekannt, die einen eine rechteckförmige Spannung liefernden Wechseirichter aufweisen, denen zur Erzeu gung von einer sirusfrnigen Spannung Filter nachgeschaltet sind, und denen bei Gleichspannungseinspeisung ein mittels dar Höhe der Wechselrichter- Ausgangsspannung geregelter Gleichstromsteller und bei Wechselspannungsetrsper ng ein mittels der Höhe der Wechselrichter-Aasgangsspannung geregeltes Gleichrichtergerät vorgeschaltet ist. Zwischen dem Gleichstromsteller bzw. Gleichrichtergerät ist ein Gleichstromzwischenkreis (Spule, Rondensator) geschaltet. Bei solchen Energieversorgungseinrichtungen ist der Aufwand an Bauteilen beträchtlich, durch den Einsatz von vielen Bauteilen ist der Wirkungsgrad ungünstig. Hinzu kommt, dass, wenn die Netzspannung sehr stark vom Nennwert abweicht, z.B. ausfällt, die Nutzverbraucher nicht mehr mit elektrischer Energie versorgt werden. Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Die Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, löst die Aufgabe, eine Energieversorgungseinrichtung für in einem Schienenfahrzeug sich befindende Nutzverbraucher, gen nahezu mit ihrer Nennspannung versorgt werden, zu schaffen, bei der ein besonderer Wechselrichter Transformator gleichzeitig auch Bestandteil eines Spannungskonstanthalters ist und bei der die Energieversorgung beispielsweise bei Netzspannungsausfall mittels der Bordbatterie gewährleistet ist. Die durch die Erfindung erreichten Vorteile sind im wesentlichen darin zu sehen, dass durch Einsatz weniger Bauteile ein guter Wirkungsgrad zu erzielen ist. Mittels der Oberwellenkompensationswi ck lung wird mit einem einfachen Mittel errecht, dass die Nutzverbraucher mit einer- sinusförmigen Spannung versorgt - werden können. Nach Anspruch 2 können handelsübliche Drehstrom- und Wechselstromverbraucher angeschlossen werden. Nach Anspruch 3 k-ann die Nennspannung der Bordbatterie beliebig sein. Nach Anspruch 4 ist gewährleistet, dass das Taktgebergerät zimmer in Betrieb bleibt und der Wechselrichter somit nicht ausser Tritt gerät. Nach Anspruch 5 ist gewährleistet, dass die Motoren erst nach der Anlaufphase des Wechselrichters in Betrieb genommen-werden können und die Beleuchtung somit vorrangig mit Energie versorgt wird. Nach Anspruch 6 ist gewährleistet, dass bei Netzspannungsausfall die Energie aus der Bordbatterie nicht in das Netz gelangen kann. Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Fig. 1 ein Schaltbild einer Energieversorgungsanla ge mit einem Wechselrichter und einem Span nungskonstanthalter für Wechselstromverbrau- cher, Fig. 2 ein Schaltbild einer Energieversorgungsanla ge mit drei Wechselstrom-Wechselrichter in Mittelpunktschaltnng und drei Spannungskon stanthaltern für Wechsel- und Drehstromver braucher, Fig. 3 LiniendiagrHmne-der=Zündimpulse für die drei Wechselstrom-Hechselrichter und Fig. 4 Liniendiagramm der Wechselspannungen, die die Spannungskonstanthalter liefern. Die in Fig. 1 der Zeichnung dargestellte Energieversorgungseinrichtung weist einen Wechselrichter 1 auf, dessen Wechselrichter-Transformator 2 sekundärseitig mehrere Wicklungen aufweist und die so miteinander verbunden sind, dass ein magnetischer Spannungskonstanthalter gebildet wird. In Fig. 1 ist das rechts dargestellte Wicklungsstück eine Oberwellenkompensationswicklung 3, links von dieser Wicklung, sowie mit dies-verbunden, ist eine Resonanzwicklung 4 und eine Ausgangswicklung 5 und noch weiter links ist eine Kompensationswicklung 6. Die Kompensationswicklung 6 und die Ausgangswicklung 5 bilden den Ausgang des Spannungskonstanthalterms. Zwischen dem Wicklungsende der Resonanzwicklung 4 ist ein Resonanzkondensator 7 geschaltet. Der Transformatorkern besitzt zwei Streuluftspalte. Diese sind geomeo ch so angeordnet, dass nur die Kompensationswicklung 6 mit der Primärwicklung magnetisch fest gekoppelt ist. Die Ausgangswicklung 5 und die ResonAn7wicklung 4 sind miteinander fest gekoppelt sowie mit der Kompensationswicklung 6 bzw. PrImarwicklung lose gekoppelt. Die Oberwellen Sompensationswicklung 3 ist gegenüber den vorgenannten Wicklungen lose gekoppelt. Durch diesen Aufbau des Wechselrichter-Transformators 2 und des Betriebes im Sättigungsbereich des Transformatorkernmaterials wird erreicht, dass, wenn die Wechselrichtereingangsspannung bis zu + 30 % vom Nennwert abweicht, die Ausgangsspannung aber nur maximal 5 % vom Nennwert abweicht. Die Nennausgangsspannung beträgt 220V. Der Wechselrichter besitzt zwei Thyristoren, zwei Sperrdioden, zwei Freilaufdioden, einen Kommutierungskondensator und eine Kommutierungsdrossel. Der Wechselrichter 1 ist einerseits mit seiner primärseitigen Mittenanzapfung über eine Drossel 8, zu der ein Freilaufventil 9 parallel geschaltet ist, über eine Netzentkopplungsdiode 10, über einen Eingangswiderstand 11, zu dem ein Eingangswiderstands überbrückungskontakt 12 parallel geschaltet ist, und über eine Sicherung mit dem Pluspol des elektrischen Netzes und andererseits mit seiner Kommutierungsdrossel mit dem Minuspol des elektrischen Netzes verbunden. Parallel zum Eingang des Wechselrichters 1 liegt ein Hochleistungskondensator. An dem Ausgang des Wechselrichters 1 bzw. des Span nungskonstandalters sind Leuchten 13 direkt und Motoren 14 über ein Schütz 15 angeschlossen. Ausserdem ist am Ausgang des Spannungskonstanthalters ein Komparator 16 angeschlossen, der mit dem den Eingangs widerstandsüberbrü ckung skontakt 12 aufweisenden Schütz in Verbindung steht. Der Wechselrichter 1 besitztausser den Wicklungen des Spannungskonstanthalters eine zweite Ausgangswicklung 7, über die eine -Bordbatterie 18 mittels eines Batterieladegerats 19 und ein für den Wechselrichter 1 dienender Taktgeber 20 mittels eines Transformators 21 eines Gleichrichtergerätes 22 mit Energie versorgt wird Der Taktgeber 20 ist eingangsseitig auch über eine Entkopplungsdiode 23 mit der Bordbatterie 18 und auch mit einem Hilfsgleichspannungswandler 24 verbunden. Dieser Hilfsgleichspannungswandler 24 ist eingangsseitig mittels eines ohmschen Spannungsteilers 25 und einem Ruhestromkontakt 26 parallel zum Eingang des Wechselrichters 1 geschaltet. Der Ruhestromkontakt 26 steht mittels einer Spule mit der Bordbatterie 18 in Verbindung und wird betätigt, wenn die Spannung -an der Bordbatterie einen bestimmten Wert überschreitet. Der Pluspolausgang der Bordbatterie 18 ist über eine Inbetriebnahmeeinrichtung 27, bestehend aus einem Schalter und einem Schütz, geführt. Das Schütz besitzt ein mechan5;ches Stellglied, mittels dem es von Hand aus, wenn die Bordbatterie 18 spannungslos ist, betätigbar ist. Zwischen der Borabatterie 18 und--dem Eingang des Wechselrichters 1 ist eine Rückspeiseeinrichtung, be stehend--aus-inom Gleichspannungswandler 28, -angeordnet. Die EoDe der Netzspannung wird durch einen Schwellspannungsmessgeber 29 ermittelt; ausserdem misst dieser Schwellspanrrungsmessgeber 29 die Spannung, die am Eingangswiderstandsüberbrückungskontakt 12 ansteht. Dieser Schwellspannungsmessgeber 29 steht mit dem den Motoren 14 vorgeschalteten Schütz 15 in Verbindung und schaltet das Schütz ein, wenn Netzspannung anliegt und der Eingangswiderstand 11 kurzgeschlossen ist. Diese Energieversorgungseinrichtung arbeitet wie folgt: Soll die Anlage in Betrieb gesetzt werden, so wird der Schalter der Inbetriebnahmeeinrichtung 27 manuell betätigt, und die Bordbatterie ist mit mehreren Geräten (20, 28; 26) verbunden. Der Ruhestromkontakt 26 befindet sich in seiner Ausgangslage, und der Hilfsgleichspannungswandler 24 wird vom Netz mit Gleichspannung versorgt. Der Hilfsgleichspannungswandler 24 versorgt den Taktgeber 20 des Wechselrichters 1. Der Wechselrichter 1 beginnt zu arbeiten, und die Bordbatterie 18 und die Leuchten werden mit Energie versorgt. Sat die Spannung am Ausgang des Ronstanthalters die Nennspannung erreicht, so löst der Komparator 16 ein Signal aus, wodurch der Eingangswiderstand 11 kurzgeschlossen wird. Durch das Kurzschliessen des Eingangswiderstandes löst der Schwellspannungsmessgeber 29, wenn die Netzspannung nicht kleiner als 30 % unter der Netznennspannung liegt, ein Signal aus, wodurch das Schütz 15 anzieht und die Motoren 14 in Betrieb genommen werden. Der Taktgeber 20 wird solangeüber den Hilfsgleichspannungswandler 24 mit Energie versorgt, bis die Spannung an der-Bordbat;erie 18 auf einen bestimmten Wert angestiegen ist und der Ruhekontakt 26 geöffnet wird. Ist vor Inbetriehnahme-der Energieversorgungsanlage die Batterie voll geladen, so wird der Taktgeber 20 von der Bordbatterie 18 mit Energie versorgt. Es sei angenommen, dass die Netzspannung (750 V) kurzzeitig ausfällt. In diesem Fall erfolgt die Versorgung der Leuchten 13 aus der Bordbatterie 18 (24 V) über den Gleichspannungswandler 28 (Ausgangsspannung = 500 V) und den Wechselrichter 1. Dabei ist die Ausgangsspannung des Spannungskonstanthalters etwas kleiner als bei Netzbetrieb. Dadurch wird der Eingangsüberbrückungskontakt 12 mittels des Komparators 16 geöffnet. Der Schwellspannungsmessgeber 29 schaltet das Schütz 15 ab; die Motoren 14 werden spannungslos. Dadurch kann die Bordbatterie klein dimensioniert werden. Eine Rückspeisung in das Netz verhindert die Netzentkopplungsdiode 10. Bei Wiederkehr der Netzspannung wiederholen sich die Vorgänge entsprechend wie oben zur Inbetriebnahme beschrieben. Bei kurzzeitigem Absinken der Spannung an der Bordbatterie 18 bei Netzbetrieb wird der Taktgeber 20 von der Bordbatterie 18 mit Energie versorgt, weil der Ruhestromkontakt 26 ein mechanisches Bandelement und entsprechend mit Trägheit behaftet ist. Dadurch ist gewährleistet, dass der Taktgeber 20 nicht spannungslos wird und der'Wechselrichter 1-auBer Tritt gerät Sinkt die Netzspannung unter 30 % der Nennspannung, so übernimmt die Bordbatterie 18 die Energieversorgung der Leuchten 13. Die Energieversorgungseinrichtung nach Fig. 2 unterscheidet sich von der Energieversorgungseinrichtung nach Fig. 1 lediglich dadurch, dass auch Drehstromverbraucher mit Energie versorgt werden und dass die Energie aus einem Wechselspannungsnetz entnommen wird. Die in Fig. 2 dargestellte Energieversorgungseinrichtung weist drei Wechselstrom-Wechselrichter 30a, 30b, 30c auf. Jeder dieser Wechselstrom-Wechselrichter 30a, 30b, 30c ist so aufgebaut, wie es in Fig. 1 dargestellt ist. Das gleiche gilt auch für die Spannungskonstanthalter. Die Ausgänge der Wicklungen der Wechselrichter 30a, 30b, 30c und der Spannungskonstanthalter sind jeweils in Stern geschaltet. Für die Versorgung der Nutzverbraucher ist der Mittelpunktleiter Mp herausgeführt, so dass die Leuchten 13 mit einer Spannung von 220 V und die Motoren 14a mit 380 V versorgt werden. Am Eingang der Energieversorgungseinrichtung ist eine Gleichrichteranordnung 31 (Graetzbrücke) angeordnet, die die Netzspannung in eine Gleichspannung umformt. Die Gleichrichteranordnung 31 dient gleichzeitig auch zur Netzentkopplung bei Speisung aus der Bordbatterie 18. Die Wechselrichter 30a, 30b, 30c werden mittels eines Dreikanaltaktgebers 32 angesteuert. Der erste Kanal Al des Dreikanaltaktgebers 32 steuert den in Fig. 2 links dargestellten Thyristor des ersten Wechselstrom-Wechselrichters 30a an. Gleichzeitig wird auch der zweite Kanal des Dreikanaltaktgebers 32 angesteuert. Dieser Kanal B 1 zündet den in Fig. 2 links dargestellten Thyristor des zweiten Wechselstrom Wechselrichters 30b. Der Zeitabstand zwischen beiden Zündimpulsen ist in Fig. 3 durch die Strecke a angedeutet. Der erste Kanal des Dreikanaltaktgebers 32 steuert ausserdem auch noch den dritten Kanal an. Der Zeitabstand zwischen dem vom ersten Kanal und dem Zündimpuls vom dritten Kanal ist in Fig. 4 durch die Strecke b angedeutet. Nach einer bestimmten Zeit wird der in Fig. 2 rechts dargestellte Thyristor des ersten Wechselstrom-Wechselrichters 30a gezündet. Die entsprechenden anderen Thyristoren werden wie vorher beschrieben gezündet. Danach wieder die linken Thyristoren usw. Werden die Thyristoren, wie eben beschrieben, angesteuert, so entstehen folgende Spannungen am Ausgang der einzelnen Spannungskonstanthalter: Al und A2 geben wechselweise Impulse ab (Fig.3). Es entsteht eine sinusförmige Wechselspannung wie in Fig. 4, oberstes Liniendiagramm, dargestellt. Da der zweite Wechselstrom-Wechselrichter 30b zeitlich phasenverschoben angesteuert wird, gibt er auch eine phasenverschobene Sinusspannung ab. Dies ist in Fig. 4, mittleres Liniendiagrasm, dargestellt. Die Strecke a in Fig. 4 bedeutet, dass die letztgenannte wechselspannung 1260 elektrisch phasenverschoben ist. Für den drittenWechseIstrom-Wechsel- richter 30c gilt entsprechend das gleiche, wie eben beschrieben, nur dass die Phasenverschiebung 2400 elektrisch beträgt. Die Energieversorgungs-einrechtung-n-ach Fig. 2 arbeitet genauso wie die Energieversorgungseinrichtung nach Fig. 3 bis auf den vorgenannten Unterschied; die gleichen Teile sind in Fig. 2 weggelassen worden. Diese Energieversorgungseinrichtungen sind insbesondere für Einbahn-, Strassenbahn- und Untergrundfahrzeuge vorgesehen, die beispielsweise an Netze angeschlossen werden, die eine Gleichspannung von 750 V, 1500 V oder 3000 V besitzen, oder an Wechselspannungsnetze von 1000 V oder 1500 V.

Claims: Ansprüche: 1. Energieversorgungseinrichtung, insbesondere für sich in einem Schienenfahrzeug befindende Leuch ten, Kompressor-Lüftermotoren sowie ein Batte rieladegerät und eine Bordbatterie, die aus einem elektrischen Netz gespeist werden können, mit einem einen statischen Wechselrichter auf weisenden Umformer, der bei Schwankungen der Netzspannung eine nahezu konstante Ausgangs spannung liefert, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter (1; 30a, 30b, 30c) einen Wechselrichter-Transformator (2) besitzt, dessen Sekundärseite einen Spannungskonstanthalter be sitzt, der eice Kompensations- (6), eine Reso nanz- (4) und Ausgangswicklung (5) und einen Resonanzkondensator (7) sowie insbesondere eine Oberwellenkompensationswicklung (3) aufweist, dass der Wechselrichter-Transformator (2) wenig stents einen Streuluftspalt aufweist und dass der Wechselrichter (1; 30a, 30b, 30c) ein gangsseitig an die Bordbatterie (18) anschliess bar ist. 2. Energieversorgungseinrichtung für Drehstromver- braucher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Drehstromverbraucher (14a) drei Wechsel strom-Wechselrichter (30a, 30b, 30c) in Mittel punktschaltung vorgeschaltet sind und dass jeder Wechselstrom-Wechselrichter (30a, 30b, 30c) jeweils einen Spannungskonstant halter aufweist. 3. Energieversorgungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass zwischen die Bordbatterie (18) und dem Ein gang des Wechselrichters (1; 30a, 30b, 30c) ein Gleichspannungswandler (28) geschaltet ist. 4. Energieversorgungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Taktgebergerät (20; 32) des Wechsel richters (1; 30a, 30b, 30c) wahlweise vom Netz oder von der Bordbatterie (18) gespeist werden kann, wobei bei etzeinspeisung die Einspei sung entweder über den Wechselrichter (1; 30a, 30b, 30c) und oin Gleichrichtergerät (22, 22a) oder über einen winfsgleichspannungswandler (24) erfolgt, und dass zwischen d2m-Ausgang der Bordbatterie (18) und dem- Gleichrichtergerät (22, 22a) sowie dem Hilfsgleichspanniingswandler (24) eine Entkopp lungsdiode (23) geschaltet ist. 5. Energieversorgungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang des Spannungskonstanthalters mit einem Komparator (16) verbunden ist, der mit einem Eingangswiderstandsüberbrückungskon takt (12) in Verbindung steht, und dass ein Schwellspannungsmessgeber (29) vor gesehen ist, dessen Eingänge an das Netz und an den Eingangswiderstandsüberbrückungs kontakt (12) angeschlossen ist und dessen Ausgang mit einem Schütz (15) in Verbindung steht, das den motorischen Verbrauchern (24), 14a) vorgeschaitet ist. 6. Energieversorgungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Netz und dem Eingang des Wechselrichters ein Netzentkopplungsgleich richter (10; 31) geschaltet ist.

Inventors: SEEGER, HERBERT
Applicants: FRIED. KRUPP GESELLSCHAFT MIT BESCHRANKTER HAFTUNG
Application year: 1979
Main classification: B60L1
IPC codes: H02J9, B60L1, G05F3