DE19921146A1 - Stromversorgungsanordnung mit einem Energiespeicher - Google Patents

Abstract

Eine Stromversorgungsanordnung mit einer Gleichstromquelle 3 speist einen Verbraucherstromkreis 1, 2, dessen Stromversorgung im Störungsfalle oder bei kurzzeitiger Überlastung aus einem zusätzlichen Energiespeicher 6 gestützt wird. Um eine verbeserte Nutzung des Energieinhalts des Energiespeichers 6 zu erzielen, ist derselbe einerseits über einen Ladesteller 7 und andererseits über einen Entladesteller 8 parallel zu Verbrauchern 5 des Verbraucherstromkreises 1, 2 schaltbar. Der Ladesteller 7 ist vorzugsweise als Hochsetzsteller ausgebildet, durch welchen der Energiespeicher auf eine gegenüber dem Versorgungsstromkreis erhöhte Spannung aufladbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Stromversorgungsanordnung gemäß dem Oberbegriff des ersten Anspruchs.

Es ist bei Stromversorgungsanordnungen dieser Art ganz allgemein bekannt, an einen elektrischen Verbraucherstromkreis parallel zu daraus gespeisten Verbrauchern einen Energiespeicher unmittelbar anzuschalten, der bei einer Unterbrechung der Verbindung zu der speisenden Stromquelle oder bei einer Überlastung der den Verbraucherstromkreis speisenden Stromquelle für einen begrenzten Zeitraum die Stromversorgung des oder der Verbraucher aufrechterhält oder stützt. Das ist insbesondere im Zusammenhang mit einer Zugsammelschiene in Schienenfahrzeugen zur zumindest vorübergehenden Aufrechterhaltung der Stromversorgung von funktionswichtigen und insbesondere sicherheitsrelevanten Verbrauchern notwendig. Von Nachteil ist dabei jedoch, daß dem Energiespeicher nur der Energieanteil entnommen werden kann, der zwischen der Nennspannung und der unteren für den Betrieb der Verbraucher mindestens erforderlichen Unterspannung im Speicher enthalten ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Stromversorgungsanlage gemäß dem Oberbegriff des ersten Anspruchs Maßnahmen zu treffen, durch welche dem Energiespeicher eine erhöhte Energiemenge bei mangelhafter Stromversorgung der Verbraucher durch die speisende Gleichstromquelle entnommen werden kann.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt gemäß der Erfindung durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten Anspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den weiteren Ansprüchen angegeben.

Bei einem Aufbau einer Stromversorgungsanordnung gemäß der Erfindung ist der Energiespeicher einerseits über einen Ladesteller und andererseits über einen steuerbaren Entladesteller an den Verbraucherstromkreis angeschaltet. Dabei kann wahlweise der Ladesteller und/oder der Entladesteller als Spannungshochsetzsteller ausgebildet sein, um den Energieinhalt des Energiespeichers über einen weiteren Spannungsbereich zu nutzen, als er zwischen der Nennspannung und dem unteren Wert der Betriebsspannung des Verbraucherstromkreises genutzt werden kann. Dabei wird zumindest der Entladesteller abhängig von der am Verbraucherstromkreis anliegenden Spannung so gesteuert, daß die Nennspannungshöhe so lange als möglich aufrecht erhalten wird.

Wird ein aus dem Verbraucherstromkreis gespeister Spannungshochsetzsteller als Ladesteller verwendet, dann wird in entsprechender Weise der Energiespeicher, insbesondere ein elektrischer Doppelschichtkondensator auf eine Ladespannung aufgeladen, die oberhalb der Nennspannung des Verbraucherstromkreises liegt. Der Entladesteller wird dann im Bedarfsfall zumindest zunächst als Spannungstiefsetzsteller betrieben und kann bei einem Abfall der Ladespannung des Energiespeichers unter die Nennspannung des Verbraucherstromkreises als Spannungshochsetzsteller betrieben werden. Die Ladespannung des Energiespeichers kann dadurch unter den Wert der Nennspannung des Verbraucherstromkreises abgesenkt und die im Energiespeicher enthaltene Energie entsprechend weit entnehmen. Nachdem der Energieinhalt eines kapazitiven Speichers mit dem Quadrat der Ladespannung zunimmt, kann bei entsprechend hoher Aufladung über die Nennspannung hinaus und anschließender Entladung unter die Nennspannung dem Energiespeicher eine Energiemenge entnommen werden, die weit über dem Wert liegt, der bei einfacher Parallelschaltung des Energiespeichers vom Verbraucherstromkreis entnommen werden kann. Selbst wenn der Ladesteller den Energiespeicher nur auf die Nennspannung des Verbraucherstromkreises auflädt, kann bei Betrieb des Entladestellers als Spannungshochsetzsteller der Energiespeicher noch unter die zulässige untere Betriebsspannung der zu speisenden Verbraucher entladen werden.

Es ist auch möglich, einen Ladesteller zu verwenden, der den Energiespeicher mit einer gegenüber dem Verbraucherstromkreis umgekehrten Polarität auflädt und demgemäß einen die Ladespannung negierenden Entladesteller anzuwenden, so daß der Verbraucherstromkreis im Bedarfsfall polaritätsgerecht aus dem Energiespeicher gespeist wird.

Um eine Rückladung des Energiespeichers über den Ladesteller zu verhindern, wenn eine Stützung des Verbraucherstromkreises erfolgt, kann der Ladesteller in diesem Betriebsfall in Abhängigkeit von entsprechenden Betriebsdaten einer Steuerung deaktiviert werden. Es ist auch zweckmäßig, den Ladesteller zu deaktivieren, wenn der Energiespeicher auf seine maximale Ladespannung aufgeladen ist. Es ist aber auch möglich, den Ladesteller abhängig vom Betriebszustand eines rückspeisenden Antriebes in der Weise zu steuern, daß bei Betrieb des Antriebes als Generator überschüssige Energie in den Energiespeicher geladen wird. Insbesondere bei erhöhtem Energiebedarf als Antriebsmotor, beispielsweise beim Anfahren eines Schienenfahrzeugs, kann über den Entladesteller zusätzliche Energie zur Stützung der den üblichen Betrieb versorgenden Gleichstromquelle in den betreffenden Verbraucherstromkreis eingespeist werden. Als Energiespeicher wird zweckmäßig ein elektrischer Kondensator verwendet, vorzugsweise ein Doppelschichtkondensator, nachdem dessen Ladenennspannung in der Höhe an sich frei wählbar ist und bei hoher Ladespannung eine sehr hohe Energiedichte aufweist. Es ist somit anzustreben, die Ladespannung des Kondensators möglichst groß zu wählen, um Raum und Gewicht zu sparen. Kondensatoren sind zudem wartungsfrei und insbesondere lade- und entlade-zyklenfest. Das ermöglicht hohe Spitzenleistungen beim Laden wie beim Entladen. Dabei sind Kondensatoren weitgehend frei vom sogenannten Memory-Effekt hinsichtlich des Lade- und Entladeverhaltens und unterliegen nur sehr geringer Alterung. Unabhängig davon können jedoch auch übliche elektrische Akkumulatoren als Energiespeicher zum Einsatz kommen.

Für den Ladesteller wie für den Entladesteller können insbesondere Schaltungsanordnungen mit Schalttransistoren, Dioden und induktiven Drosseln zur Anwendung gelangen, die eine gesteuerte Aufladung wie Entladung des Energiespeichers durch angepaßte Taktung zulassen.

Infolge der Entkopplung des Energiespeichers in Bezug auf seine freie Entladungsmöglichkeit in den Verbraucherstromkreis können die Spannungen im Verbraucherstromkreis wie am Energiespeicher unterschiedlich hoch sein und dem optimalen Zweck entsprechend gewählt werden. Die erforderliche Spannungsanpassung zwischen den beiden Spannungspotentialen wird dabei einerseits beim Ladevorgang durch den Ladesteller und beim Entladevorgang durch den Entladesteller bewirkt. Dabei ist es im Hinblick auf eine hohe Energiedichte bei geringem Raumbedarf und Gewicht von Vorteil, wenn ein elektrischer Kondensator auf eine wesentlich höhere Spannung aufgeladen wird, als die Nennspannung des Verbraucherstromkreises. Um eine verlustarme Entladung des Energiespeichers zu erzielen, wird der Entladestrom insbesondere impulsförmig über eine induktive Drossel durchgeführt, um Spannungsspitzen im Verbraucherstromkreis während des Entladevorganges zu verhindern.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Schaltungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipschaltung einer Stromversorgungsanordnung zur Speisung eines Verbraucherstromkreises mit einem hinzugefügten Energiespeicher,

Fig. 2 eine Prinzipdarstellung einer ersten Lösungsvariante zur Ladung und Entladung des Energiespeichers,

Fig. 3 eine zweite Lösungsvariante für die Lade- und Entladesteuerung des Energiespeichers,

Fig. 4 eine dritte Lösungsvariante zur Ladung und Entladung des Energiespeichers,

Fig. 5 eine vierte Lösungsvariante zur Ladung und Entladung des Energiespeichers und

Fig. 6 einen typischen Spannungsverlauf mit zugeordneter Belastungskurve an einer Zugsammelschiene als Verbraucherstromkreis.

Um insbesondere in Hochgeschwindigkeitszügen bei Störungen der Energieversorgung vor allem sicherheitsrelevante Betriebsaggregate weiter betreiben zu können, kommen bordeigene Energiespeicher zur Anwendung, die bei Ausfall oder Unterbrechung der Hauptstromversorgung an einer Zugsammelschiene kurzzeitige Spitzenleistungen für die Weiterversorgung von Hilfsbetriebsaggregaten abdecken. Das Bordnetz in den betreffenden Schienenfahrzeugen unterteilt sich in die Ebenen Hilfsbetriebebordnetz und Batteriebordnetz. Zum Hilfsbetriebebordnetz gehören alle Verbraucher, die über die Zugsammelschiene versorgt werden. Am Batteriebordnetz sind die Steuerungssysteme, Beleuchtungseinrichtungen und Fahrgastinformationen angeschlossen. Die Zugsammelschiene ist dabei eine durchgehend über mehrere Wagen führende Leitung mit einer Nennspannung von beispielsweise 670 Volt Gleichstrom. Sie wird zentral von einem Zugsammelschienen-Umrichter gespeist. Als Verbraucher sind im Zug verteilt sogenannte Ausgangsstromrichter und eine Batterieladeeinrichtung an die Zugsammelschiene angeschlossen. Die Ausgangsstromrichter versorgen u. a. Hilfsbetriebe, wie Pumpen, Lüfter und Klimaanlagen. Die einzelnen Batterieladegeräte als Bestandteil der Batterieladeeinrichtung sind in der Lage, in zwei Richtungen Energie zu liefern. Zum einen ist dies die Ladung der Batterien auf beispielsweise 110 Volt und die Versorgung der zugehörigen 110 Volt-Verbraucher im Ladebetrieb. Umgekehrt kann aus den Batterien jedoch auch die Zugsammelschiene im Rückspeisebetrieb gestützt werden, wobei dann die über die Batterieladeeinrichtung erzeugte Spannung der Zugsammelschiene bei 500 Volt Gleichspannung liegt. Je nach augenblicklicher elektrischer Spannungslage der Zugsammelschiene schalten die Batterieladegeräte automatisch vom Ladebetrieb in den Rückspeisebetrieb um, wenn die Dauerstromversorgung der Zugsammelschiene zur Aufrechterhaltung der Nennspannung von 670 Volt nicht ausreichend Energie liefert oder eine Unterbrechung auftritt. Im Rückspeisebetrieb versorgen somit zeitlich befristet die Batterieladegeräte alle Ausgangsstromrichter und daran angeschlossene notwendige Hilfsbetriebe mit ausreichender elektrischer Energie. Die Rückspeiseleistung ist in diesem Falle beispielsweise auf 30 KW ausgefegt. Für den Fall, daß bei Ausfall der Zugsammelschiene neben den üblichen Verbrauchern noch zusätzlicher Energiebedarf erforderlich wird, würde die Leistung der Batterieladegeräte nicht ausreichen, um alle Aggregate funktionsgerecht speisen zu können. Zum Ausgleich des besonderen Energiebedarfs ist gemäß der Erfindung ein zusätzlicher Energiespeicher vorgesehen, der abhängig von besonderen Energieanforderungen während des Rückspeisebetriebes zusätzlich abgeforderte Spitzenleistungen in den Verbraucherstromkreis der Zugsammelschiene einspeisen kann.

Gemäß Fig. 1 wird eine Zugsammelschiene 1, 2 (aus Hinleiter 1 und Rückleiter 2) aus einem beispielsweise als Zugsammelschienenumrichter ausgebildeten Generator 3 über einen wahlweise gesteuerten Schalter 4 im normalen Betriebsfall gespeist. An die Zugsammelschiene 1, 2 ist eine als Einheit dargestellte Mehrzahl von Verbrauchern 5 angeschaltet. Um bei mangelhafter Stromversorgung der Zugsammelschiene 1, 2 für kurze Zeiträume die ausreichende Energieversorgung der Verbraucher 5 sicherzustellen, ist ein Energiespeicher 6 vorgesehen, der insbesondere als elektrischer Kondensator und dabei vorzugsweise als Doppelschichtkondensator ausgebildet ist. Der Energiespeicher 6 ist auf eine Nennspannung aufladbar, die weit oberhalb der Nennspannung der Zugsammelschiene liegt. Infolge der quadratisch mit der Ladespannung ansteigenden Energiespeicherfähigkeit des Energiespeichers 6 kann derselbe somit eine weit höhere Energiemenge bereithalten, als wenn er unmittelbar parallel zu den Verbrauchern 5 geschaltet wäre. Der Energiespeicher ist daher nur einendig direkt mit dem Rückleiter 2 der Zugsammelschiene 1, 2 verbunden, während sein zweiter Anschluß zum einen über einen Ladesteller 7 und andererseits über einen Entladesteller 8 an die Zugsammelschiene 1, 2 angeschlossen ist. Der Energiespeicher 6 ist dabei zumindest im geladenen Zustand durch die Steller 7, 8 von der unmittelbaren Einwirkung auf die Zugsammelschiene entkoppelt. Die Aufladung des Energiespeichers 6 erfolgt dabei über den Ladesteller 7 aus der Zugsammelschiene 1, 2. Im Bedarfsfall erfolgt seine Entladung über den abhängig von der Belastungssituation steuerbaren Entladesteller 8.

Eine erste Lösungsvariante für den prinzipiellen Aufbau des Ladestellers 7 und des Entladestellers 8 ist aus Fig. 2 zu entnehmen. Hierbei ist eine elektromagnetische, induktivitätsbehaftete Ladedrossel 9 einendig an die Hinleitung 1 des Versorgungsstromkreises 1, 2 und andernends an die Anode eines Ladegleichrichters 10 wirkenden elektrischen Ventils angeschlossen, wobei die Kathode des Ladegleichrichters 10 an den Energiespeicher 6 gelegt ist. Damit erfolgt eine selbstätige Aufladung des Energiespeichers 6, wenn die Hinleitung 1 die positive Zugsammelschienenspannung anliegt.

Über die Serienschaltung 9, 10 wird der Energiespeicher 6 jedenfalls auf die Nennspanhung des Verbraucherstromkreises aufgeladen. Um den Ladesteller 7 als Hochsetzsteller betreiben zu können, ist an die gemeinsame Verbindungsleitung zwischen den Bauelementen 9 und 10 ein Schalttransistor 11 angeschlossen, dessen Schaltstrecke andererseits wie der Energiespeicher 6 an die Rückleitung 2 angeschlossen ist. Durch taktweises Ein- und Ausschalten des Schalttransistors 11 wird zur Aufladung des Energiespeichers 6 über die Nennspannung des Stromversorgungskreises hinaus bei durchgeschalteter Schaltstrecke des Schalttransistors 11 ein elektrischer Stromfluß durch die induktive Drossel 9 bewirkt. Durch Öffnen der Schaltstrecke entsteht dann infolge der in der Drossel 9 gespeicherten elektrischen Energie eine erhöhte Spannung an der Drossel 9, so daß sich der in der Drossel 9 gespeicherte Energieinhalt über den Gleichrichter 10 in den Energiespeicher 6 entlädt und dessen Ladungsmenge und damit Ladespannung erhöht. Bei Erreichen der Ladenennspannung des Energiespeichers 6 wird mittels eines Ladespannungssensors die Taktung des Schalttransistors 11 beendet und der impulsförmige Stromfluß durch die Drossel 9 abgeschaltet.

Sobald bei einer Störung oder bei einer Überlastung des Generators 3 keine für den Betrieb des Verbraucherstromkreises 1, 2 erforderliche Spannungshöhe gegeben ist, wird der Entladesteller 8 aktiviert. Der Entladesteller 8 weist einen ebenfalls taktweise gesteuerten Entladeschalter 12 in Form eines Schalttransistors auf, der in Serie mit einer Entladedrossel 13 liegt, die anderenends wie die Ladedrossel 9 an die Hinleitung 1 des Stromversorgungskreises 1, 2 angeschlossen ist. Ein Gleichrichter 14 ist dabei als Entladeventil mit seiner Kathode an die gemeinsame Verbindungsleitung zwischen Entladeschalter 12 und Entladedrossel 13 angeschlossen, während seine Anode an die Rückleitung 2 des Stromversorgungskreises 1, 2 angelegt ist. Sinkt hierbei die Spannung des Stromversorgungskreises 1, 2 unter einen unteren Grenzwert oder wird ein Zusatzverbraucher eingeschaltet, dann wird der Entladeschalter 12 aktiviert, so daß gespeicherte Energie aus dem Energiespeicher 6 über den Entladeschalter 12 und die Entladedrossel 13 in den Verbraucherstromkreis 1, 2 eingespeist wird. Um dabei Spannungsschwankungen weitgehend zu vermeiden, erfolgt die Entladung durch taktweises Ein- und Ausschalten des Entladeschalters 12, wobei die Entladedrossel 13 den Impulsstrom gedämpft ansteigen läßt. Dabei entlädt sich die in der Entladedrossel 13 gespeicherte elektromagnetische Energie in den Sperrphasen des Entladeschalters 12 über das Gleichrichterventil 14 in den Verbraucherstromkreis.

An den Energiespeicher 6 ist ein Ladespannungssensor angeschlossen, der bei Erreichen einer vorbestimmten Ladespannung den Ladesteller deaktiviert und nach einer Entladung wieder aktiviert. Der Energiespeicher 6 ist dabei insbesondere ein elektrischer Kondensator, der vorzugsweise als Doppelschichtkondensator ausgebildet ist und der für vergleichsweise hohe Nennladungsspannungen bemessen sein kann, um eine hohe Energiedichte auf kleinem Bauraum bereit zu stellen. Der Entladesteller 8 wird bei Ladespannungswerten des Energiespeichers 6 oberhalb der Nennspannung des Verbraucherstromkreises 1, 2 als Spannungstiefsetzsteller betrieben. Bei Ladespannungen des Energiespeichers bei oder unterhalb der Nennspannung des Verbraucherstromkreises 1, 2 ist es zweckmäßig, den Entladesteller 8 als Spannungshochsetzsteller zu betreiben, so daß auch in diesem Falle noch Energie aus dem Energiespeicher 6 entnommen werden kann.

Bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 3 erfolgt eine anfängliche Aufladung des Energiespeichers 6 über eine Serienschaltung aus einem Relaiskontakt 15 und einem der Strombegrenzung dienenden ohmschen Widerstand 16, wobei zu dieser Serienschaltung 15, 16 ein weiterer Relaiskontakt 17 parallel geschaltet ist. In Serie mit der Parallelschaltung 15, 16, 17 liegt die Ladedrossel 9, die anderenends an je einen Anschluß des Ladeschalters 11 und des Entladeschalters 12 sowie an die Anode des Ladegleichrichters 10 und an die Kathode des Entladegleichrichters 14 angeschlossen ist. Die Schaltstrecken der Schalttransistoren 11 und 12 liegen in Serie zueinander und parallel zum Energiespeicher 6, der einendig an die Rückleitung 2 des Verbraucherstromkreises 1, 2 angeschaltet ist. Parallel zum Entladekondensator 6 liegt auch die Serienschaltung aus den Gleichrichtern 10, 14, die gleichgepolt in Sperr- Richtung parallel zum Energiespeicher und antiparallel zu den Schaltern 11, 12 geschaltet sind. Die Parallelschaltungsanordnung aus den beiden Schalttransistoren 11 und 12 sowie den Gleichrichtern 10 und 14 ist in dieser Anordnung als fertiges Bauteil auf dem Markt erhältlich.

Die Aufladung des Energiespeichers 6 auf die am Verbraucherstromkreis 1, 2 anliegende Spannung erfolgt zunächst selbsttätig durch Schließen des Relaiskontakts 15, wobei der Widerstand 16 den Ladestromstoß zusätzlich zur Wirkung der Ladedrossel 19 begrenzt. Der Stromfluß läuft dabei über die Ladedrossel 9 und den Gleichrichter 10 unmittelbar in den Energiespeicher 6, der anderenends an der Rückleitung 2 liegt. Zur Aufladung des Energiespeichers 6 auf Spannungswerte oberhalb des Betriebsspannungswerts des Verbraucherstromkreises 1, 2 wird die Ladedrossel 9 zusammen mit dem Ladeschalter 11 als Spannungshochsetzsteller betrieben, wobei dann der Relaiskontakt 17 die Serienschaltung 15, 16 zur Minderung des Stromkreiswiderstandes überbrückt. Durch Takten des Ladeschalters 11 wird anschließend wie zu Fig. 2 beschrieben, unter Ausnutzung der in der Ladedrossel 9 gespeicherten Energie der Energiespeicher 6 weiter über den Ladegleichrichter 10 auf erhöhte Spannungswerte aufgeladen.

Bei einer Leistungsanforderung im Verbraucherstromkreis 1, 2, die vom Generator 3 nicht gedeckt wird, erfolgt eine Entladung des Energiespeichers 6 leistungsbezogen auf den Zusatzenergiebedarf im Verbraucherstromkreis 1, 2. Hierzu wird der Ladeschalter 11 deaktiviert und ein Tiefsetzsteller aus den Elementen 9, 12, 14 aktiviert. Dabei wirkt dann die Drossel 9 als Entladedrossel. Hierbei wird von einer auch den Ladeschalter 11 steuernden Steuerschaltung 18 der Entladeschalter 12 energieabhänig getaktet, so daß ein Stromfluß über den Entladeschalter 12, die Drossel 9 und den Relaiskontakt 17 in die Hinleitung 1 des Stromversorgungskreises 1, 2 erfolgt. Zur Spannungserfassung wird über eine Leitung 19 das Spannungspotential der Hinleitung 1 einem Spannungssensor in der Steuerschaltung 18 zugeführt, die den Entladeschalter 12 so taktet, daß die vorgegebene Spannung des Verbraucherstromkreises 1, 2 während des Entladevorganges nicht überschritten wird. Die Steuerschaltung erfaßt im übrigen die am Energiespeicher 6 anstehende Ladespannung über eine Leitung 20, die an einem Ladespannungssensor angeschlossen ist.

Während bei den Schaltungsanordnungen nach den Fig. 2 und 3 der Energiespeicher 6 jeweils polaritätsgleich wie die Hinleitung 1 aufgeladen wird, erfolgt die Ladung des Energiespeichers 6 bei den Schaltungsanordnungen nach den Fig. 4 und 5 gegenpolig. Hierbei ist wiederum ein Schalttransistor als Ladeschalter 11 vorgesehen, der einerseits an die Hinleitung 1 des Verbraucherstromkreises 1, 2 angeschlossen ist und zu dem andererseits die Ladedrossel 9 in Serie liegt, die anderenends mit der Rückleitung 2 verbunden ist. An die Verbindungsleitung von Entladeschalter 11 und Ladedrossel 9 ist die Kathode eines Ladegleichrichters 10 angeschaltet, dessen Anode mit dem Energiespeicher 6 verbunden ist, dessen anderer Pol an die Rückleitung 2 gelegt ist. Die Bauelemente 9, 10, 11 bilden hierbei den Ladesteller 7, der in dieser Schaltungsanordnung als Hochsetzsteller arbeitet.

Der zugehörige Entladesteller 8 kann sowohl als Hochsetzsteller als auch als Tiefsetzsteller arbeiten und besteht aus der Serienschaltung eines ebenfalls als Schalttransistor ausgebildeten Entladeschalters 12 und einer Entladedrossel 13, die parallel an den Energiespeicher 6 angeschlossen sind. Von der Verbindungsleitung zwischen dem Entladeschalter 12 und der Entladedrossel 13 führt ein Entladegleichrichter 14 an die Hinleitung 1 des Verbraucherstromkreises 1, 2, wobei die Anode an die Hinleitung 1 angeschaltet ist. Bei dieser Schaltungsanordnung erfolgt die Aufladung des Energiespeichers 6 nur bei einer Impulssteuerung des Ladeschalters 11, wobei diese Impulssteuerung wieder leistungsgerecht durch die Steuerschaltung 18 erfolgt. Bei Stromfluß durch den Ladeschalter 11 wird die induktive Drossel 9 elektromagnetisch aufgeladen, so daß bei einer Unterbrechung des Stromflusses über den Ladeschalter 11 die in der Drossel 9 gespeicherte elektromagnetische Energie über den Ladegleichrichter 10 in den Energiespeicher 6 geladen wird. Die Ladespannung 6 ist dabei gegenpolig zu der am Hinleiter 1 anstehenden Spannung, nachdem die in der Drossel 9 entstehende Selbstinduktionsspannung negativ wird. Sie erreicht zudem Spannungswerte, die bekanntermaßen höher als die Ladespannung ist. Dadurch kann auch vorliegend der Energiespeicher 6 auf Spannungswerte aufgeladen werden, die im Betrag höher als die Spannung des Verbraucherstromkreises 1, 2 ist.

Bei der Entladung zur Stützung des Verbraucherstromkreises 1, 2 wird der Entladeschalter 12 in den leitenden Zustand versetzt, so daß nur die Entladedrossel 13 stromgespeist wird, nachdem die anstehende Spannung an der Anode des Entladegleichrichters 14 gesperrt wird. Nach dem Abschalten des Entladestromes mittels des Entladeschalters 12 wird dann die in der Entladedrossel 13 gespeicherte elektromagnetische Energie wiederum unter Umkehrung der Induktionsspannung nun über den Entladegleichrichter 14 in die Hinleitung 1 eingespeist. Der Entladeschalter 8 kann dabei auch als Hochsetzsteller betrieben werden, wenn die Ladespannung am Energiespeicher 6 niedriger als die im Verbraucherstromkreis 1, 2 geforderte Spannung ist, weil durch die Parallelschaltung der Entladedrossel 13 zum Energiespeicher 6 jedenfalls ein Stromfluß möglich ist, wenn der Entladeschalter 12 durchgeschaltet ist. Die Anpassung der Energie an den Bedarf erfolgt dabei durch leistungsbezogene Bemessung der Impulslänge für den Stromfluß durch die Entladedrossel 13.

Bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 5 wird der Energiespeicher 6 wiederum gegenpolig zur Hinleitung 1 des Verbraucherstromkreises 1, 2 aufgeladen, wie es bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 4 der Fall ist. Hier ist jedoch wiederum nur eine Drossel 9 als Ladedrossel wie als Entladedrossel erforderlich. Dabei ist der einseitig mit der Rückleitung 2 verbundene Energiespeicher 6 anderenends über die Serienschaltung aus einem Entladeschalter 12 und einem Ladeschalter 11 an die Hinleitung 1 angeschlossen. Parallel zum Ladeschalter 11 liegt dabei der als elektrisches Ventil wirkende Entladegleichrichter 14, während parallel zum Entladeschalter 12 der als elektrisches Ventil wirkende Ladegleichrichter 10 liegt. Beide Gleichrichter 10 und 14 sind mit ihren Kathoden zum Hinleiter 1 hin gerichtet. Die Drossel 9 ist an die gemeinsame Verbindungsleitung zwischen den Schaltern 11, 12 und den Gleichrichtern 10, 14 einendig angeschlossen, während das andere Ende mit der Hinleitung 2 verbunden ist. Für die Aufladung des Energiespeichers 6 wird der Ladeschalter 11 taktweise ein- und ausgeschaltet, so daß nach einer Einspeicherung elektromagnetischer Energie in die Drossel 9 nach der Unterbrechung des Stromflusses die Entladung der elektromagnetischen Energie aus der Drossel 9 mit umgekehrter Spannungspolarität über den Ladegleichrichter 10 in den Energiespeicher 6 erfolgt. Bei geforderter Unterstützung des Verbraucherstromkreises 1, 2 wird dann der Entladeschalter 12 impulsweise ein- und ausgeschaltet, wobei wiederum nach einer elektromagnetischen Aufladung der Drossel 9, deren gespeicherter Energieinhalt bei unterbrochenem Stromfluß sich mit wiederum umgekehrter Polarität über den Entladegleichrichter polungsgerecht in die Hinleitung 1 entlädt. Die Funktionsweise ist dabei wie bei der Schaltungsanordnung nach Fig. 4. Das Diagramm gemäß Fig. 6 veranschaulicht den Spannungsverlauf am Verbraucherstromkreis 1, 2 bzw. an der Zugsammelschiene bei Ausfall oder Minderleistung des Generators 3. Bei normaler Funktion oder Versorgung aus dem Generator 3 (siehe z. B. Fig. 1) steht an der Zugsammelschiene bzw. dem daraus gespeisten Verbraucherstromkreis 1, 2 eine Spannung von zunächst 670 Volt Gleichstrom an. Tritt eine Störung auf, dann wird unter stufiger Abschaltung von nicht betriebsnotwendigen Verbrauchern die Leistung von z. B. 450 KW über 250 KW stufig auf 20 KW zur Speisung der betriebsnotwendigen Verbraucher abgesenkt. Die hierfür erforderliche Energie wird den zuvor aus dem Generator gespeisten Batterien entnommen. Tritt während der Störungsphase dennoch ein zusätzlicher sicherheitsrelevanter Energieverbrauch auf, dann wird zwar der Energiebedarf bis 30 KW noch weiterhin aus den Batterien gedeckt, darüber hinausgehender Energiebedarf, der vorliegend beispielsweise auf 65 KW ansteigen kann, wird dann aber für beispielsweise eine Dauer von 5 Sekunden aus dem zusätzlichen Energiespeicher 6 gedeckt. Bei ausreichendem Energieinhalt des Energiespeichers 6 kann diese zusätzliche Stützung der Zugsammelschiene auf dem verminderten Spannungsniveau von 500 Volt nochmals für eine weitere Zeitspanne von 5 erfolgen.

Claims (16)

1. Stromversorgungsanordnung mit einer Gleichstromquelle, mit einem daraus gespeisten Verbraucherstromkreis und mit einem elektrischen Energiespeicher, der im Bedarfsfall elektrische Energie an den Verbraucherstromkreis liefert, insbesondere für Zugsammelschienen in Schienenfahrzeugen zur Stromversorgung von vorzugsweise funktionswichtigen und/oder sicherheitsrelevanten Verbrauchern, dadurch gekennzeichnet, daß der Energiespeicher (6) einerseits über einen Ladesteller (7) sowie andererseits über einen steuerbaren Entladesteller (8) an den Verbraucherstromkreis (1, 2) angeschaltet ist, daß der Ladesteller (7) und/oder der Entladesteller (8) ein Spannungsumsetzsteller ist und daß an den Verbraucherstromkreis (1, 2) ein Spannungssensor angekoppelt ist, der den Entladesteller (8) bei Unterschreiten einer unteren Grenzspannung des Verbraucherstromkreises (1, 2) aktiviert und bei Erreichen des Nennspannungsbereichs deaktiviert.

2. Stromversorgungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungssensor bei Unterschreiten der unteren Grenzspannung den Ladesteller (7) deaktiviert.

3. Stromversorgungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an den Energiespeicher (6) ein Ladespannungssensor angeschlossen ist, der bei Erreichen einer vorbestimmten Ladespannung den Ladesteller (7) deaktiviert.

4. Stromversorgungsanordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß der Entladesteller (8) bei Ladespannungswerten des Energiespeichers (6) oberhalb der Nennspannung des Verbraucherstromkreises (1, 2) als Spannungstiefsetzsteller und bei Ladespannungswerten des Energiespeichers (6) unterhalb der Nennspannung des Verbraucherstromkreises (1, 2) als Spannungshochsetzsteller arbeitet.

5. Stromversorgungsanordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ladesteller (7) bei Betrieb eines an den Verbraucherstromkreis (1, 2) angeschalteten Antriebsmotors als Generator (3) in den Verbraucherstromkreis rückgespeiste Energie in den Energiespeicher (6) einspeist.

6. Stromversorgungsanordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß der Energiespeicher (6) ein elektrischer Kondensator ist.

7. Stromversorgungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Energiespeicher (6) ein elektrischer Doppelschichtkondensator ist.

8. Stromversorgungsanordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß der Ladesteller (7) ein Spannungshochsetzsteller ist und eine Serienschaltung aus einer elektromagnetischen Ladedrossel (9) sowie einem steuerbaren Ladeschalter (11) aufweist, wobei ein elektrischer Ladegleichrichter (10) einerseits an den Verbindungspunkt zwischen Drossel (9) und Ladeschalter (11) und andererseits in Ladestromflußrichtung an den Energiespeicher (6) angeschlossen ist, daß der Entladesteller (8) eine Serienschaltung aus einer elektromagnetischen Entladedrossel (13) und einem elektrischen, in Sperr-Richtung betriebenen Entladegleichrichter aufweist, wobei ein steuerbarer Entladeschalter (12) in Entladestromflußrichtung einerseits an den Energiespeicher (6) und andererseits an den Verbindungspunkt zwischen der Entladedrossel (13) und dem Entladegleichrichter (14) angeschlossen ist und daß die Drosseln (9, 13) an eine gemeinsame Hinleitung (1) des Stromversorgungskreises (1, 2) und der Entladeschalter (11), der Energiespeicher (6) sowie der Entladegleichrichter (14) an die andere Leitung (2) des Stromversorgungskreises (1, 2) angeschlossen sind.

9. Stromversorgungsanordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zum Energiespeicher (6) die Serienschaltungen aus zwei in Sperr-Richtung geschalteten elektrischen Gleichrichtern (10, 14) und aus zwei steuerbaren elektrischen Schaltern (11, 12) liegen, wobei die Serienschaltungen und der Energiespeicher einendig an eine gemeinsame Leitung (2) des Verbraucherstromkreises (1, 2) angeschlossen sind, und mit einer elektromagnetischen Drossel (9), die einerseits an die Mittelpunkte der Serienschaltungen und andererseits an die weitere Leitung (1) des Verbraucherstromkreises (1, 2) angeschlossen ist.

10. Stromversorgungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Drossel (9) über die Parallelschaltung aus einem Vorladeschalter (15) mit einem damit in Serie geschalteten Ladebegrenzungswiderstand (16) und aus einem Hauptladeschalter (17) an die weitere Leitung (1) des Verbraucherstromkreises (1, 2) angeschlossen ist.

11. Stromversorgungsanordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß der Energiespeicher (6) einendig an eine erste Leitung (2) des Verbraucherstromkreises (1, 2) angeschlossen ist, daß der Spannungsumsetzsteller eine Serienschaltung aus einem an den Energiespeicher (6) angeschlossenen Ladegleichrichter (10) und einer an eine erste Leitung (2) des Verbraucherstromkreises angeschlossenen Ladedrossel (9) aufweist, wobei der Verbindungspunkt dieser Serienschaltung über einen steuerbaren Ladeschalter (11) an die weitere Leitung (1) des Verbraucherstromkreises angeschlossen und der Ladegleichrichter (10) so gepolt ist, daß der Energiespeicher (6) gegenpolig zur weiteren Leitung (1) aufgeladen wird, und daß der Entladesteller (8) eine Serienschaltung aus einem an den Energiespeicher (6) angeschlossenen Entladeschalter (12) und einer an eine erste Leitung (2) des Verbraucherstromkreises (1, 2) angeschlossenen Entladedrossel (13) aufweist, wobei der Verbindungspunkt dieser Serienschaltung über einen elektrischen Gleichrichter (14) an die weitere Leitung (1) des Verbraucherstromkreises (1, 2) angeschlossen ist.

12. Stromversorgungsanordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß der Energiespeicher (6) einendig an eine erste Leitung (2) des Verbraucherstromkreises (1, 2) und andererseits über die Serienschaltung aus einem Entladeschalter (12) und einem Ladeschalter (11) an die weitere Leitung (1) des Verbraucherstromkreises (1, 2) angeschlossen ist, wobei antiparallel zum Entladeschalter (12) ein Ladegleichrichter (10) und antiparallel zum Ladeschalter (11) ein Entladegleichrichter (14) liegt und daß an die Verbindungsleitung zwischen den beiden Schaltern (11, 12) eine Drossel (9) angeschaltet ist, die anderenends an die erste Leitung (2) des Verbraucherstromkreises (1, 2) gelegt ist.

13. Stromversorgungsanordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1-12, dadurch gekennzeichnet, daß in den Ladestromkreis des Ladeschalters (11) und/oder der Ladedrossel (9) ein Stromflußsensor (21) gelegt ist, der bei Erreichen eines vorgegebenen oberen Stromwertes den Ladeschalter (11) in Sperrstellung steuert.

14. Verfahren zur Stromversorgung eines Verbraucherstromkreises nach wenigstens einem der Ansprüche 1-13, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Energiespeicher (6) aus einer Energiequelle geladen und nur bei Ausfall oder Überlastung des Verbraucherstromkreises (1, 2) in den Verbraucherstromkreis (1, 2) gesteuert entladen wird.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Energiespeicher (6) auf eine Spannung aufgeladen wird, die höher als die Nennspannung des Verbraucherstromkreises (1, 2) ist.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Energiespeicher (6) impulsförmig über eine Drossel in den Verbraucherstromkreis (1, 2) entladen wird.