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1. WO2020114659 - ANORDNUNG ZUM ANTRIEB EINER LOKOMOTIVE MIT UNTERSCHIEDLICHEN ENERGIEBEREITSTELLUNGSSYSTEMEN

Anmerkung: Text basiert auf automatischer optischer Zeichenerkennung (OCR). Verwenden Sie bitte aus rechtlichen Gründen die PDF-Version.

[ DE ]

Beschreibung

Anordnung zum Antrieb einer Lokomotive mit unterschiedlichen EnergiebereitstellungsSystemen .

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Antrieb einer Loko motive mit unterschiedlichen Energiebereitstellungssystemen .

Es sind Lokomotiven mit unterschiedlichen Energieversorgungs systemen bekannt, die jeweils unabhängig voneinander in der Lokomotive angeordnet sind und unabhängig voneinander betrie ben werden.

Eine Zweikraftlokomotive verwendet beispielswiese als erstes Energieversorgungssystem einen Dieselmotor, der einen mit dem Dieselmotor gekoppelten elektrischen Generator antreibt. Eine dadurch erzeugte elektrische Leistung wird an elektrische An triebsmotoren der Lokomotive übertragen, die dann die Lokomo tive antreiben.

Parallel dazu ist auf der Lokomotive ein zweites, beispiels weise ein elektrisches, Energieversorgungssystem vorhanden. Die Lokomotive entnimmt über einen Stromabnehmer bzw. Panto-graphen elektrische Leistung aus einer Hochspannungs-Oberleitung und führt diese über einen Hauptschalter einem Transformator zu. Der Transformator wandelt die Hochspannung auf einen niedrigeren Mittelspannungswert herunter. Die Mit telspannung wird dann über einen sogenannten Vierquadranten steller und einem diesem nachgeschalteten Wechselrichter wie derum elektrischen Antriebsmotoren der Lokomotive zugeführt, die dann die Lokomotive antreiben.

Derartige Lokomotiven sind flexibel einsetzbar, da sie als Schienenfahrzeuge mit Stromabnehmer und mit Dieselmotor auf elektrifizierten Strecken, auf nicht-elektrifizierten Stre cken sowie in deren Übergangsbereichen nahezu unterbrechungs frei fahren können.

Nachteilig ist hingegen, dass ein derartiges Schienenfahrzeug eine hohe Gesamtmasse und ein großes Volumen aufweist, be dingt durch die beiden parallel ausgebildeten Energieversor gungssysteme bzw. ihrer Komponenten.

Aufgrund von gegebenen Beschränkungen im Volumen des Schie nenfahrzeugs und in dessen zulässigem Gesamtgewicht ist die Anzahl der zu nutzenden Energieerzeugungssysteme begrenzt. Im Allgemeinen sind zwei, maximal drei Energieversorgungssysteme pro Schienenfahrzeug bzw. pro Schienenfahrzeug-Zugverband vorgesehen .

Es ist auch bekannt, für eine zeitlich versetzte Nutzung von unterschiedlichen Energieversorgungssystemen eine erste Loko motive, die beispielsweise über einen Dieselantrieb verfügt, und eine zweite Lokomotive, die beispielweise über einen Stromabnehmer sowie über Drehstrommotoren verfügt, miteinan der zu koppeln und diese gekoppelten Lokomotiven als Zugver band einzusetzen. Je nach Streckenabschnitt wird dann eine der beiden Lokomotiven als Zugfahrzeug, beispielsweise von Waggons, etc., benutzt.

Aufgrund des Gewichts, des Fahrwiderstands und der Masse der jeweils nicht benötigten Lokomotive wird sowohl zusätzlich Leistung verbraucht als auch der Wartungsaufwand erhöht.

Letztlich ist die Zugverband-Lösung zwar einfach realisier bar, verursacht jedoch große Kosten im Betrieb.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Lösung für eine Lokomotive anzugeben, die eine kostengünstige Nutzung unterschiedlicher Energieversorgungen ermöglicht .

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprü chen angegeben.

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Antrieb einer Loko motive mit unterschiedlichen Energiebereitstellungssystemen, wobei die Lokomotive ein Hauptenergiebereitstellungssystem als Hauptsystem und ein Antriebssystem beinhaltet.

Vom Hauptsystem bereitgestellte Energie wird als Antriebs leistung dem Antriebssystem zugeführt und von diesem zum Be wegen der Lokomotive verwendet.

Ein Wagen beinhaltet zumindest ein weiteres Energiebereit stellungssystem als Nebensystem, wobei das Nebensystem zeit versetzt zum Hauptsystem dazu verwendet wird, Antriebsleis tung dem Antriebssystem zuzuführen.

Komponenten, die sowohl vom Hauptsystem als auch von dem zu mindest einen Nebensystemen nutzbar sind, sind lediglich ein mal ausgeführt und werden sowohl vom Hauptsystem als auch vom zumindest einen Nebensystem gemeinsam genutzt.

Komponenten, die ausschließlich von dem zumindest einen Ne bensystem nutzbar sind, sind auf dem Wagen angeordnet.

Die vom Energiebereitstellungssystem bereitgestellte bzw. um geformte Energie wird als Antriebsleistung dem Antriebssystem zugeführt und von diesem dazu verwendet, die Lokomotive anzu treiben bzw. zu bewegen.

Dabei bildet ein erstes Energiebereitstellungssystem ein so genanntes Hauptenergiebereitstellungssystem bzw. Hauptsystem.

Ein weiteres Energiebereitstellungssystem, das (parallel je doch) zeitversetzt zum Hauptenergiebereitstellungssystem ver wendet werden soll, bildet ein sogenanntes erstes Nebenener-giebereitstellungssystem bzw. erstes Nebensystem.

Weitere Energiebereitstellungssysteme, die wiederum parallel jedoch zeitversetzt zum Hauptenergiebereitstellungssystem und zum ersten Nebenenergiebereitstellungssystem verwendet werden sollen, bilden dann entsprechend ein zweites, drittes, etc., Nebenenergiebereitstellungssystem bzw. Nebensystem.

Die Komponenten des Hauptsystems sind in einer bevorzugten Ausgestaltung vollständig auf der Lokomotive angeordnet. Da mit wird ein autarker Betrieb der Lokomotive ermöglicht, da dann alle benötigten Komponenten (Energiebereitstellung bzw. Energieumformung und Antrieb) Bestandteil der Lokomotive sind .

Komponenten, die sowohl vom Hauptsystem als auch von den je weiligen Nebensystemen nutzbar sind, werden lediglich einfach ausgeführt .

In einer bevorzugten Weiterbildung sind diese Komponenten, wie eingangs beschrieben, auf der Lokomotive selbst angeord net .

In einer alternativen Ausgestaltung sind diese Komponenten zumindest teilweise auf dem nachfolgend beschriebenen Wagen angeordnet .

Komponenten, die nur von den jeweiligen Nebensystemen nutzbar sind, werden auf einem Wagen angeordnet.

Der Wagen ist bevorzugt unmittelbar mit der Lokomotive gekop pelt - beide bilden somit quasi ein Gespann.

Alternativ dazu kann die Lokomotive mit dem Wagen auch durch Leitungsverlängerungen, die durch weitere (Nutz-) Wagen hin durchführen, mittelbar verbunden sein.

Nachfolgend werden gängige Energiebereitstellungssysteme mit Komponenten sowie deren Aufteilung zwischen Lokomotive und Wagen angegeben, sofern es sich um Nebensysteme handelt:

Wechselstrombetrieb :

Anordnung auf dem Wagen:

- Stromabnehmer bzw. Pantograph

- Hauptschalter

- Transformator

- Vierquadrantensteller

(Teil-) Zwischenkreis

Anordnung auf der Lokomotive:

(Teil-) Zwischenkreis

- Umrichter bzw. Frequenzumrichter für die Fahrmotoren

- Drehstrom-Asynchronmotor ( -en) als Fahrmotor ( -en)

- Kühlung für Fahrmotor ( -en) ,

- Druckluftbremsanlage

- Kompressorsystem für Druckluftbremsanlage

Gleichstrombetrieb :

Anordnung auf dem Wagen:

- Stromabnehmer bzw. Pantograph

- Hauptschalter bzw. Schnellschalter

- Hochsetzsteller (optional, wandelt die Gleichspannung in die gewünschte Zwischenkreisspannung um)

(Teil-) Zwischenkreis

Anordnung auf der Lokomotive:

(Teil-) Zwischenkreis

- Umrichter bzw. Frequenzumrichter für die Fahrmotoren

- Drehstrom-Asynchronmotor ( -en) als Fahrmotor ( -en)

- Kühlung für Fahrmotor ( -en)

- Druckluftbremsanlage

- Kompressoranlage für Druckluftbremsanlage

Dieselbetrieb :

Anordnung auf dem Wagen:

- Dieselmotor zur Stromerzeugung

- Generator zur Erzeugung der benötigten elektrische Leistung bzw. Energie

- Umrichter zur Anpassung der Energie an den Zwischen kreis ( Spannungsanpasung)

- (Teil-) Zwischenkreis

Anordnung auf der Lokomotive:

- (Teil-) Zwischenkreis

- Umrichter bzw. Frequenzumrichter für die Fahrmotoren

- Drehstrom-Asynchronmotor ( -en) als Fahrmotor ( -en)

- Kühlung für Fahrmotoren,

- Druckluftbremsanlage

- Kompressorsystem für Druckluftbremsanlage

Energiespeicherbetrieb :

Anordnung auf dem Wagen:

- Energiespeicher z.B. Akkumulatoren, WasserstoffSpei cher mit Brennstoffzelle, Ultracaps, etc.

- eventuell erforderliche Energieumwandler auf elektri sche Energie (z.B. bei Verwendung einer Brennstoff zelle)

- eventuell Umrichter zur Anpassung der Energiespei cherspannung in eine gewünschte Zwischenkreisspannung

- (Teil-) Zwischenkreis

Anordnung auf der Lokomotive:

- (Teil-) Zwischenkreis

- Umrichter bzw. Frequenzumrichter für die Fahrmotoren

- Drehstrom-Asynchronmotor als Fahrmotor

- Kühlung für Fahrmotoren

- Druckluftbremsanlage

- Kompressoranlage für Druckluftbremsanlage

In einer beispielhaften Übersicht, jedoch nicht einschrän kend, wird nachfolgend eine Konfiguration näher beschrieben, bei der eine Lokomotive sowohl eine elektrifizierte Strecke mit AC-Hochspannung als auch eine nicht-elektrifizierte Stre cke befahren können soll.

In einer bevorzugten Ausgestaltung wird dann ein Dieselan trieb als Hauptsystem und ein Wechselstromantrieb als erstes Nebensystem ausgewählt.

Die benötigten Komponenten werden bevorzugt und wie folgt zwischen der Lokomotive einerseits und dem Wagen andererseits aufgeteilt :

Auf der Lokomotive werden Komponenten des Hauptsystems , d.h. des Dieselantriebs, angeordnet. Diese Komponenten werden teilweise sowohl vom Hauptsystem als auch vom Nebensystem ge nutzt. Im Einzelnen sind dies:

- Dieselmotor

- Generator zur Erzeugung der benötigten elektrische Leis tung

- (Teil-) Zwischenkreis

- Umrichter

- Drehstrom-Asynchronmotor ( -en) als Fahrmotor ( -en)

- Kühlung für Fahrmotoren,

- Druckluftbremsanlage

- Kompressorsystem für Druckluftbremsanlage

Auf dem Wagen werden alle verbleibenden Komponenten des Ne bensystems angeordnet. Diese Komponenten werden nur vom Ne bensystem genutzt. Dies sind:

- Stromabnehmer bzw. Pantograph

- Hauptschalter

- Transformator

- Vierquadrantensteller

(Teil-) Zwischenkreis

Zwischen Hauptsystem und Nebensystem wird seitens der Lokomo tive je nach Streckenabschnitt eine Auswahl getroffen. Die jeweils benötigten Komponenten werden über eine Auswahlschal tung miteinander verbunden, um die Lokomotive in Abhängigkeit des Streckenabschnitts zu betreiben.

Die Lokomotive beinhaltet somit alle benötigten Komponenten für einen autarken, Diesel-basierten Betrieb in einer vorge gebenen ersten Strecke.

In einer bevorzugten Weiterbildung sind etwaige (Teil-) Zwi schenkreise beispielswiese über Trenner abtrennbar ausge führt .

In einer bevorzugten Weiterbildung sind Anschlusspunkte für etwaige (Teil-) Zwischenkreise an einem Ende oder an beiden Enden der Lokomotive angeordnet, so dass ein Anschluss von außerhalb der Lokomotive ermöglicht wird.

Über entsprechend ausgestaltete elektrische Verbindungen der Teil-Zwischenkreise des Wagens und der Lokomotive wird ein betriebsfähiges Lokomotive-Wagen Gespann generiert. Dabei wird das Energiebereitstellungssystem des Wagens mit den An triebskomponenten der Lokomotive verbunden.

Die Energiebereitstellung des Wagens erfolgt wahlweise über ein oder mehrere unterschiedliche, installierte Energiebe-reitstellungssysteme .

In einer bevorzugten Weiterbildung wird nicht benötigter, freier Platz bzw. Volumen des Wagens, dessen Größe im Allge meinen von einem Betreiber vorgebeben wird, für andere Zwecke als für die der Energiebereitstellung verwendet. Dieser freie Platz kann beispielswiese zum Güter-, Post- oder zum Perso nentransport verwendet werden.

Darüber hinaus kann der freie Platz für zusätzliche Service angebote (z.B. Speisewagenbetrieb, VIP-Lounge, Arbeitsbereich für Geschäftsreisende) verwendet werden, um die Wirtschaft lichkeit des gesamten Gespanns, bestehend aus Lokomotive und Wagen, zusätzlich zu erhöhen.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht über die räumliche Zu ordnung der einzelnen Komponenten zur Lokomotive bzw. zum Wa gen sowie durch die Komponenten-Mehrfachnutzung eine Einspa rung an Kosten, Volumen und Gewicht.

Wartungs- und Betriebskosten werden im Vergleich zum bekann ten Stand der Technik reduziert bzw. eingespart.

Das Gewicht des mitzuführenden Wagens liegt deutlich unter dem Gewicht einer bislang benötigten zweiten Lokomotive, so dass darüber hinaus Energiekosten gespart und eine Abnutzung der Infrastruktur (Gleise) reduziert wird.

Die Erfindung optimiert Kosten und Verwendungszweck durch ei nen modulare Aufbauweise.

Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung beispielhaft an hand einer Zeichnung näher erläutert.

FIG 1 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem Hauptenergiebereitstellungssystem (Hauptsystem) und mit insgesamt vier Nebenenergiebereitstellungssysteme (Neben systeme) .

Eine Lokomotive LOK trägt alle Komponenten eines Hauptsystems HA, bei dem es sich hier beispielhaft um einen Dieselantrieb handelt .

Die Lokomotive LOK wird mit Hilfe von Fahrmotoren FM ange trieben, die ebenfalls in der Lokomotive LOK integriert sind.

Weiterhin trägt die Lokomotive LOK Komponenten, die für ihren autarken Betrieb als Diesel-Lokomotive benötigt werden. Bei spielhaft handelt es sich dabei um ein Zugsicherungssystem ZUGSI, um ein Steuerungssystem STEU und um eine Antriebsaus rüstung ANTA.

Ein mit der Lokomotive LOK gekoppelter Wagen WA trägt Kompo nenten der vier Nebensysteme.

Dabei handelt es sich um:

- ein erstes Nebensystem HS1, das als Wechselstrom- Energiebereitstellungssystem einer ersten Frequenz aus gebildet ist,

- ein zweites Nebensystem HS2, das als Gleichstrom- Energiebereitstellungssystem ausgebildet ist,

- ein drittes Nebensystem BSZ, dessen Energiebereitstel lung unter Verwendung einer Brennstoffzelle erfolgt, und um

- ein viertes Nebensystem BAT, dessen Energiebereitstel lung unter Verwendung einer Batterie erfolgt.

Das erste Nebensystem HS1 entnimmt mit Hilfe eines Stromab nehmers SA1 Leistung aus einem Streckennetz. Beim Stromabneh mer SA1 handelt es sich beispielsweise um einen auf dem Dach des Wagens WA angeordneten, aus- bzw. einfahrbaren Stromab nehmer oder Pantographen .

Das zweite Nebensystem HS2 entnimmt mit Hilfe eines Stromab nehmers SA2 Leistung aus einem Streckennetz. Beim Stromabneh mer SA2, der hier vierfach ausgeführt ist, handelt es sich beispielsweise um einen seitlichen, aus- bzw. einklappbaren Stromabnehmer .

Die beiden Nebensysteme HS1 und HS2 nutzen gemeinsam einen Transformator bzw. eine Drossel TRAFO, der ebenfalls einen Teil des Wagens WA bildet.

Für die Nebensysteme HS1 und HS2 ist außerdem ein Steller 4QS vorgesehen, der ebenfalls gemeinsam genutzt wird und der ei nen weiteren Teil des Wagens WA bildet.

Dabei ist der Steller 4QS als Vierquadrantensteller für das erste Nebensystem HS1 ausgebildet. Der Steller 4QS ist als Hoch-/Tiefsetzsteiler für das zweite Nebensystem HS2 ausge bildet .

Erzeugte Zugenergie bzw. Leistung der vier Nebensysteme HS1 bis HS4 gelangt vom Wagen WA an die Lokomotive LOK über eine Leitung DC-link.

Eine weitere Leitung STEUER übermittelt notwendige Steuersig nale beidseitig zwischen Wagen WA und Lokomotive LOK.

Der Wagen WA ist lösbar oder fest-gekuppelt mit der

Lokomotive LOK verbunden.

Mit Hilfe der Leitung DC-Link kann die Lokomotive LOK vom Wa gen WA her mit DC-Spannung versorgt werden.

Dazu erforderliche Komponenten, wie z. B. Stromrichter,

Transformator, Glättungseinrichtungen, etc., sind auf dem Wa gen WA angeordnet, um die zum Antrieb benötigte Energie zu erzeugen. Alternativ dazu sind sie auf der Lokomotive LOK an gebracht .

Die benötigte Energie kann auch zur Versorgung eines Bordnet zes der Lokomotive LOK genutzt werden.