AT528080A1 - Umschaltvorrichtung für Traktionsantrieb - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft Umschaltvorrichtung (1) für ein Traktionssystem eines Schienenfahrzeugs (19), umfassend - ein erstes Schaltmodul (2) mit Leistungseingängen (6) zur Anschaltung an einen Stromrichter (15), mit Leistungsausgängen 7, 7a, 7b zur Anschaltung an mindestens einen Traktionsmotor (8a, 8b) und mit Schaltelementen zur Durchführung einer von einem vorgegebenen Betriebsbereich des Traktionsmotors (8a, 8b) abhängigen Gruppenumschaltung zwischen den Leistungseingängen (6) und den Leistungsausgängen (7, 7a, 7b), - ein Kommunikationsmodul zur Übermittlung von Traktionsmotorparametern {Ln, Rn, p} an den Stromrichter (15) in Abhängigkeit des vorgegebenen Betriebsbereichs.

Description

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Umschaltvorrichtung für Traktionsantrieb

Die Erfindung betrifft eine Umschaltvorrichtung für

mindestens einen Traktionsantrieb eines Schienenfahrzeugs.

Die Erfindung betrifft weiters ein Traktionssystem für ein Schienenfahrzeug mit mindestens einem Traktionsantrieb, umfassend mindestens einen Stromrichter, mindestens eine

Umschaltvorrichtung und mindestens einen Traktionsmotor.

Erfindungsgegenstand ist auch ein Schienenfahrzeug mit Arbeitsaggregaten und mit einem drehzahlverstellbaren Traktionsantrieb, der mindestens einen Stromrichter enthält, vorgesehen zur Ansteuerung von Traktionsmotoren, die eingerichtet sind zum Antrieb von Achsen des Schienenfahrzeugs, wobei der genutzte Drehzahlbereich der Traktionsmotoren charakterisiert ist durch einen ersten Betriebsbereich, in dem das Schienenfahrzeug vorgesehen ist, einen Schienenfahrweg mit seinen Arbeitsaggregaten zu bearbeiten, und einen zweiten Betriebsbereich, in dem das Schienenfahrzeug vorgesehen ist, den Schienenfahrweg zu befahren, ohne dass dieser durch die Arbeitsaggregate

bearbeitet wird.

Für die Errichtung und Instandhaltung von Schienenfahrwegen der Eisenbahninfrastruktur in Ländern und Regionen werden spezialisierte Schienenfahrzeuge eingesetzt, die beispielsweise die Schotterschicht des Fahrwegoberbaus herstellen oder erneuern, die Schwellen und Schienen auf diese Schotterschicht auflegen, montieren, ausrichten und eine fehlerhafte Gleislage korrigieren, die eine bestehende Gleislage vermessen, die Module einer festen Fahrbahn verlegen, montieren und erneuern oder eine

Oberleitungsanlage errichten oder erneuern.

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Diese spezialisierten Schienenfahrzeuge werden als Gleisbauoder Gleisinstandhaltungsmaschinen bezeichnet und sind charakterisiert durch mindestens ein Arbeitsaggregat wie beispielsweise ein Stopfaggregat, ein Hebe- und Richtaggregat, einen Schotterpflug, mindestens eine mechanische oder optische Bezugsachse, eine Gleislagevermessungsvorrichtung, ein oder mehrere Aggregate zur Herstellung oder Erneuerung der Oberbaumaterialschichten, mindestens ein Schweiß- und/oder Schleifaggregat für die Schienen des Schienenfahrwegs und/oder ein Arbeitsaggregat für Bau und Instandhaltung der

Oberleitung.

Zwei oder mehrere dieser spezialisierten Schienenfahrzeuge können auch zu Schienenfahrzeugverbänden verkoppelt werden und stellen durch die Anordnung von einer Teilmenge der oben genannten Arbeitsaggregate einen spezifischen Funktionsumfang für die Herstellung oder Instandhaltung

eines Schienenfahrwegs zur Verfügung.

Der Betrieb der Schienenfahrzeuge für den Gleisbau umfasst nach dem Stand der Technik zwei unterschiedliche Geschwindigkeitsbereiche, der sich für

(1) Überstellfahrten oder Vermessungsfahrten typischerweise von 20km/h bis über 100km/h erstreckt und der bei

(2) Bearbeitung des Schienenfahrwegs mittels der Arbeitsaggregate typischerweise zwischen 0,2km/h bis 3km/h liegt.

Die genannten Schienenfahrzeuge sind entweder mit eigenen Traktionsantrieben ausgestattet oder werden im Schienenfahrzeugverband von mit Traktionsantrieben

ausgestatten Schienenfahrzeugen bewegt.

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Neben Traktionsantrieben, die nach dem Prinzip von thermodynamischen Verbrennungskraftmaschinen arbeiten, d.h. die chemische Bindungsenergie eines Kraftstoffs durch exotherme chemische Reaktionen in eine für die Traktion des Schienenfahrzeugs ausreichende rotatorische oder lineare mechanische Bewegung umwandeln, werden aufgrund von technischen, Äkonomischen, gesellschaftlichen und ökologischen Erwägungen mehr und mehr auch elektrodynamische

Traktionsantriebe eingesetzt.

Nach dem Stand der Technik wird, um einen Dauerbetrieb in den beiden weiter oben angegebenen Betriebspunkten bzw. Betriebsbereichen der Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs zu ermöglichen, die Ansteuerung der elektrischen Traktionsmotoren dieser Traktionsantriebe mit Frequenzen zwischen weniger als 2Hz und mehreren hundert Hertz bei hohen Motorströmen betrieben, wodurch aufgrund der weiten Spreizung dieser Betriebspunkte bzw. Betriebsbereiche die

Effizienz des Traktionsantriebs vermindert ist.

Der Aufwand für Steuerung und Regelung des Traktionsantriebs

ist in diesem Fall ebenfalls hoch.

So ist die Steuerbarkeit und Regelbarkeit von gängigen drehzahlverstellbaren Traktionsantrieben, die eine Kombination von Stromrichtern und Traktionsmotoren umfassen, wegen prinzipbedingten Einschränkungen des Modulationsverfahrens bei sehr kleinen Ansteuerfrequenzen

beeinträchtigt.

Wird der Drehzahlbereich erweitert oder gespreizt, ohne dass

eine Umschaltung vorgesehen ist, sind aufgrund notwendiger

Kompromisse bei der Auslegung und Konstruktion hohe Werte

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für die Eingangsströme der Maschine nötig, um die

geforderten Drehmomente und Zugkräfte zu erreichen.

Eine mögliche Alternative ist ein mechanisches Getriebe nach dem Traktionsmotor anzuordnen, um zwischen den beiden

Geschwindigkeitsbereichen umzuschalten.

Aus AT 521 386 Al ist auch eine Schnittstellenvorrichtung zwischen Energiewandlern zur Energiebereitstellung, Energiespeichern und anderen Energiewandlern wie

Antriebsaggregaten für eine Gleisbaumaschine bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik für eine Umschaltvorrichtung

der oben genannten Art anzugeben.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Traktionssystem anzugeben, das zum Betrieb mit der erfindungsgemäßen Umschaltvorrichtung in einem gegenüber dem Stand der Technik verbesserten Traktionsantrieb eingerichtet

ist.

Schließlich ist es auch Aufgabe der Erfindung ein Schienenfahrzeug mit Arbeitsaggregaten mit dem gegenüber dem Stand der Technik verbesserten drehzahlverstellbaren

Traktionsantrieb anzugeben.

Erfindungsgemäß werden diese Aufgaben gelöst durch die Umschaltschaltvorrichtung aus Anspruch 1, dem Traktionssystem aus Anspruch 7 und dem Schienenfahrzeug aus

Anspruch 9.

Abhängige Ansprüche geben vorteilhafte Ausgestaltungen der

Erfindung an.

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Die Erfindung betrifft eine Umschaltvorrichtung

für ein Traktionssystem eines Schienenfahrzeugs, umfassend ein erstes Schaltmodul mit Leistungseingängen zur Anschaltung an einen Stromrichter, mit Leistungsausgängen zur Anschaltung an mindestens einen Traktionsmotor, und mit Schaltelementen zur Durchführung einer von einem vorgegebenen Betriebsbereich des Traktionsmotors abhängigen Gruppenumschaltung zwischen den Leistungseingängen und den Leistungsausgängen sowie ein Kommunikationsmodul zur Übermittlung von Traktionsmotorparametern an den Stromrichter in Abhängigkeit des vorgegebenen

Betriebsbereichs.

Eine bevorzugte Variante der erfindungsgemäßen Umschaltvorrichtung umfasst weiters ein Steuerungsmodul, das vorgesehen ist, die vom Betriebsbereich abhängige Gruppenumschaltung auszulösen und/oder zu überwachen und/oder mittels des Kommunikationsmoduls die vom Betriebsbereich abhängigen Traktionsmotorparameter an den

Stromrichter zu übermitteln.

Traktionsmotorparameter sind beispielsweise die Werte der vom Stromrichter angesteuerten Traktionsmotorimpedanzen Z,, die näherungsweise als Reihenschaltung einer Induktivität Ln mit von der Wechselstromfrequenz abhängigem Widerstandswert Xp=20£f ' L2, der auch als Reaktanz bezeichnet wird, und eines frequenzunabhängigen ohmschen Widerstandswertes Rı

angenommen werden kann.

Wesentliche Parameter sind aber auch die Zahl der Pole 2p

und/oder die Polpaarzahl p des Traktionsmotors.

In einer weiteren günstigen Variante der Umschaltvorrichtung

ist ein zweites Schaltmodul vorgesehen für eine Safe-Torque-

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Off-Abschaltung des Traktionsantriebs und/oder zur galvanischen Trennung der Leistungseingänge vom ersten

Schaltmodul und/oder von den Leistungsausgängen.

Dieses zusätzliche sicherheitsrelevante „sicher abgeschaltete Moment“ (engl. safe torque off STO) nach IEC 61800-5-2:2016 RLV stellt durch Trennung der Leistungseingänge von den Leistungsausgängen mittels eines Hauptschaltelements einen zusätzlich zum Stromrichter redundanten Abschaltpfad zur Verfügung, wodurch ein höheres

Sicherheitsniveau erreicht ist.

Beispielsweise ist mit dieser STO-Abschaltung der performance level d bzw. e nach Kategorie 3 oder 4 aus EN ISO 13849-1 erreicht und es sind weitere bahnspezifische sicherheitstechnische Anforderungen wie „gefährdendes

Ereignis durch Einzelfehler nicht zu akzeptieren“ erfüllt.

Die Anforderung „Verhinderung unerwünschter Bewegung“ in EN 14033-2:2017, Abschnitt 5.15 Tabelle 1 ist gleichfalls erfüllt, aber auch die Sicherheitsanforderungen für das Bremssystem in Absatz 4.2.4.2.2 Tabelle 3 der Technischen Spezifikation für die Interoperabilität TSI des Teilsystems „Fahrzeuge - Lokomotiven und Personenwagen“ des Eisenbahnsystems in der Europäischen Union aus Verordnung

(EU) Nr. 1302/2014.

Eine vorteilhafte Variante sieht vor, dass ein Überspannungsmodul als Teil der Umschaltvorrichtung eingerichtet ist Überspannungen zwischen den Traktionsmotoren und dem Stromrichter zu reduzieren oder zu

vermeiden.

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Überspannungen können beispielsweise bei Schaltvorgängen auftreten, die die Wicklungsstränge der Traktionsmotoren von

den Phasen der Versorgungleitungen trennen.

Beispiel für einen solchen Schaltvorgang ist insbesondere die Gruppenumschaltung zwischen einem ersten und einem

zweiten Betriebsbereich des Schienenfahrzeugs.

In einer günstigen Variante der Umschaltvorrichtung ist das erste Schaltmodul vorgesehen eine Gruppenumschaltung zwischen den Phasen der Leistungseingänge und den Wicklungsstranggruppen des Traktionsmotors, die mit den Leistungsausgängen verbunden sind, derart vorzunehmen, dass die Wicklungsstranggruppen untereinander und mit den Leistungseingängen eine Doppelsternkonfiguration für einen ersten Betriebsbereich und einer Sternkonfiguration für

einen zweiten Betriebsbereich bilden.

Diese unterschiedlichen Konfigurationen der Wicklungsstranggruppen entsprechen unterschiedlichen

Polzahlen 2p oder Polpaarzahlen p des Traktionsmotors.

Im allgemeinen Fall kann eine Umschaltung der Wicklungsstranggruppen zu einer Erhöhung oder Verminderung der Polpaarzahl im Verhältnis 1:n führen, wobei n eine

natürliche Zahl ist.

Die Erhöhung der Polpaarzahl p um den Faktor n hat eine Verminderung der Drehzahl nu des Traktionsmotors um denselben Faktor n bei gleichbleibender Wechselstromfrequenz f in den Phasen der Drehstromversorgung zur Folge, da das Verhältnis zwischen Drehzahl nu und Polpaarzahl p umgekehrt

proportional ist.

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Für die obige Gruppenumschaltung zwischen Doppelstern und Stern ist das Verhältnis zwischen den Polpaarzahlen 2:1 und demzufolge das Verhältnis zwischen der Drehzahl ny,ı des Traktionsmotors in der ersten Konfiguration und jener nyv,2 in der zweiten Konfiguration 1:2 unter der Bedingung gleichbleibender Wechselstromfrequenz bzw. Drehstromfrequenz

f.

Wird bei einer bestimmten Drehzahl nu des Traktionsmotors zwischen der ersten und der zweiten Konfiguration umgeschaltet, so ist diese Drehstromfrequenz £f jedoch entsprechend dem Verhältnis der Polpaarzahlen p dieser beiden Konfigurationen anzupassen, um Sprünge der Drehzahl nu und/oder eine hohe Belastung des Traktionsmotors zu

vermeiden.

In einer alternativen Ausführungsform ist die Umschaltvorrichtung dazu eingerichtet zwischen einer Dreieckskonfiguration der Wicklungsstranggruppen des Traktionsmotors und einer Doppelsternkonfiguration

umzuschalten.

Bei diesen beiden alternativen Konfigurationen der Wicklungsstranggruppen ergibt sich gleichermaßen ein Verhältnis der Polpaarzahlen p von 2:1 dem ein Drehzahlverhältnis Nnyv,ı: MNyu,2 von 1:2 unter der Bedingung

gleichbleibender Drehstromfrequenz £f entspricht.

In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Umschaltvorrichtung vorgesehen einen Stromrichter mit mindestens zwei Traktionsmotoren eines Drehgestells des

Schienenfahrzeugs zu verbinden.

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Aufgrund dieser Art der Ansteuerung verringert sich die Anzahl der benötigten Umschaltvorrichtungen und

Stromrichter.

Somit ergibt sich einerseits ein geringerer Platzbedarf für den Traktionsantrieb und das Traktionssystem und andererseits eine nennenswerte Verminderung der

Herstellungskosten.

Der Antrieb beider Achsen eines Drehgestells ermöglicht das Erreichen höherer Antriebskräfte des Schienenfahrzeugs bei

optimaler Ausnutzung gegebenen Achslasten.

In einer vorteilhaften Ausführungsform des Traktionssystems für ein Schienenfahrzeug mit einem Stromrichter ist der Stromrichter an eine Umschaltvorrichtung in einer der oben beschriebenen Varianten angeschaltet und umfasst ein Steuerungsmodul, das vorgesehen ist, die vom Betriebsbereich abhängige Gruppenumschaltung auszulösen und/oder zu überwachen und/oder mittels eines Kommunikationsmoduls die vom Betriebsbereich abhängigen Traktionsmotorparameter von

der Umschaltvorrichtung zu empfangen.

Der Stromrichter muss zu jedem Zeitpunkt Kenntnis von der aktuellen Konfiguration der Wicklungsstranggruppen des Traktionsantriebs haben, die durch die vom Betriebsbereich abhängigen Traktionsparameter {Ln, Ra, P} abgebildet werden, um ein Drehstromsystem passender Amplitude Ü und Frequenz f für den mittels der Umschaltvorrichtung angeschalteten

mindestens einen Traktionsmotor zur Verfügung zu stellen. In einer alternativen Ausführungsform ist das

Steuerungsmodul des Stromrichters oder einer übergeordneten

Steuerungseinheit wie der Maschinensteuerung statt jenem der

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Umschaltvorrichtung dazu vorgesehen, die vom Betriebsbereich abhängige Gruppenumschaltung auszulösen und/oder zu

überwachen.

Vorzugsweise ist in einer Ausführungsform des Traktionssystems eine Kommunikationsverbindung zwischen den Kommunikationsmodulen des Stromrichters und der Umschaltvorrichtung eingerichtet und vorgesehen für eine Übertragung von Daten und Signalen, die analog und/oder

digital insbesondere binär kodiert erfolgt.

Solche Daten sind insbesondere die vom gewählten

Betriebsbereich abhängigen Traktionsmotorparameter {Ln, Rıys

pP}.

Eine bevorzugte Ausführungsform des Erfindungsgegenstands umfasst ein Schienenfahrzeug mit Arbeitsaggregaten und mit einem drehzahlverstellbaren Traktionsantrieb, der mindestens einen Stromrichter enthält, vorgesehen zur Ansteuerung von Traktionsmotoren, die eingerichtet sind zum Antrieb von Achsen des Schienenfahrzeugs, wobei der genutzte Drehzahlbereich der Traktionsmotoren charakterisiert ist durch einen ersten Betriebsbereich, in dem das Schienenfahrzeug vorgesehen ist, einen Schienenfahrweg mit seinen Arbeitsaggregaten zu bearbeiten, und einen zweiten Betriebsbereich, in dem das Schienenfahrzeug vorgesehen ist, den Schienenfahrweg zu befahren, ohne dass dieser durch die Arbeitsaggregate bearbeitet wird, wobei zwischen dem Stromrichter und mindestens einem Traktionsmotor eine

erfindungsgemäße Umschaltvorrichtung angeordnet ist.

Der zweite Betriebsbereich kann in einer weiteren

Ausführungsform vorgesehen sein, den Schienenfahrweg mittels

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spezialisierter Messvorrichtungen, die auf dem

Schienenfahrzeug angeordnet sind, zu vermessen.

In einer alternativen Variante des Schienenfahrzeugs sind alle Stromrichter der Traktionsantriebe in einem Gehäuse

angeordnet.

Eine solche Anordnung in einem Gehäuse ermöglicht beispielsweise für Bahnstrom zugelassene Vorrichtungen für die Ansteuerung der Traktionsmotoren mittels der

erfindungsgemäßen Umschaltvorrichtungen zu verwenden.

In einer günstigen alternativen Ausführungsform sind die Traktionsantriebe teilweise oder gänzlich in der Umgebung

der Antriebsachsen des Schienenfahrzeugs angeordnet.

Diese Ausführungsform ermöglicht den Einsatz von Industriestromrichtern oder Industrieumrichtern mit

gegenüber Bahnstromrichtern verminderten Ausgangsströmen.

Für diese Stromrichter ist gegebenenfalls eine eigene Zulassung für den Einsatz in einem Schienenfahrzeug

erforderlich.

In einer bevorzugten Ausführungsvariante sind die in der Umgebung der Antriebsachsen angeordnete Traktionsantriebe dazu vorgesehen, mittels einer im Schienenfahrzeug

angeordneten Gleichstromleitung versorgt zu sein.

Eine solche Gleichstromversorgung findet sich beispielsweise

in AT 521 386 AL.

Die Verbindung des Stromrichterausgangs, der ein

frequenzvariables Drehstromsystem zur Verfügung stellt, mit

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den Leistungseingängen der Umschaltvorrichtung mittels eines Verbindungskabels, dessen Länge nur einen Bruchteil der Größenordnung des Schienenfahrzeuglänge oder der Länge des Schienenfahrzeugverbandes beträgt, ist auch günstig im Hinblick auf die Erhöhung der elektromagnetischen Verträglichkeit EMV aufgrund einer Verringerung von

störenden elektromagnetischen Abstrahlungen.

Die Erfindung wird nachfolgend in beispielhafter Weise unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren erläutert. Es zeigen

in schematischer Darstellung:

Fig. 1 Eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen

Umschaltvorrichtung mit ihren Funktionsmodulen,

Fig. 2a Eine erste Ausführungsform der Umschaltvorrichtung nach Figur 1 als Stromlaufplan mit zwei angesteuerten

Traktionsmotoren,

Fig. 2b Eine weitere Ausführungsform der Umschaltvorrichtung nach Figur 1 als

Stromlaufplan,

Fig. 3a Eine erste Anordnung von insgesamt sechs Gruppen von Wicklungssträngen eines Traktionsmotors als Doppelstern und ihre Ansteuerung mit drei Phasen

eines Drehstromsvystems,

Fig. 3b Eine zweite Anordnung der Wicklungsstranggruppen

aus Figur 3a als Sternschaltung,

Fig. 4a Verlauf von Spannung, Strom und Moment/Kraft

eines Traktionsmotors über die Geschwindigkeit v

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eines Schienenfahrzeugs, der in der ersten Schaltstellung der Umschaltvorrichtung

angesteuert wird,

Fig. 4b Verlauf von Spannung, Strom und Moment/Kraft eines Traktionsmotors über die Geschwindigkeit v eines Schienenfahrzeugs, der in der zweiten Schaltstellung der Umschaltvorrichtung

angesteuert wird,

Fig. 4c Gemeinsame Darstellung der Kennlinienfelder aus

den Figuren 4a und 4b,

Fig. 5 Schematische Darstellung eines Traktionssystems aus drei Traktionsantrieben bestehend aus Jeweils einem Stromrichter, einer zugeordneten Umschaltvorrichtung und jeweils zwei angesteuerten Traktionsmotoren mit einem

gemeinsamen optionalen Steuerungsmodul,

Fig. 6 Schienenfahrzeug mit dem erfindungsgemäßen Traktionssystem für den Antrieb von vier

Drehgestellen mit jeweils zwei Achsen.

In Figur 1 ist die erfindungsgemäße Umschaltvorrichtung 1, die Leistungseingänge 6 mit Leistungsausgängen 7a, 7b verbindet, mit ihren Funktionsmodulen 2, 3, 4 und 5

schematisch dargestellt.

So ist ein Überspannungsmodul 5 als Überspannungsschutz der Leistungseingänge 6 vorgesehen, um Überspannungen, die insbesondere beim Ein-, Aus- und Umschalten der

Wicklungsstranggruppen 1lla, 11b, 11c, 11d, 11l1e, 11£ des

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Wicklungssystems von mindestens einem Traktionsmotor 8a, 8b

auftreten können, zu vermindern oder zu vermeiden.

Ein Überspannungsmodul 5 nach dem Stand der Technik umfasst beispielsweise eine für den gegebenen Leistungsbereich geeignete Zenerdiode oder ein anderes als Überspannungsschutz geeignetes elektromechanisches,

elektrisches und/oder leistungselektronisches Bauelement.

Dieses Überspannungsmodul 5 schützt die verbundenen Geräte am Leistungseingang 6 vor Rückwirkungen durch hohe

Schaltspannungen.

Es wirkt auch sowohl innerhalb der Umschaltvorrichtung 1 als auch an den Leistungsausgängen 7a, 7b begrenzend gegen

solche hohen Schaltspannungen.

Die Leistungseingänge 6 sind mittels eines zweiten Schaltmoduls 4, das einen Hauptschalter umfasst, mit dem ersten Schaltmodul 2 verbunden, dessen wesentliche Komponenten die Schaltelemente eines Gruppenumschalters

sind.

Das zweite Schaltmodul 4 dient dazu, die Leistungseingänge 6 vom ersten Schaltmodul 2 zu trennen oder sie mit diesem

wieder zu verbinden.

Um hohen Schaltspannungen im System vorzubeugen erfolgt günstiger Weise eine gesteuerte Entmagnetisierung des Wicklungssystems 1l1la, 11b, 11c, 11d, 11e, 11£, insbesondere der magnetisierbaren Teile, des mindestens einen Traktionsmotors 8a, 8b bevorzugt mittels des Stromrichters 15 vor dem Trennen der Verbindungen zwischen den

Wicklungsstranggruppen 1lla, 11b, 11c, 11d, 11l1e, 11£,.

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Der Vorgang des Trennens der Leistungseingänge 6 vom ersten Schaltmodul 2 und des darauffolgenden Wiederanschaltens wird

betriebsmäßig im Rahmen der Gruppenumschaltung durchgeführt.

Das erste Schaltmodul 2 dient zum Umschalten voneinander verschiedener Verbindungsvarianten zwischen den

Leistungseingängen 6 und den Leistungsausgängen 7a, 7b.

Insbesondere wird zwischen einer Verbindungsvariante umgeschaltet, die die Wicklungsstranggruppen 1l1la, 11b, 11c, 11ld, 1le, 11£ in zwei zueinander parallelen Sternen an das speisende Drehstromsystem der Leistungseingänge 6 anschaltet, und einer zweiten Verbindungsvariante, bei der Jeweils zwei Wicklungsstranggruppen 1l1la, 11b, 11c, 11d, 11e, 11£ pro Drehstromphase der Leistungseingänge 6 in Reihe geschaltet werden und die derartig gespeisten Reihenschaltungen an ihren von der jeweiligen Drehstromphase U, V, W abgewandten Seite miteinander in einem Sternpunkt

SP1l verbunden sind.

Die ersten Verbindungsvariante ist unter der Bezeichnung Doppelsternschaltung und die zweite Verbindungsvariante als

Sternschaltung bekannt.

In der Umschaltvorrichtung 1 ist weiters ein Steuerungsmodul 3 vorgesehen den Umschaltvorgang einzuleiten, zu überwachen und abzuschließen und die jeweiligen Parameter, die jeweils einer der beiden Verbindungsvarianten zugeordnet sind, über ein Kommunikationsmodul an einen Stromrichter 15 zu

übermitteln.

Dieser Stromrichter 15 generiert das an die

Leistungseingänge 6 angeschaltete Drehstromsystem mit

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verstellbarer Wechselstromfrequenz f und gleichfalls

verstellbarer Phasenspannung Ü.

In Figur 2a ist eine erste Ausführungsform der Umschaltvorrichtung 1 als Stromlaufplan dargestellt, mit der

zwei Traktionsmotoren 8a, 8b angesteuert werden.

Diese Anordnung eignet sich beispielsweise zum Einsatz in einem Drehgestell 22 eines Schienenfahrzeugs 19 oder Schienenfahrzeugverbandes mit zwei angetriebenen Achsen wie

beispielhaft in Figur 6 dargestellt.

Der Stromlaufplan der Figur 2a zeigt die Leistungseingänge 6 und ihre Verbindung mit den Leistungsausgängen 7 mittels des

ersten Schaltmoduls 2.

Dieses erste Schaltmodul 2 hat zwei Schaltstellungen, die zwei verschiedenen Schaltkonfigurationen der Leistungsausgänge 7 untereinander und mit den

Leistungseingängen 6 entsprechen.

Das erste Schaltmodul 2 ist dabei ein elektrisch oder elektromagnetisch betätigter Schalter, der über einen Schalteingang „SHIFT“ angesteuert wird und in der dargestellten Ausführungsvariante insgesamt acht Schaltkontakte zwischen einer ersten Schaltstellung und einer zweiten Schaltstellung umschaltet. Diese Schaltkontakte sind sowohl mit den drei Leitungen U, V, W der Leistungseingänge 6 als auch mit den neun Leitungen UL1, V1, W1, U2, V2, W2 und U3, V3, W3 der Leistungsausgänge 7

verbunden.

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Beispielsweise ist der erste Schaltkontakt in der ersten Schaltstellung geöffnet, wodurch die Verbindung zwischen U

und U3 unterbrochen ist.

Es besteht jedoch eine permanente Verbindung zwischen U vom Leistungseingang 6 zu U1 vom Leistungsausgang 7, genauso

zwischen V und V1 sowie zwischen W und WL1.

Der dritte Schaltkontakt ist in der ersten Schaltstellung hingegen geschlossen und verbindet somit die Leitungen U2

und U3 des Leistungsausgangs 7.

Der zweite Schaltkontakt ist so wie der erste Schaltkontakt in der ersten Schaltstellung geöffnet und die Verbindung

zwischen U2 und W2 ist daher unterbrochen.

Die vierten, fünften und sechsten Schaltkontakte dienen in gleicher Weise dazu in der ersten Schaltstellung V2 mit V3 zu verbinden und in der zweiten aktiven Schaltstellung die Verbindung zwischen V2 und V3 zu trennen und V1 mit V3 sowie

V2 mit W2 zu verbinden.

Der achte Schaltkontakt verbindet in der ersten Schaltstellung W2 mit W3 und trennt diese Verbindung in der zweiten Schaltstellung, während der siebte Schaltkontakt in dieser Schaltstellung die in der ersten Schaltstellung

getrennten Leistungsausgänge W1 und W3 verbindet.

Die Figur 2a zeigt weiters auch das schon beschriebene zweite Schaltmodul 4, das als elektromagnetischer Schalter ausgeführt ist, der über einen Schalteingang „STO“

angesteuert wird.

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Schließlich umfasst die Umschaltvorrichtung 1 in der in Figur 2a auch ein Überspannungsmodul 5, das vorgesehen ist,

Überspannungen zu begrenzen.

Die Leistungsausgänge U1, V1, W1, U2, V2, W2 und U3, V3, W3 sind parallel mit den Jeweils neun Eingängen der

Traktionsmotoren 8a und 8b verbunden.

In Figur 2b ist eine weitere Ausführungsform der Umschaltvorrichtung 1 dargestellt, die sich von der oben beschriebenen Ausführungsform aus Figur 2a insbesondere

durch eine Variante des ersten Schaltmoduls 2 unterscheidet.

Dabei sind alle acht Schaltkontakte als Schließer ausgeführt, d. h., dass sie in der ersten inaktiven Schaltstellung die mit ihnen verbundenen Leitungen unterbrechen und in der zweiten aktiven Schaltstellung eine

Verbindung zwischen diesen Leitungen herstellen.

Die acht Schaltkontakte sind unterteilt in eine erste Teilmenge von fünf Schaltkontakten, die von einem ersten Schalteingang „SHIFT-A“ aktiviert werden, und eine zweite Teilmenge von drei Schaltkontakten, die von einem weiteren

Schalteingang „SHIFT-B“ angesteuert sind.

Der erste, dritte und fünfte Schaltkontakt trennt bzw. verbindet jeweils U1 und U3, V1 und V3 sowie W1 und W3.

Der zweite Schaltkontakt trennt bzw. verbindet U2 und W2, der vierte V2 und W2.

Der sechste Schaltkontakt trennt bzw. verbindet U2 und U3, der siebente V2 und V3 und der achte W2 und W3.

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In den Figuren 3a und 3b ist dargestellt wie die beiden Schaltstellungen des ersten Schaltmoduls 2 der Umschaltvorrichtung 1 die zwei unterschiedlichen Konfigurationen einer Doppelsternschaltung oder einer Sternschaltung der Wicklungsstranggruppen 1l1la, 11b, 11c, 11d, 1le und 11f£f der Traktionsmotoren 7a, 7b ergeben.

Dabei liegt die Wicklungsstranggruppe 1l1la zwischen den Schaltanschlüssen U1 und U2 eines Traktionsmotors 8a, 8b und die Wicklungsstranggruppe 11b zwischen dem Schaltanschluss

U3 und dem unveränderbaren ersten Sternpunkt SPL1.

In gleicher Weise befindet sich die Wicklungsstranggruppe 1lc zwischen V1 und V2, die Wicklungsstranggruppe 11d zwischen V3 und dem ersten Sternpunkt SP1 sowie Wicklungsstranggruppe lle zwischen W1 und W2 während die Wicklungsstranggruppe 11£ zwischen W3 und dem gemeinsamen

ersten Sternpunkt SP1l angeordnet ist.

Figur 3a zeigt die zweite aktive Schaltstellung des ersten Schaltmoduls 2 der Umschaltvorrichtung 1 bei dem pro Phase zwei Wicklungsstranggruppen 1l1la und 11b, 11c und 11d sowie lle und 11f£f zueinander parallel angeordnet sind und die beiden den Phasen U, V und W abgewandten Seiten der Wicklungsstranggruppen 1lla, 11c und 1le sind zu einem zweiten Sternpunkt SP2 zusätzlich zum fix bestehenden ersten Sternpunkt SP1l der Wicklungsstranggruppen 11b, 11d und 11£

verschaltet.

In Figur 3b sind die Wicklungsstranggruppen 1l1la, 11b, 11c,

11ld, 1le und 11f£ zu einer Sternschaltung mit dem ersten

unveränderbaren Sternpunkt SP1l angeordnet.

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Dabei sind pro Phase U, V, W des Drehstromsystems, das von einem Stromrichter 15 mit verstellbarer Spannung und Frequenz f erzeugt wird, jeweils zwei Wicklungsstranggruppen 1la und 11b, 11c und 11d sowie 1le und 11f in Reihe

geschaltet.

Diese Anordnung wird durch Verbindung von U2 und U3 bei gleichzeitiger Trennung der Verbindung zwischen U1 und U3 ermöglicht. Die Phase U ist dabei wie schon in Figur 3a mit

dem Anschluss U1 der Wicklungsstranggruppe 1l1la verbunden.

In gleicher Weise ist die Phase V mit V1 der Wicklungsstranggruppe 1l1c verbunden und deren zweiter Anschluss V2 ist mit V3 der Wicklungsstranggruppe 11d verbunden, dessen zweiter Anschluss gemeinsam mit Anschlüssen der Wicklungsstranggruppen 11b und 11£ den Sternpunkt bilden.

Dies gilt auch für Phase W, die mit W1 der Wicklungsgruppe 1lle verbunden ist, wobei W2 dieser Wicklungsstranggruppe 1lle

mit W3 der Wicklungsstranggruppe 11£ verbunden ist.

In den Figuren 4a und 4b wird exemplarisch und vereinfacht der Verlauf der Spannungen 12a, 12b, Ströme 13a, 13b, und der resultierenden Traktionskraft 14a, 14b des Traktionsmotors 8a, 8b über der Geschwindigkeit v des Schienenfahrzeugs 19 für beide Schaltstellungen der Umschaltvorrichtung 1 und die ihnen entsprechenden Verbindungsvarianten der Wicklungsstranggruppen 1lla, 11b,

1l1c, 11d, 1l1e und 11£f dargestellt.

Figur 4a zeigt dabei die zweite aktive Schaltstellung, der

die Doppelsternschaltung der Wicklungsstranggruppen l1la, 1lb, 1lc, 11d, 1le und 11f£ aus Figur 3a entspricht.

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Im Abschnitt des linearen Anstiegs der Spannung 12a bis zur Geschwindigkeit va bleiben Strom 13a und Traktionskraft 14a

konstant.

Va liegt beispielsweise zwischen 3km/h und 7km/h und

vorzugsweise zwischen 4km/h und 6km/h.

Im folgenden Abschnitt mit konstanter Spannung 12a und degressiv abnehmender Traktionskraft 14a bleibt der Strom bis zu einer nicht bezeichneten Geschwindigkeit konstant, bevor er im letzten Abschnitt bei weiterer Erhöhung der Geschwindigkeit bis zur vorgesehenen Maximalgeschwindigkeit

Vmax abnimmt.

Vmax liegt dabei beispielsweise zwischen 50km/h und 150km/h

und vorzugsweise zwischen 80km/h und 120km/h.

Die Stromstärke 13a hat in den ersten beiden Geschwindigkeitsabschnitten den höchsten Wert Imax,z2 der

gemäß Figur 4a beispielsweise Imax,27200A beträgt.

Wird ab der Geschwindigkeit va die Stromstärke 13a” weiter erhöht, so kann die Traktionskraft 14a” noch für Geschwindigkeiten v>vs auf ihrem maximalen Wert konstant

gehalten werden.

Gemäß Figur 4a erreicht die Stromstärke 13a” beispielsweise einen maximalen Wert von Imax,2>300A bei einer maximalen

Traktionskraft von 40KkN. Demgegenüber zeigt Figur 4b den Verlauf von Spannung 12b,

Strom 13b und Traktionskraft 14b über der Geschwindigkeit v

des Schienenfahrzeugs 19 für die erste passive

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Schaltstellung der Umschaltvorrichtung 1, die der Sternschaltung der Wicklungsstranggruppen 1l1la, 11b, 11c, 11d, 1le und 11f aus Figur 3b entspricht.

In diesem Fall bleiben Strom 13b und Traktionskraft 14b in einem ersten Abschnitt bis zu einer nicht bezeichneten Geschwindigkeit zwischen vs und einer Geschwindigkeit va konstant, während die Spannung 12b linear mit der

Geschwindigkeit v ansteigt.

Der Wert der Stromstärke 13b beträgt in diesem Abschnitt mehr als 400A und liegt damit deutlich über den Werten der Stromstärken 13a und 13a” aus Figur 4a in diesem

Geschwindigkeitsbereich.

In einem zweiten Abschnitt, der dem Geschwindigkeitsbereich zwischen va und Vmax entspricht, ist der Spannungswert 12b konstant, die Traktionskraft 14b nimmt degressiv bis zu

einer Restzugkraft ab, die bei Vmax auftritt.

Diese Restzugkraft liegt dabei zwischen 5kN und 15kN und

vorzugsweise zwischen 8kN und 12kN.

Die Stromstärke 13b nimmt zunächst degressiv bis zu einer nicht näher bezeichneten Geschwindigkeit ab und steigt

danach bis zu Vmax wieder an.

Der Wert der Stromstärke 13b bei Vma Liegt beispielsweise zwischen 250A und 350A und vorzugsweise zwischen 280A und

320A.

In Figur 4c sind Kennlinienfelder 12a, 13a bzw. 13a” und 14a

bzw. 14a” aus Figur 4a sowie 12b, 13b und 14b aus Figur 4b

gemeinsam dargestellt.

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Eine optimale Umschaltbedingung im Betriebsbereich B zwischen der Schaltstellung, die der Doppelsternschaltung gemäß Figur 3a entspricht, und jener Schaltstellung der Umschaltvorrichtung 1, die der Sternschaltung aus Figur 3b entspricht, ist ein Wert der Stromstärke 13b etwa gleich dem Wert der Stromstärke 13a, wobei die Traktionskraft 14b

annähernd gleich der Traktionskraft 14a ist.

Im dargestellten Fall der Figur 4c liegt eine solche

optimale Umschaltbedingung nicht vor.

Wird gemäß den Kennlinienfeldern 12a, 13a bzw. 13a” und 14a bzw. 14a” sowie 12b, 13b und 14b im Betriebsumschaltbereich B aus Figur 4c zwischen einem ersten Betriebsbereich „Überstellfahrt“, der durch den Geschwindigkeitsbereich zwischen va und Vmax Charakterisiert ist, und den zweiten Betriebsbereich „Arbeitsbetrieb“ mit Geschwindigkeiten kleiner oder gleich va umgeschaltet, so ist die dabei auftretende Reduktion der Traktionskraft bei der in Figur 4c nicht bezeichneten Umschaltgeschwindigkeit vu akzeptabel, weil das Schienenfahrzeug 19 relativ zur gesamten

Betriebsdauer nur kurz im Betriebsbereich B verbleibt.

Eine Optimierung kann durch Verschieben der Kennlinienfelder

in Richtung höherer Geschwindigkeiten v erzielt werden. Beispielsweise kann die Stromstärke 13a entsprechend der Stromstärke 13a” aus Figur 4a auf einen Wert von bis zu 300A

erhöht werden.

Es kann die Stromstärkenkennlinie 13b aber auch so weit

verschoben werden, dass ihr neuerlicher Anstieg erst bei

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Geschwindigkeiten vV>Vmax und damit außerhalb des genutzten

Geschwindigkeitsbereichs erfolgt.

Figur 5 zeigt ein Traktionssystem 18 mit drei Traktionsantrieben, die jeweils einen Stromrichter 15, eine Umschaltvorrichtung 1 und zwei Traktionsmotoren 8a und 8b

umfassen.

Eine Steuerungsmodul 16 beinhaltet dabei ein Kommunikationsmodul, das mittels einer Kommunikationsverbindung 17 sowohl mit den Umschaltvorrichtungen 1 als auch mit den Stromrichtern 15 verbunden ist und die Traktionsmotorparameter {L, Ra, PP}

ermittelt und überträgt.

In Figur 6 ist ein Schienenfahrzeug 19 mit einem als Pantograph ausgebildeten Stromabnehmer 20 auf einem schematischen Teilstück eines Schienenfahrwegs 21

dargestellt.

Das Schienenfahrzeug 19 ist zweiteilig, wobei der erste Teil den Stromabnehmer 20 und ein Drehgestell 22 umfasst und auf dem zweiten Teil mit insgesamt drei Drehgestellen 22 zwischen dem zweiten und dem letzten Drehgestell 22 in der Regel mindestens eines der weiter oben beschriebene

Arbeitsaggregate angeordnet ist.

Die Darstellung dieser Arbeitsaggregate unterbleibt

zugunsten einer besseren Lesbarkeit der Figur 6.

Die Traktionsmotoren 8a und 8b sind vorgesehen, jeweils eine

der beiden Antriebsachsen eines Drehgestells 22 in Figur 6

in rotatorische Bewegung zu versetzen.

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Diesen Traktionsmotorpaaren 8a, 8b ist eine Umschaltvorrichtung 1 mit einem Steuerungsmodul 3

zugeordnet.

Eine Kommunikationsverbindung 25 verbindet die Steuerungsmodule 3 der Umschaltvorrichtungen 1 mit mindestens einer zentralen Steuerungsvorrichtung 23 des Schienenfahrzeugs 19 sowie mindestens einem Steuerungsmodul 16, das einer Anordnung aus mindestens einem Stromrichter 18

zugeordnet ist.

Diese Stromrichteranordnung 18 ist vorgesehen aus dem mittels Leitung 26 vom Stromabnehmer 20 abgegriffenen Strom der nicht dargestellten elektrischen Oberleitung des Schienenfahrwegs 21 durch Umwandlung von Stromart und/oder Frequenz ein Drehstromsystem U, V, W einstellbarer Spannung

und Frequenz f zu erzeugen.

Eine Verbindungsleitung 24 ist vorgesehen dieses Drehstromsystem U, V, W mittels Umschaltvorrichtung 1 den

Traktionsmotorpaaren 8a, 8b der Drehgestelle 22 zuzuführen.

Beim Umschalten zwischen den verschiedenen Konfigurationen der Wicklungsstranggruppen lla, 11b, 11c, 11d, 11e und 11£ wird zur Entmagnetisierung wie weiter oben beschrieben das Wicklungssystem für eine gewisse Zeitdauer vom

Drehstromsystem getrennt.

Es ist vorteilhaft, wenn die den verschiedenen Drehgestellen 22 zugeordneten Umschaltvorrichtungen 1 diese Umschaltungen an den ihnen zugeordneten Traktionsmotoren 8a, 8b

untereinander ebenfalls zeitlich gestaffelt vornehmen.

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Mit einer alternativen Ausführungsform der Umschaltvorrichtung 1 gegenüber den in den Figuren 2a und 2b dargestellten Varianten, die die beiden Traktionsmotoren 8a, 8b eines Drehgestells 22 des Schienenfahrzeugs 19 getrennt ansteuert, erfolgt die Umschaltung dieser Traktionsmotoren 8a, 8b mittels der Umschaltvorrichtung 1 ebenfalls zeitlich gestaffelt.

Bei solchen alternativen Umschaltvorrichtungen 1 geht allerdings der Vorteil des geringeren Aufwands einer parallelen Ansteuerung von zwei Traktionsmotoren 8a, 8b, wie sie in den Varianten von Figur 2a und Figur 2b dargestellt

sind, verloren.

Alternativ können die Stromrichter 15 gemeinsam mit den Umschaltvorrichtungen 1 direkt oberhalb der Drehgestelle 22

angeordnet sein.

In einer solchen Ausführungsform ist die Verbindungsleitung 24 beispielsweise eine Gleichstromleitung mit einer

Gleichspannung zwischen 500V und 1,5KkV.

Eine solche alternative Anordnung und Versorgung der Stromrichter 15 ist besonders vorteilhaft, um eine unerwünschte Abstrahlung elektromagnetischer Felder weiter zu reduzieren oder zu unterbinden und die elektromagnetische

Verträglichkeit EMV der Gesamtanordnung zu erhöhen.

Die Erfindungsgegenstände sind nicht auf die beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen beschränkt. Weitere Schaltkonfigurationen der Umschaltvorrichtung 1 und ihre Anordnung mit Stromrichter 15 und Traktionsmotoren 8a, 8b in Schienenfahrzeugen 19 und Schienenfahrzeugverbänden sind

durch die Ansprüche mitumfasst.

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Patentansprüche

1. Umschaltvorrichtung (1) für ein Traktionssystem (18) eines Schienenfahrzeugs (19), umfassend:

- ein erstes Schaltmodul (2) mit Leistungseingängen (6) Anschaltung an einen Stromrichter (15), mit Leistungsausgängen (7, 7a, 7b) zur Anschaltung an mindestens einen Traktionsmotor (8a, 8b) und mit Schaltelementen zur Durchführung einer von einem vorgegebenen Betriebsbereich des Traktionsmotors (8a, abhängigen Gruppenumschaltung zwischen den Leistungseingängen (6) und den Leistungsausgängen (7, 7b),

- ein Kommunikationsmodul zur Übermittlung von

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8b)

7a,

Traktionsmotorparametern {Ln, Ra, P} an den Stromrichter

(15) in Abhängigkeit des vorgegebenen Betriebsbereichs.

2. Umschaltvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch

gekennzeichnet, dass ein Steuerungsmodul (3) vorgesehen

ist, die vom Betriebsbereich abhängige Gruppenumschaltung

auszulösen und/oder zu überwachen und/oder mittels des

Kommunikationsmoduls die vom Betriebsbereich abhängigen

Traktionsmotorparameter {Ln, Rn, p} an den Stromrichter (15)

zu übermitteln.

3. Umschaltvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 oder

2, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites Schaltmodul

(4) vorgesehen ist für eine Safe-Torque-Off-Abschaltung und/oder zur galvanischen Trennung des Leistungseingangs vom ersten Schaltmodul (2) und/oder von den

Leistungsausgängen (7, 7a, 7b).

(6)

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4. Umschaltvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Überspannungsmodul (5) eingerichtet ist Überspannungen zwischen den Traktionsmotoren (8a, 8b) und dem Stromrichter (15) zu

reduzieren oder zu vermeiden.

5. Umschaltvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Schaltmodul (2) vorgesehen ist eine Gruppenumschaltung zwischen Phasen (U, V, W) der Leistungseingänge (6) und Wicklungsstranggruppen (1la, 11b, 11c, 11d, 11l1e, 11£) des Traktionsmotors (8a, 8b), die mit den Leistungsausgängen (7, 7a, 7b) verbunden sind, zwischen einer Doppelsternkonfiguration für einen ersten Betriebsbereich und einer Sternkonfiguration für einen zweiten

Betriebsbereich vorzunehmen.

6. Umschaltvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass diese vorgesehen ist,

den Stromrichter (15) mit mindestens zwei Traktionsmotoren (8a, 8b) eines Drehgestells (22) des Schienenfahrzeugs (19)

zu verbinden.

7. Traktionssystem (18) für ein Schienenfahrzeug (19) mit mindestens einem Stromrichter (15), dadurch gekennzeichnet, dass der Stromrichter (15) an eine Umschaltvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 angeschaltet ist und dass ein Steuerungsmodul (16) des mindestens einen Stromrichters (15) vorgesehen ist, die vom Betriebsbereich abhängige Gruppenumschaltung auszulösen und/oder zu überwachen und/oder mittels eines

Kommunikationsmoduls die vom Betriebsbereich abhängigen

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Traktionsmotorparameter {Ln, Rn, p} von der

Umschaltvorrichtung (1) zu empfangen.

8. Traktionssystem (18) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine drahtgebundene oder drahtlose Kommunikationsverbindung (25) zwischen den Kommunikationsmodulen des mindestens einen Stromrichters (15) und der Umschaltvorrichtung (1) eingerichtet ist und vorgesehen ist, dass die Übertragung von Daten und Signalen

analog und/oder digital kodiert erfolgt.

9. Schienenfahrzeug (19) mit Arbeitsaggregaten und mit einem drehzahlverstellbaren Traktionsantrieb, der mindestens einen Stromrichter (15) enthält, vorgesehen zur Ansteuerung von Traktionsmotoren (8a, 8b), die eingerichtet sind zum Antrieb von Achsen des Schienenfahrzeugs (19), wobei der genutzte Drehzahlbereich der Traktionsmotoren (8a, 8b) Charakterisiert ist durch einen ersten Betriebsbereich, in dem das Schienenfahrzeug (19) vorgesehen ist, einen Schienenfahrweg (21) mit seinen Arbeitsaggregaten zu bearbeiten, und einen zweiten Betriebsbereich, in dem das Schienenfahrzeug (19) vorgesehen ist, den Schienenfahrweg (21) zu befahren, ohne dass dieser durch die Arbeitsaggregate bearbeitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem mindestens einem Stromrichter (15) und mindestens einem Traktionsmotor (8a, 8b), eine Umschaltvorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6

angeordnet ist. 10. Schienenfahrzeug (19) nach Anspruch 9, dadurch

gekennzeichnet, dass alle Stromrichter (15) der

Traktionsantriebe in einem Gehäuse (18) angeordnet sind.

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11. Schienenfahrzeug (19) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Traktionsantriebe mit ihren Stromrichtern (15) teilweise oder gänzlich in der Umgebung der Antriebsachsen des Schienenfahrzeugs (19) angeordnet

sind.

12. Schienenfahrzeug (19) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Traktionsantriebe mit ihren Stromrichtern (15) dazu vorgesehen sind, mittels einer im Schienenfahrzeug (19) angeordneten Gleichstromleitung

(24) versorgt zu sein.

Claims (12)

Patentansprüche

1. Umschaltvorrichtung (1) für ein Traktionssystem (18) eines Schienenfahrzeugs (19), umfassend:

- ein erstes Schaltmodul (2) mit Leistungseingängen (6) zur Anschaltung an einen Stromrichter (15), mit Leistungsausgängen (7, 7a, 7b) zur Anschaltung an mindestens einen Traktionsmotor (8a, 8b) und mit Schaltelementen zur Durchführung einer von einem vorgegebenen Betriebsbereich des Traktionsmotors (8a, 8b) abhängigen Gruppenumschaltung zwischen den Leistungseingängen (6) und den Leistungsausgängen (7, 7a, 7b), wobei ein erster Betriebsbereich durch eine Geschwindigkeit (v) des Schienenfahrzeugs (19) kleiner oder gleich eines ersten Geschwindigkeitsgrenzwertes (ve) charakterisiert ist und wobei der von einem Traktionsmotor (8a, 8b) aufgenommene Strom sowohl in dem ersten als auch in einem zweiten Betriebsbereich begrenzt bleibt,

- ein Kommunikationsmodul zur Übermittlung von Traktionsmotorparametern {Ln, Ra, P} an den Stromrichter

(15) in Abhängigkeit des vorgegebenen Betriebsbereichs.

2. Umschaltvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Steuerungsmodul (3) vorgesehen ist, die vom Betriebsbereich abhängige Gruppenumschaltung auszulösen und/oder zu überwachen und/oder mittels des Kommunikationsmoduls die vom Betriebsbereich abhängigen Traktionsmotorparameter {L», Rn, p} an den Stromrichter (15) zu

übermitteln.

3. Umschaltvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweites Schaltmodul (4)

vorgesehen ist für eine Safe-Torque-Off-Abschaltung und/oder

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zur galvanischen Trennung des Leistungseingangs (6) vom ersten Schaltmodul (2) und/oder von den Leistungsausgängen (7, 7a,

7b) .

4. Umschaltvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Überspannungsmodul (5) eingerichtet ist Überspannungen zwischen den Traktionsmotoren (8a, 8b) und dem Stromrichter (15) zu reduzieren oder zu

vermeiden.

5. Umschaltvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Schaltmodul (2) vorgesehen ist eine Gruppenumschaltung zwischen Phasen (U, V, W) der Leistungseingänge (6) und Wicklungsstranggruppen (1la, 1lb, 11l1c, 11d, 11e, 11£) des Traktionsmotors (8a, 8b), die mit den Leistungsausgängen (7, 7a, 7b) verbunden sind, zwischen einer Doppelsternkonfiguration für einen ersten Betriebsbereich und einer Sternkonfiguration für einen zweiten

Betriebsbereich vorzunehmen.

6. Umschaltvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass diese vorgesehen ist, den Stromrichter (15) mit mindestens zwei Traktionsmotoren (8a, 8b) eines Drehgestells (22) des Schienenfahrzeugs (19) zu

verbinden.

7. Traktionssystem (18) für ein Schienenfahrzeug (19) mit mindestens einem Stromrichter (15), dadurch gekennzeichnet, dass der Stromrichter (15) an eine Umschaltvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 angeschaltet ist und dass ein Steuerungsmodul (16) des mindestens einen Stromrichters (15) vorgesehen ist, die vom Betriebsbereich abhängige

Gruppenumschaltung auszulösen und/oder zu überwachen und/oder

37/39 ZULETZT VORGELEGTE ANSPRÜCHE

mittels eines Kommunikationsmoduls die vom Betriebsbereich abhängigen Traktionsmotorparameter {Ln, Ran, P} von der

Umschaltvorrichtung (1) zu empfangen.

8. Traktionssystem (18) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine drahtgebundene oder drahtlose Kommunikationsverbindung (25) zwischen den Kommunikationsmodulen des mindestens einen Stromrichters (15) und der Umschaltvorrichtung (1) eingerichtet ist und vorgesehen ist, dass die Übertragung von Daten und Signalen

analog und/oder digital kodiert erfolgt.

9. Schienenfahrzeug (19) mit Arbeitsaggregaten und mit einem drehzahlverstellbaren Traktionsantrieb, der mindestens einen Stromrichter (15) enthält, vorgesehen zur Ansteuerung von Traktionsmotoren (8a, 8b), die eingerichtet sind zum Antrieb von Achsen des Schienenfahrzeugs (19), wobei der genutzte Drehzahlbereich der Traktionsmotoren (8a, 8b) charakterisiert ist durch einen ersten Betriebsbereich, in dem das Schienenfahrzeug (19) vorgesehen ist, einen Schienenfahrweg (21) mit seinen Arbeitsaggregaten zu bearbeiten, und einen zweiten Betriebsbereich, in dem das Schienenfahrzeug (19) vorgesehen ist, den Schienenfahrweg (21) zu befahren, ohne dass dieser durch die Arbeitsaggregate bearbeitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem mindestens einem Stromrichter (15) und mindestens einem Traktionsmotor (8a, 8b), eine Umschaltvorrichtung (1) gemäß einem der Ansprüche 1

bis 6 angeordnet ist.

10. Schienenfahrzeug (19) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass alle Stromrichter (15) der

Traktionsantriebe in einem Gehäuse (18) angeordnet sind.

38/39 ZULETZT VORGELEGTE ANSPRÜCHE

11. Schienenfahrzeug (19) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Traktionsantriebe mit ihren Stromrichtern (15) teilweise oder gänzlich in der Umgebung der

Antriebsachsen des Schienenfahrzeugs (19) angeordnet sind.

12. Schienenfahrzeug (19) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Traktionsantriebe mit

ihren Stromrichtern (15) dazu vorgesehen sind, mittels einer im Schienenfahrzeug (19) angeordneten Gleichstromleitung (24)

versorgt zu sein.

39/39 ZULETZT VORGELEGTE ANSPRÜCHE