Vorrichtung und Verfahren zur Versorgung von Gleisbremsen einer Ablaufanlage auf einem Rangierbahnhof mit elektrischer Energie

Abstract

 Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Versorgung von Gleisbremsen einer Ablaufanlage auf einem Rangierbahnhof mit elektrischer Energie. Die elektrische Anschlusscharakteristik derartiger, einer stossweisen Nutzung unterliegender Anlagen soll geglättet und die Anlagen sollen mit geringeren und im Zeitverlauf besser ausgenutzten Anschlusswerten an Stromverteilungsnetze anschliessbar gestaltet werden. Darüberhinaus sollen die kostenintensiven und aufwändigen Anlagen zur unterbrechungsfreien Stromversorgung vereinfacht beziehungsweise substituiert werden. Hierzu ist mindestens ein Kondensator (2) zur Speicherung und Abgabe elektrischer Energie an die oder jede Gleisbremse (4) vorgesehen.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Versorgung von Gleisbremsen einer Ablaufanlage auf einem Rangierbahnhof mit elektrischer Energie.

[0002] Das Rangieren von Einzelwagen beziehungsweise Wagengruppen in zentralisierten Rangierbahnhöfen stellt eine gängige Produktionsmethode im schienengebundenen Güterverkehr dar. Auf diesen Rangierbahnhöfen werden ankommende Züge aufgelöst und neue Züge gebildet. Zur Beschleunigung der Betriebsabläufe und zur Reduzierung von Produktionskosten weist die Mehrzahl derartiger Rangierbahnhöfe üblicherweise eine als "Ablaufberg" bezeichnete künstliche Erhebung auf, über die die Einzelwagen bzw. Wagengruppen des aufzulösenden Güterzuges gedrückt werden. Unter Einfluss der Schwerkraft durchlaufen diese über den Berg abgedrückten Fahrzeuge sodann eine aus einer Mehrzahl aufeinanderfolgender Weichenverbindungen bestehende Verteilzone, wodurch sie einem vorab definierten Richtungsgleis zugeführt werden, in welchem die zu einem neuen Zug zusammenzustellenden Einzelwagen bzw. Wagengruppen gesammelt werden.
Auf Grund der unterschiedlichen Beladungszustände sowie der konstruktions- und wartungstechnisch bedingten unterschiedlichen Laufverhalten der einzelnen Fahrzeuge müssen an verschiedenen Örtlichkeiten der Ablaufanlage gleisseitige Bremsvorrichtungen vorgehalten werden, die die Geschwindigkeit der über den Berg ablaufenden Fahrzeuge auf eine für ein ordnungsgemässes und effektives Auffüllen des jeweiligen Richtungsgleises vorgesehene Soll-Geschwindigkeit einregeln und somit insbesondere ein Auflaufen auf andere bereits im Richtungsgleis befindliche Schienenfahrzeuge mit einer unzulässig hohen Geschwindigkeit verhindern. Die Anzahl, die örtliche Lage sowie die genaue bremstechnische Auslegung dieser Gleisbremsen ist von den jeweiligen vor Ort anzutreffenden Gegebenheiten (insbesondere Höhe und Neigung des Ablaufberges sowie Neigung und nutzbare Länge der Richtungsgleise) abhängig. Das Ziel besteht darin, dass zum einen der am schlechtesten laufende Wagen das am weitesten von der Spitze des Ablaufberges entfernte Ziel erreichen kann, zum anderen auch der am besten laufende Wagen auch bei gefülltem Richtungsgleis noch mit Sicherheit auf eine zulässige Ablaufgeschwindigkeit abgebremst werden kann. Üblicherweise sind jedoch stets mindestens eine stärker wirkende und die Hauptlast der erforderlichen Bremsarbeit aufbringende Talbremse zu Beginn der Weichen der Verteilzone sowie mindestens eine nachregulierende und schwächer wirkende Richtungsgleisbremse zu Beginn eines jeden Richtungsgleises vorgesehen. Zusätzlich können die Richtungsgleise mit weiteren Gefälleausgleichsbremsen ausgerüstet sein. Speziell für die Richtungsgleisbremsen beziehungsweise Gefälleausgleichsbremsen kommen dabei oftmals elektrodynamische Gleisbremsen (EDG) zum Einsatz. Falls die von einer elektrodynamischen Gleisbremse leistbare Bremsarbeit unter Berücksichtigung der topologischen Gegebenheiten ausreicht, so kann diese auch als Talbremse eingesetzt werden. Es handelt sich hierbei um Balkengleisbremsen, bei denen mittels eines elektrischen Stromflusses ein Magnetfeld derart in beidseitig einer Gleisschiene angeordnete Bremsträger induziert wird, dass eine Anziehungskraft zwischen diesen Bremsträgern aufgebaut wird. Durch diese Anziehungskraft ziehen sich die Bremsträger gegenseitig an und bilden dadurch eine Bremsrille, die ein voreingestelltes lichtes Mass aufweist. Rollt nun das Rad eines ablaufenden Schienenfahrzeuges durch diese Bremsrille, so muss es die Bremsträger entgegen der magnetisch erzeugten Kraft bis auf Radreifenbreite auseinander drücken.

[0003] Jede elektrodynamische Gleisbremse muss hierzu eine Stromversorgung mit einem in Abhängigkeit vom Maximalwert der von der Gleisbremse zu erbringenden Bremsarbeit ausgelegten elektrischen Anschlusswert aufweisen. Bei elektrodynamischen Gleisbremsen üblicher Grösse (mit einer Bremsenlänge von 20 m und einer Durchflutung von 25.000 Amperewindungen (Awdg)) werden dabei Anschlusswerte von mehr als 200 kVA erforderlich. Bezogen auf eine komplette Rangieranlage mit einer Vielzahl derartiger elektrodynamischer Gleisbremsen und unter Berücksichtigung eines vom Anlagenbetreiber vorgeschriebenen Gleichzeitigkeitsfaktor, wonach je nach Anlagengrösse bis zu drei Gleisbremsen zeitgleich ihre maximale Bremsarbeit verrichten können müssen, summiert sich der bereitzustellende elektrische Anschlusswert auf über 600 kVA. In Anbetracht der Tatsache, dass derartige elektrische Leistungen über den Tagesverlauf nur zu sehr wenigen und zudem sehr kurzen Zeitspannen tatsächlich abgerufen werden, belegen die Betreiber öffentlicher Drehtstrom-Versorgungsnetze derartige Anschlüsse mit prohibitiv wirkenden Anschlussgebühren beziehungsweise verweigern sogar generell deren Bereitstellung.

[0004] Zusätzlich erfordert es die betriebliche Sicherheit von Ablaufanlagen auf Rangierbahnhöfen, dass auch im Falle eines eventuellen Stromausfalls die bereits über den Ablaufberg abgedrückten und sich noch in der Verteilzone befindlichen Wagen eine gesicherte Bremsung erfahren müssen. Zu diesem Zweck ist die Vorhaltung einer unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV) erforderlich. Diese USV muss nach den oben dargestellten Bedingungen der Anlagenbetreiber einen Anschlusswert von (abhängig vom Gleichzeitigkeitsfaktor) bis zu 600 kVA gewährleisten.
Es ist derzeit üblicher Stand der Technik, derartige USV-Anlagen mittels Akkumulatoren zu realisieren. Da derartige Anlagen mit Gleichstrom betrieben werden, hat dies zur Folge, dass der aus dem Versorgungsnetz entnommene Wechselstrom zunächst in Gleichstrom zur Ladung der Akkumulatoren der USV transformiert und im Bedarfsfall sodann wieder in Wechselstrom zur Spannungsversorgung der Stromrichter zur regelbaren Stromspeisung der elektrodynamischen Gleisbremsen zurückgeformt werden muss. Da die hierfür notwendigen Umformer im Bedarfsfall nicht schlagartig hochgefahren werden können, ist ein Online-Bypass-Betrieb der USV-Anlage erforderlich. Dies führt bei einer 600 kVA-USV-Anlage üblicher Bauart zu einer als Wärme anfallenden Verlustleistung von bis zu 35 kVA, welche mittels einer zusätzlichen Klimaanlage aus den die USV aufnehmenden Räumlichkeiten abgeführt werden muss.

[0005] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Versorgung von Gleisbremsen einer Ablaufanlage auf einem Rangierbahnhof mit elektrischer Energie bereitzustellen, mittels welcher die elektrische Anschlusscharakteristik derartiger, einer stossweisen Nutzung unterliegender Anlagen geglättet und die Anlagen mit geringeren und im Zeitverlauf besser ausgenutzten Anschlusswerten an Stromverteilungsnetze anschliessbar gestaltet werden. Darüberhinaus sollen die kostenintensiven und aufwändigen Anlagen zur unterbrechungsfreien Stromversorgung vereinfacht beziehungsweise substituiert werden.

[0006] Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe in Verbindung mit dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 dadurch gelöst, dass mindestens ein Kondensator zur Speicherung und Abgabe elektrischer Energie an die oder jede Gleisbremse vorgesehen ist. Auf diese Weise ist es möglich, dass der Energieverbrauch einer Bremsarbeit verrichtenden Gleisbremse zeitlich von der Entnahme elektrischer Energie aus einem Stromversorgungsnetz entkoppelt wird. Die einzelnen punktuellen Verbrauchsspitzen können seitens des Versorgungsnetzes durch einen kontinuierlichen Ladeprozess mit geringeren elektrischen Leistungen abgedeckt werden. Die im Kondensator gespeicherte Ladung macht den Betrieb der Gleisbremse unabhängig von dem zum jeweiligen Arbeitszeitpunkt der Gleisbremse aktuellen Spannungszustand des Versorgungsnetzes. Somit bleibt die Gleisbremse auch bei Ausfall des Versorgungsnetzes für die Bremsarbeit an zumindest den zum Zeitpunkt des Spannungsabfalls bereits über den Ablaufberg abgedrückten und noch nicht im Richtungsgleis angekommenen Wagen betriebsbereit. Eine separate Vorrichtung zur unterbrechungsfreien Stromversorgung wird durch die aktive Einbindung eines Kondensators in die Stromversorgung überflüssig.

[0007] Desweiteren ist erfindungsgemäss vorgesehen, dass die oder jede Gleisbremse mit jeweils mindestens einem dieser Gleisbremse zugeordneten Kondensator elektrisch verbunden ist. Dadurch wird ermöglicht, dass jede einzelne Gleisbremse auf einen in ihrer unmittelbaren räumlichen Umgebung angeordneten Kondensator zugreifen kann. Auf diese Weise kann der Verkabelungsaufwand wirksam reduziert werden, da zwischen Energiespeicher und Verbraucher nur kurze Wege überbrückt werden müssen. Dies ist insbesondere hinsichtlich der aufwändigen, mit geringem Leitungswiderstand auszuführenden Kabelstrecken zwischen Kondensator und Verbraucher von Bedeutung.

[0008] In vorteilhafter Weise sieht die Erfindung ferner vor, dass die oder jede Gleisbremse einen Stromregler aufweist, der in einem durch den oder jeden Kondensator dargestellten Gleichstromzwischenkreis gespeist wird. Im Gegensatz zu der aus dem Stand der Technik bislang bekannten Vorrichtung, bei der eine unterbrechungsfreie Stromversorgung mittels Akkumulatoren gewährleistet wird, weisen die Kondensatoren auf Grund des Wegfalls einer Beteiligung von chemischen Umwandlungsprozessen am Speichervermögen ein wesentlich dynamischeres Verhalten bezüglich ihrer Lade- und Entladefähigkeit und ihres geringen Innenwiderstandes auf. Somit kann auf eine USV im Online-Bypass-Betrieb verzichtet werden, wodurch auch die von diesen Bauteilen bewirkten Verlustleistungen wirkungsvoll vermieden werden.

[0009] Gemäss einer sinnvollen Ausgestaltung des erfinderischen Grundgedankens ist eine Mehrzahl von jeweils den einzelnen Gleisbremsen der Rangierablaufanlage zugeordneten Kondensatoren über eine Ringleitung miteinander elektrisch verbunden. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die über eine Ringleitung miteinander elektrisch verbundenen Kondensatoren in Parallelschaltung angeordnet sind. Auf diese Weise bilden alle an die Ringleitung angeschlossenen Kondensatoren einen als Verbund übergreifend für alle Gleisbremsen des Rangierbahnhofes wirksamen Energiespeicher.

[0010] Gemäss einer hierauf basierenden Weiterentwicklung des erfinderischen Konzepts ist die Kapazität des oder jeden Kondensators entsprechend dem mittleren Bedarf an elektrischer Energie zur Ansteuerung der oder jeder angeschlossenen Gleisbremse ausgelegt.
Zusätzlich ist die Gesamtkapazität der in Parallelschaltung angeordneten Kondensatoren einer Ringleitung entsprechend dem Bedarf an elektrischer Energie einer vorgebbaren Mindestzahl von gleichzeitig jeweils die maximale Bremsarbeit leistenden Gleisbremsen ausgelegt. Auf diese Weise ist es möglich, dass die Kondensatoren nicht auf die maximal erforderlichen Spitzenbedarfswerte der ihnen jeweils zugeordneten Gleisbremsen hin dimensioniert werden müssen, sondern lediglich einem gemittelten üblichen Leistungswert bei durchschnittlicher Bremsarbeit genügen müssen. Der darüber hinausgehende Leistungsbedarf wird durch die übrigen in die Ringschaltung integrierten Kondensatoren bereitgestellt. Ein Laderegler sorgt für die kontinuierliche Nachladung aller in der erfindungsgemässen Vorrichtung vorhandenen Speicher-Kondensatoren. Dennoch ist der Verbundspeicher ausreichend gross bemessen, um den Anforderungen der Anlagenbetreiber hinsichtlich eines gleichzeitigen Betriebes mehrerer Gleisbremsen unter Voll-Last zu genügen. Unabhängig von der Anzahl der angeschlossenen Gleisbremsen werden somit sowohl die angestrebte Verringerung der Netzanschlussleistung als auch die gleichmässigere Belastung des elektrischen Versorgungsnetzes wirkungsvoll unterstützt.

[0011] Neben weiteren sinnvollen Ausgestaltungsmöglichkeiten sieht ein verfahrensorientiertes Merkmal der Erfindung vor, dass der oder jeder Kondensator mit einem dem Mittelwert des pulsierenden Entladestromes entsprechenden Ladestrom aufgeladen wird.

[0012] Der Erfindungsgedanke wird in nachfolgenden Figuren verdeutlicht. Es zeigen:

Figur 1

Prinzipdarstellung für die Stromversorgung und Stromspeicherung einer einzelnen elektrodynamischen Gleisbremse (EDG)

Figur 2

Prinzipdarstellung für eine dezentrale Stromversorung und Stromspeicherung über eine Ringleitung

Anhand dieser Figuren lässt sich folgendes Ausführungsbeispiel nachvollziehen:

[0013] In Figur 1 ist die erfindungsgemässe Vorrichtung zur Stromversorgung und zur Stromspeicherung für eine einzelne elektrodynamische Gleisbremse (EDG) (4) dargestellt. Die elektrodynamische Gleisbremse ist einer schematischen Draufsicht dargestellt.
Die Vorrichtung umfasst einen Ladestrom-Regler (1), der die elektrische Energie einem als IT-Netz ausgeführtem Versorgungsnetz entnimmt. Bei einem derartigen IT-Netz sind alle aktiven Teile von Erde isoliert bzw. über eine Impedanz mit Erde verbunden; Körper sind unabhängig von der Erde der Stromquelle direkt geerdet. Die Ausprägung in Form eines IT-Netzes wird gewählt, damit es nicht zum Ausfall der Gleisbremse in Folge eines im geerdeten Netz auftretenden Kurzschlusses führt. Für die Überwachung und Signalisierung derartiger Erdschlüsse ist ein separates Erdschluss-Messgerät vorgesehen. Der Ladestrom-Regler (1) wandelt diesen Wechselstrom in einen Gleichstrom um, mittels dem der Kondensator-Speicher (2) aufgeladen wird. Die Spannung dieses Lade-Gleichstroms für den Kondensator kann dabei in Abhängigikeit von unterschiedlichen Lade-Regimen zwischen einer Nennspannung U_nenn und einem Maximalwert U_max variiert werden. Zur Erzielung einer gleichmässigen und möglichst niedrigen Belastung des liefernden Versorgungsnetzes ist ein Lade-Regime anzustreben, bei dem der Kondensator mit einem möglichst niedrigen Spannungswert U_nenn über zeitlich langgestreckte Zyklen aufgeladen wird. Die Ladeschlussspannung U_max wird erreicht, wenn die Stromaufnahme geringer als der eingestellte Ladestrom ist.
Der Kondensator-Speicher (2) gibt bedarfsweise Energie an einen Stromregler (3) ab. In Abhängigkeit von den Steuersignalen U_St aus einer Bremsensteuerung beaufschlagt der Stromregler die Induktionswicklungen in der elektrodynamischen Gleisbremse. In Abhängigkeit von den ablaufdynamischen Eigenschaften und der Zielposition des ablaufenden und zu bremsenden Wagens werden dabei unterschiedliche Stromstärken in die Bremsspulen eingespeist und somit unterschiedliche Bremskräfte erzeugt. Auf die Vorhaltung einer separaten Anlage zur unterbrechungsfreien Stromversorgung (USV) und allen mit dieser verbundenen Nachteile (Verlustleistung, Klimatisierung, Investitionsmittel etc...) kann verzichtet werden, da der Kondensator auf Grund seiner Fähigkeiten zum schnellen Auf- bzw. Entladen mit unwesentlichen zeitlichen Verzögerungen diese Funktion wirksam wahrnehmen kann.

[0014] In Figur 2 ist eine erfindungsgemässe Vorrichtung zur Stromversorgung und zur Stromspeicherung einer Mehrzahl von 1 bis n elektrodynamischen Gleisbremsen (EDG₁ ... EDG_n) (4) dargestellt. Hierbei weist jede Gleisbremse (EDG₁ ... EDG_n) jeweils eine in ihrer näheren räumlichen Umgebung zugeordnete und mir ihr verdrahtete Anordnung aus Kondensator-Speicher (2) und Stromregler (3) auf, wie sie für sich genommen bereits aus Figur 1 bekannt ist. Die einzelnen Kondensatoren sind in als Parallelschaltung in einer Ringleitung (5) miteinander elektrisch verbunden. Auf diese Weise wird einerseits auf der Verbraucherseite eine dezentrale Struktur von Energiespeicher und Stromquellen zugleich aber auch der Netzanschluss-Seite eine zentrale Struktur zum Strombezug aus einem Versorgungsnetz geschaffen. Somit können die dezentral den einzelnen Gleisbremsen (4) zugeordneten Elemente (2, 3) geringer dimensioniert, da sie nicht mehr auf eventuelle Spitzenlasten sondern lediglich auf durchschnittlich zu erwartende Mittel-Lastwerte hin ausgelegt sein müssen. Für Fälle, in denen eine Gleisbremse eine über den mittleren Lastfall hinausgehende Bremsarbeit aufbringen muss, erfolgt eine Leistungsentnahme aus den in der Ringleitung jeweils benachbarten dezentralen Kondensator-Speichern. Der Netzanschluss ist von derartigen Lastspitzen entkoppelt und sorgt mittels einer beständigen Leistungsaufnahme für ein kontinuierliches Nachladen der in der Ringleitung angeschlossenen Kondensatoren.

Bezugszeichenliste:

[0015] 

1

Ladestrom-Regler

2

Kondensator-Speicher

3

regelbare Stromquelle

4

elektrodynamische Gleisbremse (EDG)

5

Ringleitung

U

Spannung

U_St

Steuerspannung (Steuerstrom) von Bremsensteuerung

I

Stromstärke

AC

Wechselstrom

DC

Gleichstrom

1 ... n

Anzahl der Gleisbremsen

EDG₁

elektrodynamische Gleisbremse; Nummer 1

EDG_n

elektrodynamische Gleisbremse; Nummer n

Ansprüche

1. Vorrichtung zur Versorgung von Gleisbremsen einer Ablaufanlage auf einem Rangierbahnhof mit elektrischer Energie,
dadurch gekennzeichnet,
dass mindestens ein Kondensator (2) zur Speicherung und Abgabe elektrischer Energie an die oder jede Gleisbremse (4) vorgesehen ist.

2. Vorrichtung zur Versorgung von Gleisbremsen einer Ablaufanlage auf einem Rangierbahnhof mit elektrischer Energie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die oder jede Gleisbremse (4) mit jeweils mindestens einem dieser Gleisbremse zugeordneten Kondensator (2) elektrisch verbunden ist.

3. Vorrichtung zur Versorgung von Gleisbremsen einer Ablaufanlage auf einem Rangierbahnhof mit elektrischer Energie nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die oder jede Gleisbremse einen Stromregler (3) aufweist, der in einem durch den oder jeden Kondensator dargestellten Gleichstromzwischenkreis gespeist wird.

4. Vorrichtung zur Versorgung von Gleisbremsen einer Ablaufanlage auf einem Rangierbahnhof mit elektrischer Energie nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von jeweils den einzelnen Gleisbremsen der Rangierablaufanlage zugeordneten Kondensatoren (2) über eine Ringleitung (5) miteinander elektrisch verbunden ist.

5. Vorrichtung zur Versorgung von Gleisbremsen einer Ablaufanlage auf einem Rangierbahnhof mit elektrischer Energie nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die über eine Ringleitung (5) miteinander elektrisch verbundenen Kondensatoren (2) in Parallelschaltung angeordnet sind.

6. Vorrichtung zur Versorgung von Gleisbremsen einer Ablaufanlage auf einem Rangierbahnhof mit elektrischer Energie nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazität des oder jeden Kondensators (2) entsprechend dem mittleren Bedarf an elektrischer Energie zur Ansteuerung der oder jeder angeschlossenen Gleisbremse (4) ausgelegt ist.

7. Vorrichtung zur Versorgung von Gleisbremsen einer Ablaufanlage auf einem Rangierbahnhof mit elektrischer Energie nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtkapazität der in Parallelschaltung angeordneten Kondensatoren (2) einer Ringleitung (5) entsprechend dem Bedarf an elektrischer Energie einer vorgebbaren Mindestzahl von gleichzeitig jeweils die maximale Bremsarbeit leistenden Gleisbremsen (4) ausgelegt ist.

8. Vorrichtung zur Versorgung von Gleisbremsen einer Ablaufanlage auf einem Rangierbahnhof mit elektrischer Energie nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der oder jeder Kondensator (2) bzw. der ringförmige Verbund (5) von Kondensatoren unter Zwischenschaltung eines Ladegleichrichters (1) an ein Strom-Versorgungsnetz angeschlossen ist.

9. Vorrichtung zur Versorgung von Gleisbremsen einer Ablaufanlage auf einem Rangierbahnhof mit elektrischer Energie nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die oder jede Gleisbremse als elektrodynamische Gleisbremse (4) ausgeführt ist.

10. Verfahren zur Versorgung von Gleisbremsen einer Ablaufanlage auf einem Rangierbahnhof mit elektrischer Energie unter Verwendung einer nach einem der Ansprüche 1 bis 9 ausgeführten Vorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass der oder jeder Kondensator (2) mit einem dem Mittelwert des pulsierenden Entladestromes entsprechenden Ladestrom aufgeladen wird.

Zeichnung