Die Doktoranden und wissenschaftlichen Mitarbeiter der Professur Elektrische Bahnen. Themen, die elektrisieren!

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1 Die Doktoranden und wissenschaftlichen Mitarbeiter der Professur Elektrische Bahnen Themen, die elektrisieren! Instandhaltung (maintenance) vorbeugend (preventive) korrigierend (corrective) zustandsbasiert (condition based) vorausschauend (predictive) vorausbestimmt (predetermined) planmäßig (scheduled) Wartung aufgeschoben unmittelbar (deferred) (immediate) Instandsetzung zustandsabhängig zeitabhängig ausfallorientiert Strategien

2 Die Arbeitsmittel des Lehrstuhls: Systemlabor für spurgebundene Fahrzeuge Systemlabor für spurgebundene Fahrzeuge Systemlabor für Bahnenergieversorgung Umfangreiche Messtechnik Fahrzeug-, Antriebs- und Lastsimulationen Labor für Bahnenergieversorgung Die Arbeitsmittel der Professur Folie 2

3 Dipl.-Ing. Christoph Pache Masselose Bahnenergieversorgung

4 Masselose Bahnenergieversorgung installierte Erzeugerleistung (2014): statisch: ca. 50% rotierend: ca. 50% zukünftige Perspektive (2030): statisch: ca. 85% rotierend: ca. 15% und Herausforderungen: 1. Netzfrequenz als Belastungsindikator bei schnellen Leistungsänderungen? 2. Vertragen sich Umrichter und Netzschutz? 3. Weniger Wicklungen, mehr Digitalregler. Schwingt das Netz stärker? Dipl.-Ing. Christoph Pache Masselose Bahnenergieversorgung Folie 4

5 Herausforderungen angehen! Netzbetrieb: stationäre Zustände und Ausgleichsvorgänge Untersuchung kurzzeitiger Ausgleichsvorgänge Abbild des 110 kv, 16,7 Hz Bahnenergieversorgungsnetzes im Simulator dynamische Modelle für: Netzkupplungsumrichter Synchronmaschine Leitungen Transformatoren Szenarien Ausfall leistungsstarker Kraftwerke/Umrichterwerke Inselnetze ohne rotierende Masse umrichtergespeiste Fehlerfälle Ziel: Mit dem masselosen Strom fahren! Dipl.-Ing. Christoph Pache Masselose Bahnenergieversorgung Folie 5

6 Dr.-Ing. Sabine Hammer Dipl.-Ing. Jochen Kriesel Probleme vor Ort durch Messungen aufspüren

7 Aktuelles Beispiel: Systemtrennstelle Schöna - Wechsel zwischen 1AC 15 kv 16,7 Hz und DC 3 kv Beide Systeme sind elektrisch sauber voneinander getrennt In der Oberleitungsanlage In der Gleisanlage Dr.-Ing. Sabine Hammer, Dipl.-Ing. Jochen Kriesel Probleme vor Ort durch Messungen aufspüren Folie 7

8 Dennoch entstehen bei Zugüberfahrten über den Isolierstößen Lichtbögen mit verheerenden Auswirkungen. Geeignete Gegenmaßnahmen befinden sich derzeit in der Planungsphase. DC UW Quelle: T. Mader Quelle: S. Hammer Dr.-Ing. Sabine Hammer, Dipl.-Ing. Jochen Kriesel Probleme vor Ort durch Messungen aufspüren Folie 8

9 Die Messungen im Gleisbereich ergaben Lichtbögen bei allen Zuggattungen hohe Potenzialdifferenzen zwischen beiden Rückleitungssystemen bei Überbrückung: Stromflüsse von DC nach AC bei Auftrennung: Lichtbögen und Schäden an Isolierstößen gefährliche Schienenpotenziale im DC-System DC UW Abhilfe durch Neugestaltung, z.b. mit Trenntransformator und isoliertem Gleis Dr.-Ing. Sabine Hammer, Dipl.-Ing. Jochen Kriesel Probleme vor Ort durch Messungen aufspüren Folie 9

10 Dipl.-Ing. Matthias Holfeld Schutztechnik in der Bahnenergieversorgung

11 Schutztechnik - Da wissen wir schon alles... sicher schneller selektiver Schutz empfindlicher wirtschaftlicher aber: geringere Akzeptanz von Störungen und Schäden höhere Ausnutzung bestehender Komponenten neuartige Fehlerfälle und Störungen durch Fahrzeugantriebe spezifischere Anwendungsfälle höhere Informationsdichte vorhanden Dipl.-Ing. Matthias Holfeld Schutztechnik in der Bahnenergieversorgung Folie 11

12 Schutztechnik -... wie kann es weiter gehen? statische Kurzschlussberechnung statische Kurzschlussberechnung dynamische Kurzschlussberechnung dynamische Kurzschlussberechnung Vorgabe Vorgabe Netzaufbau Variation der Variation der Randbedingungen Optimierung der Optimierung der Schutzverfahren Zielstellung: Erfassen des Veränderungsbedarfes bei Betreibern Erkennen von Grenzen aktueller Schutzkonzepte Erkennen von spezifischen Randbedingungen im Netz Generieren von Lösungen Dipl.-Ing. Matthias Holfeld Schutztechnik in der Bahnenergieversorgung Folie 12

13 Dipl.-Ing. Sebastian Terfloth Innovative Fahrleitungsanlagen

14 Oberleitung im Nahverkehr notwendiges Übel? Oberleitungen sind teuer und wartungsintensiv! Oberleitungen verschandeln das Stadtbild! Das geht ohne Oberleitung viel besser! Überall dort, wo viel Leistung gebraucht wird, wird es Oberleitungen geben müssen! Dipl.-Ing. Sebastian Terfloth Innovative Fahrleitungsanlagen Folie 14

15 Oberleitung im Nahverkehr der Leistungsträger! Oberleitungen sollen das Stadtbild nicht stören einfach aufgebaut sein instandhaltungsarm sein Ja, das geht! Fahrzeug-Energiespeicher sinnvoll einsetzen Verschleißintensive Komponenten optimieren Intelligente Instandhaltung und Diagnose Dipl.-Ing. Sebastian Terfloth Innovative Fahrleitungsanlagen Folie 15

16 Dipl.-Ing. Falk Angermann Externe Nachladung ECO-Train

17 Externe Nachladung ECO-Train Hybridantrieb VT 642 dieselelektrisch mit Batteriespeicher Bremsenergie reicht nicht für Speichernachladung Externe Nachladung an Stationen notwendig Wie macht man das? Stecker? Spezialpantograph? induktiv? Oberleitung? mit Bedienung? Stromschiene? automatisch? Kosten? Dipl.-Ing. Falk Angermann Externe Nachladung ECO-Train Folie 17

18 Externe Nachladung ECO-Train - Integration Vollbahninfrastruktur funktional / RAM-S Fahrzeug- und Antriebsstruktur Fahrplan betrieblich Betriebsabläufe wirtschaftlich Realisierung Betriebskosten Gesamtheitliche Lösung notwendig Dipl.-Ing. Falk Angermann Externe Nachladung ECO-Train Folie 18

19 Dipl.-Ing. Andreas Albrecht Stabilität in umrichtergespeisten Bahnenergieversorgungsnetzen

20 Wenn bisweilen... Ihr Triebfahrzeugantrieb ruckelt, Ihre Fahrzeuge oder Bahnenergieversorgungsanlagen unvorhergesehen auf Grund von Grenzwertverletzungen abschalten oder der Verlauf Ihrer Netzspannung so aussieht... Dipl.-Ing. Andreas Albrecht Stabilität in umrichtergespeisten Bahnenergieversorgungsnetzen Folie 20

21 ... dann könnte unter Umständen... ein niederfrequentes Stabilitätsproblem vorliegen. Hierbei werden durch... Strom-, Spannungs- oder Leistungsregler der leistungselektronischen Schaltungen in Verbindung mit Konstantleistungsverhalten und begrenzter Bandbreite aus kleinen Störungsanregungen im Strom... etwas größere Störungen in der Spannung verursacht. Anforderungen an Kompatibilität und Interoperabilität verlangen nach Kriterien, dies zu verhindern. Dipl.-Ing. Andreas Albrecht Stabilität in umrichtergespeisten Bahnenergieversorgungsnetzen Folie 21

22 Dipl.-Ing. Frank Hartung Onboard Energiemessung für Abrechnungszwecke

23 Onboard Energiemessung (DC) Warum? Unproblematisch Energieversorger & Fzg.-Betreiber ein Unternehmen Energiemessung im UW DC-UW Stromschiene Fahrschiene Problematisch Energieversorger & Fzg.-Betreiber verschiedene Unternehmen Energiemessung im UW & Onboard Energiemessung auf den Triebfahrzeugen notwendig DC-UW Stromschiene Fahrschiene Onboard Energiemessung ermöglicht: genaue Erfassung des Energieverbrauchs der Triebfahrzeuge Ermittlung + Vergütung der ins Netz zurück gespeisten Bremsenergie Ermittlung der Übertragungsverluste vom UW zum Tfz. möglich Dipl.-Ing. Frank Hartung Onboard Energiemessung für Abrechnungszwecke Folie 23

24 Onboard Energiemessung (DC) Herausforderungen Verteilte Stromabnehmer- sowie Antriebsstruktur bei modernen S-Bahnfahrzeugen Messwerterfassung und -übertragung zum Energiezähler Unklare Rechtslage beim Inverkehrbringen sowie der Zulassungsdauer des EMS und seiner Elemente (Europäische Richtlinie/TSI/evtl. nationale Regelungen) Seit 2012: EN bzw. 2013: DIN EN 50463, aber noch nicht in der TSI referenziert Ziel: Erarbeitung eines Lösungskonzepts für 1) Prototypeneinsatz bei der S-Bahn Berlin 2) Serieneinsatz des erprobten Energiemesssystems für die Energiemessung zu Abrechnungszwecken bei der S-Bahn Dipl.-Ing. Frank Hartung Onboard Energiemessung für Abrechnungszwecke Folie 24

25 Dipl.-Ing. Sascha Giebel Intelligentes Bordnetzmanagement

26 Bordnetz Was ist das? Charakteristika: Bestandteile: Erzeuger, Speicher, Verbraucher Kommunikationskanäle zur Steuerung und Überwachung Leistung: 10 % der Traktionsleistung Energie: bis zu 50% des Gesamtenergiebedarfs des Fahrzeuges! Betrieb: scheinbar vom Fahrbetrieb unabhängiges Zu- und Abschalten der Verbraucher Dipl. Ing. Sascha Giebel Intelligentes Bordnetzmanagement Folie 26

27 Intelligentes Bordnetzmanagement Lastmanagement auf Systemebene zur Verringerung des Leistungs- und/ oder Energiebedarfs von Fahrzeugen Erzeuger Lastmanagement Speicher Verbraucher Identifikation relevanter Verbraucher Nachbildung Betriebsverhalten Bestimmung der Einflussfaktoren auf das Schaltverhalten Bordnetzleistung Ermittlung von Steuergrößen Optimierungsstrategien Dipl. Ing. Sascha Giebel Intelligentes Bordnetzmanagement Folie 27

28 Dipl.-Ing. Jean-Pierre Pally Ganzheitliche Diagnose bei Schienenfahrzeugen

29 Diagnose das ist doch das Fehlersuchen!?! NEIN! Diagnose ist das Detektieren von Fehlern, Klassifizieren von Fehlern, Finden der Fehlerursache, Verhindern des Fehlereintritts. Dies erfordert eine strukturierte Analyse und die Kenntnis der Anforderungen und Abhängigkeiten. Dipl.-Ing. Jean-Pierre Pally Ganzheitliche Diagnose bei Schienenfahrzeugen Folie 29

30 Diagnose das gibt s doch schon lange! JAIN! Es gibt Leuchtmelder für einzelne Fehler, sogenannte Diagnosedisplays, die vorgefertigte Fehlermeldungen anzeigen, ausgeklügelte Überwachungsverfahren für einzelne Fahrzeugsysteme. Ziel: Ganzheitliche Diagnose als Prozess vom Fahrzeugentwurf über den Fahrzeugbetrieb bis hin zur Instandhaltung. Das gibt es (noch) nicht. Ich arbeite dran! Dipl.-Ing. Jean-Pierre Pally Ganzheitliche Diagnose bei Schienenfahrzeugen Folie 30

31 Dipl.-Ing. Giso Wundratsch Forschungsprojekt ENUBA Scania

32 Wissenschaftliche Begleitforschung ENUBA II Langfristige Entwicklungs-Trends Steigende Güterverkehrsaufkommen Höhere Kraftstoffkosten Zunehmende Umweltbelastung p t Lösungsansatz: Elektromobilität aber wie? Das Problem: Die Speicher Dipl.-Ing. Giso Wundratsch Wissenschaftliche Begleitforschung ENUBA II Folie 32

33 Wissenschaftliche Begleitforschung ENUBA II Kontinuierliche Konduktive Energieversorgung? + Hybridisierung! Da gab s doch was Hohe Flexibilität der Fahrzeuge Hoher Systemwirkungsgrad Rückspeisefähiges System Erprobte Energieversorgung Integration in bestehendes Netz möglich Was bringt das? Forschungsschwerpunkte: Quelle: Siemens AG Ökonomischer Gesamtnutzen? Szenarien: Basis vs. Pro Diesel Parametervariation: Schlüsselkosten Streckenausbau, Fzg.-Hochlauf Nutzerakzeptanz Ökologischer Gesamtnutzen? Physische Belastung Verbrauchte Ressourcen Quelle: Hutnyak Consulting Stoffliche Belastung Quelle: Hutnyak Consulting Dipl.-Ing. Giso Wundratsch Wissenschaftliche Begleitforschung ENUBA II Folie 33

34 60 Jahre Professur Elektrische Bahnen Nicht mit dem Strom schwimmen - mit dem Strom FAHREN!