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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Mehrsystem-Traktionsstromrichter
gemäß Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Ein
gattungsgemäßer Mehrsystem-Traktionsstromrichter
ist aus dem Konferenzbericht mit dem Titel "Comparison of Multi-System Traction Converters for High-Power
Locomotives", der
PESC Konferenz 2004 vom 21.6.-23.06.2004 in Aachen, insbesondere
der 12 dieses Konferenzberichts, bekannt.
In der 1 ist ein Ersatzschaltbild eines redundant aufgebauten
Traktionsstromrichters, insbesondere für eine Hochleistungslokomotive,
schematisch dargestellt. In dieser 1 sind mit 2 und 4 jeweils
ein Teilstromrichter, mit 6 und 8 jeweils ein Fahrmotor
und mit 10 ein Traktionstransformator bezeichnet. Der Teilstromrichter 2 bzw. 4 weist
einen Vierquadrantensteller 12 bzw. 14, eine Kondensatorbatterie 16 bzw. 18 und
einen Pulswechselrichter 20 bzw. 22 auf. Die mittels
der Kondensatorbatterie 16 und 18 gebildeten Zwischenkreise 24 und 26 der
beiden Teilstromrichter 2 und 4 sind elektrisch
parallel schaltbar. Dazu sind mehrere Schalter 28 vorgesehen.
Als Schalter 28 wird beispielsweise ein Trenner oder ein
Schütz
verwendet. Da die Zwischenkreise 24 und 26 elektrisch
parallel schaltbar sind, kann ein gemeinsamer Saugkreis 30 und
ein gemeinsamer Kurzschließer 32 verwendet
werden. Da der Traktionsstromrichter in zwei Teilstromrichter 2 und 4 unterteilt
ist, weist der Traktionstransformator 10 sekundärseitig
zwei Wicklungen 34 und 36 auf. Die Primärwicklung 38 ist
einerseits mit einem Antriebsrad 40 und andererseits mittels
eines Schalters 41 mit einem Einspeisepunkt 42 verknüpft. An
diesem Einspeisepunkt 42 steht eine einphasige Wechselspannung
mit 15 kV/16,7 Hz bzw. mit 25 kV/50 Hz an. Die beiden Anschlüsse einer
jeden Sekundärwicklung 34 und 36 dieses
Traktionstransformators 10 sind jeweils mit einem wechselspannungsseitigen
Anschluss 44, 46 bzw. 48, 50 des
Vierquadrantenstellers 12 bzw. 14 mittels Schalter 43, 45 bzw. 47, 49 verbindbar.
An den wechselspannungsseitigen Anschlüssen R1, S1, T1 bzw. R2, S2,
T2 des Pulswechselrichters 20 bzw. 22 sind der
Fahrmotor 6 bzw. 8 angeschlossen. Der Vierquadrantensteller 12 bzw. 14 und
der Pulswechselrichter 20 bzw. 22 des Teilstromrichters 2 bzw. 4 sind
mittels des Zwischenkreises 24 bzw. 26 gleichspannungsseitig
miteinander elektrisch leitend verbunden.
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Gemäß diesem
Ersatzschaltbild weist der Vierquadrantensteller 12 bzw. 14 zwei
Brückenzweige
und der Pulswechselrichter 20 bzw. 22 drei Brückenzweige
auf. Jeder Brückenzweig
weist zwei abschaltbare Halbleiterschalter, z.B. Insulated-Gate-Bipolar-Transistoren (IGBT),
auf, die elektrisch in Reihe geschaltet sind. Da jeder Brückenzweig
eine Phase des Vierquadrantenstellers 12 bzw. 14 oder
eine Phase des Pulswechselrichters 20 bzw. 22 bildet, werden
diese Brückenzweige
auch als Phasenmodule bezeichnet. Somit weist jeder Teilstromrichter 2 bzw. 4 wenigstens
fünf Phasenmodule
auf.
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Hochleistungslokomotiven
weisen üblicherweise
vier Fahrmotoren 6, 8 auf, von denen jeweils zwei
in einem Drehgestell angeordnet sind. Jeder Fahrmotor 6, 8 wird
von einem Teilstromrichter 2, 4 gespeist. Jeweils
zwei Teilstromrichter 2, 4 bilden einen Traktionsstromrichter
eines Drehgestells. Durch diese Aufteilung eines Traktionsstromrichters
eines Drehgestells in zwei Teilstromrichter 2, 4 wird
eine hohe Verfügbarkeit
bei Stromrichterfehlern gewährleistet.
Somit weist eine Hochleistungslokomotive zwei, jeweils zwei Teilstromrichter 2, 4 aufweisende Traktionsstromrichter
auf, wodurch eine gewünschte Redundanz
gewährleistet
wird.
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Soll
dieser Traktionsstromrichter auch in einem Gleichspannungsnetz betreibbar
sein, so kann der Zwischenkreis eines Traktionsstromrichters mittels
einer Netzdrossel direkt mit dem Einspeisepunkt 42 verbunden
werden, an dem dann eine Gleichspannung mit 3 kV bzw. 1,5 kV ansteht
(10 des Konferenzberichts). Die Motorauslegung
erfolgt so, dass eine hinreichend große Kippmomentreserve bei minimaler
Versor gungsspannung (Netzspannung) im 3 kV DC-Betrieb sichergestellt
ist. Im AC-Betrieb kann die Zwischenkreisspannung, die an einer
Kondensatorbatterie abfällt,
durch ein Übersetzungsverhältnis des
Traktionstransformators und einem Vierquadrantensteller beliebig
eingestellt werden. Gewählt
wird ein Wert, der in etwa der niedrigsten Netzspannung im 3 kV
DC-Betrieb entspricht. Im 1,5 kV DC-Betrieb steht dann wegen der
quadratischen Abhängigkeit
des Kippmoments von der Spannung nur ein Viertel des Kippmoments
beim 3 kV DC-Betrieb zur Verfügung.
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Um
das Problem einer zu kleinen Zwischenkreisspannung im 1,5 kV DC-Betrieb
zu lösen,
kann ein Chopper, insbesondere ein Hochsetzsteller, verwendet werden.
Mit einem Hochsetzsteller kann die Zwischenkreisspannung auf einen
beliebigen Wert oberhalb der Netzspannung angehoben werden. Aus dem
Konferenzbericht ist eine Schaltung für einen Traktionsstromrichter
bekannt, der einen Chopper, insbesondere einen Tiefsetzsteller,
verwendet. Üblicherweise
wird für
die Zwischenkreisspannung ein Wert gewählt, den bereits die Zwischenkreisspannung
im AC-Betrieb aufweisen würde.
Für den
Aufbau eines Hochsetzstellers wird nur noch eine Hochsetzstellerdrossel
benötigt,
die einerseits an einem gleichspannungsseitigen Einspeisepunkt und
andererseits an einem wechselspannungsseitigen Anschluss eines Vierquadrantenstellers
angeschlossen ist. Dadurch erhält
man einen Mehrsystem-Traktionsstromrichter.
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Für die Ausführungsform
des Choppers ist ausschlaggebend, welche der beiden verfügbaren DC-Fahrdrahtspannungen
als Eingangsspannung des Choppers verwendet wird. Wird als Eingangsspannung
die Gleichspannung mit 3 kV verwendet, so ist der Chopper als Tiefsetzsteller
auszuführen. Wird
hingegen als Eingangsspannung die Gleichspannung mit 1,5 kV verwendet,
so muss der Chopper als Hochsetzsteller verwendet werden. Beiden gemeinsam
ist, dass diese eine Stellerdrossel, einen abschaltbaren Schalter
und einen Kondensator aufweisen. Der Unterschied besteht in der
Platzierung der Stellerdrossel.
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Sollte
der Traktionsstromrichter neben einer AC-Spannungsversorgung auch
an einer DC-Spannungsversorgung betreibbar sein, so müssten in
Anlehnung des oben genannten Beispiels eines Mehrsystem-Traktionsstromrichters
die beiden Vierquadrantensteller 12 und 14 der
beiden Teilstromrichter 2 und 4 jeweils mit einer
Hochsetzstellerdrossel versehen werden. Gegenüber der Ausführungsform
der 7 des Konferenzberichts würden nur
noch zwei Hochsetzstellerdrosseln benötigt. Diese beiden Hochsetzstellerdrosseln
benötigen
jedoch ein entsprechendes Einbauvolumen. Außerdem würde sich das Gewicht des Traktionsstromrichters
erheblich erhöhen.
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Um
das Traktionsstromrichtergewicht und das Einbauvolumen eines Mehrsystem-Traktionsstromrichters
nicht so sehr ansteigen zu lassen, könnte man nur eine Hochsetzstellerdrossel
verwenden. Diese müsste
einerseits jeweils mit einem wechselspannungsseitigen Anschluss
eines Vierquadrantenstellers eines Teilstromrichters und andererseits mittels
eines Schalters mit einem Einspeisepunkt verknüpft sein. Durch die Verwendung
nur einer Hochsetzstellerdrossel wäre eine gewünschte Redundanz nicht mehr
gewährleistet,
da bei Ausfall eines abschaltbaren Halbleiterschalters des verwendeten Phasenmoduls
des Vierquadrantenstellers des einen Teilstromrichters als Folgefehler
ein abschaltbarer Halbleiterschalter des verwendeten Phasenmoduls des
Vierquadrantenstellers des zweiten Teilstromrichters ausfallen würde.
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Der
Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Mehrsystem-Traktionsstromrichter
anzugeben, bei dem bei gewünschter
Redundanz der Aufwand für
den Hochsetzsteller gering ist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den
kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Dadurch,
dass die Hochsetzstellerdrossel nicht direkt, sondern jeweils über eine
Entkopplungsdrossel mit einem wechselspannungsseitigen Anschluss
eines Vierquadrantenstellers der beiden Teilstromrichter verbunden
ist, ist eine hinreichende Entkopplung der beiden Zwischenkreise
der beiden Teilstromrichter im Fehlerfall gewährleistet, wodurch eine geforderte
Redundanz erfüllt
wird.
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Gegenüber der
Hochsetzstellerdrossel haben die Entkopplungsdrosseln eine Induktivität, die kleiner
als 10 % der Induktivität
der Hochsetzstellerdrossel ist. Dadurch sind diese Entkopplungsdrosseln
erheblich weniger aufwändig,
beanspruchen ein wesentlich geringeres Einbauvolumen und weisen ein
erheblich geringeres Gewicht gegenüber der Hochsetzstellerdrossel
auf.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
des Mehrsystem-Traktionsstromrichters
sind die Entkopplungsdrosseln magnetisch gekoppelt. Durch diese
magnetische Kopplung verringert sich die Windungszahl einer jeden
Entkopplungsdrossel bei einem vorbestimmten Induktivitätswert,
wodurch sich der Aufwand für
die Entkopplungsdrosseln weiter verringert. Außerdem beanspruchen diese Entkopplungsdrosseln
noch weniger Einbauvolumen.
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Zur
weiteren Erläuterung
der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der zwei Ausführungsformen
eines erfindungsgemäßen Mehrsystem-Traktionsstromrichters
schematisch veranschaulicht sind.
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1 zeigt
eine bekannte Ausführungsform eines
redundant aufgebauten Traktionsstromrichters, die
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2 zeigt
eine erste Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Mehrsystem-Traktionsstromrichters,
die
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3 zeige
eine zweite Ausführungsform
eines Mehrsystem-Traktionsstromrichters
nach der Erfindung, in der
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4 Signale
einer synchronen Taktung der abschaltbaren Halbleiterschalter der
beiden Hochsetzsteller des Mehrsystem-Traktionsstromrichters gemäß 2 veranschaulicht
und in der
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5 sind
Signale einer alternierenden Taktung der abschaltbaren Halbleiterschalter
der Hochsetzsteller des Mehrsystem-Traktionsstromrichters gemäß 2 dargestellt.
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Die 2 zeigt
ein Ersatzschaltbild einer ersten Ausführungsform eines Mehrsystem-Traktionsstromrichters
nach der Erfindung. Diese Ausführungsform
unterscheidet sich von der Ausführungsform
nach 1 dadurch, dass für den 1,5 kV DC-Betrieb eine Hochsetzstellerdrossel 52 und
zwei Entkopplungsdrosseln 54 und 56 vorgesehen
sind. Diese beiden Entkopplungsdrosseln 54 und 56 sind elektrisch
in Reihe geschaltet. Der Verbindungspunkt 58 dieser Reihenschaltung
ist mit einem Anschluss der Hochsetzstellerdrossel 52 elektrisch
leitend verbunden. Mittels seines zweiten Anschlusses ist diese Hochsetzstellerdrossel 52 mittels
eines Schalters 66 mit dem Einspeisepunkt 42 verbindbar.
Die Entkopplungsdrossel 54 ist außerdem mittels eines Schalters 68 mit
dem wechselspannungsseitigen Anschluss 44 des Vierquadrantenstellers 12 des
einen Teilstromrichters 2 verbindbar, wobei die Entkopplungsdrossel 56 außerdem mittels
eines Schalters 70 mit dem wechselspannungsseitigen Anschluss 48 des
Vierquadrantenstellers 14 des anderen Teilstromrichters 4 verbindbar
ist. Von diesen beiden Vierquadrantenstellern 12 und 14,
die jeweils zwei Phasenmodule aufweisen, werden im DC-Betrieb jeweils
nur ein Phasenmodul für
die Funktionalität
eines Hochsetzstellers benötigt.
Das nicht benötigte
Phasenmodul eines jeden Vierquadrantenstellers 12, 14 ist
mit einer geringeren Strichstärke
gezeichnet. Er kann z.B. als Bremssteller verwendet werden. Die
abschaltbaren Halbleiterschalter, z.B. IGBTs, der beiden verwendeten
Phasenmodule der beiden Vierquadrantensteller 12, 14 des Mehrsystem-Traktionsstromrichters sind mit
T11, T12 und T21, T22 bezeichnet.
Neben der Zuschaltung der Drosselschaltung 60 sind die
negativen Stromschienen 62 und 64 der beiden Teilstromrichter 2 und 4 jeweils
mittels eines Schalters 72 und 74 mit einem Antriebsrad 40 des
Drehgestells einer Lokomotive, insbesondere einer Hochleistungslokomotive,
verbindbar. Aus Übersichtlichkeitsgründen ist
der Traktionstransformator 38 und seine beiden sekundärseitigen
Verschaltung in dieser ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mehr system-Traktionsstromrichters
nicht näher
dargestellt. Am Einspeisepunkt 42 steht bei AC-Betrieb eine
Fahrdrahtspannung von 15 kV/16,7 Hz bzw. 25 kV/50 Hz und bei DC-Betrieb
eine Fahrdrahtspannung von 3 kV bzw. 1,5 kV an. Mit der erfindungsgemäßen Drosselschaltung 60 kann
der redundant ausgeführte
Traktionsstromrichter neben einem AC-Betrieb und einem 3 kV DC-Betrieb auch in einem
1,5 kV DC-Betrieb betrieben werden.
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Durch
die Verwendung von Entkopplungsdrosseln 54 und 56,
deren Induktivität
wesentlich kleinere Werte aufweisen als der Wert der Induktivität der Hochsetzstellerdrossel 52,
verringert sich der Platzbedarf bzw. das Einbauvolumen dieser Drosselschaltung 60 erheblich.
Ebenfalls reduziert sich das Gewicht des Traktionsstromrichters
wesentlich.
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In
der 3 ist ein Ersatzschaltbild einer zweiten Ausführungsform
eines Mehrsystem-Traktionsstromrichters nach der Erfindung dargestellt. Auch
bei dieser Darstellung ist aus Übersichtlichkeitsgründen die
Komponente für
den AC-Betrieb nicht näher
dargestellt. Diese zweite Ausführungsform
unterscheidet sich von der Ausführungsform
gemäß 2 dadurch,
dass die beiden Entkopplungsdrosseln 54 und 56 auf
einem gemeinsamen Kern 62 angeordnet sind. Dadurch sind
diese beiden Entkopplungsdrosseln 54 und 56 magnetisch
gekoppelt. Durch diese magnetische Kopplung reduziert sich die Windungszahl
einer jeden Entkopplungsdrossel 54 und 56 bei
einem vorbestimmten Induktionswert erheblich. Dadurch beanspruchen
diese beiden Entkopplungsdrosseln 54 und 56 gegenüber der
Drosselschaltung 60 der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Mehrsystem-Traktionsstromrichters
noch weniger Einbauvolumen. Nicht nur das Einbauvolumen sinkt, sondern
ebenso das Gewicht des Mehrsystem-Traktionsstromrichters. D.h.,
der Aufwand für
die Hochsetzsteller-Schaltung hat sich weiter reduziert.
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Durch
diese erfindungsgemäße Drosselschaltung
eines redundant aufgebauten Mehrsystem-Traktionsstromrichters können die
für die
Funktionalität
des Hochsetzstellers verwendeten abschaltbaren Halbleiterschalter
T11, T12 des einen
Phasenmoduls des einen Vierquadrantenstellers 12 und die abschaltbaren
Halbleiterschalter T21, T22 des
einen Phasenmoduls des zweiten Vierquadrantenstellers 14 synchron
getaktet werden. Zugehörige
Signalverläufe
sind jeweils in einem Diagramm über
der Zeit t in der 4 veranschaulicht. Durch diese
synchrone Taktung der abschaltbaren Halbleiterschalter T11, T21 und T12, T22 teilt sich
der Gesamtstrom in gleichen Teilen auf die beiden Phasenmodule der
beiden Vierquadrantensteller 12 und 14 auf. Dadurch
weisen diese beiden abschaltbaren Halbleiterschalter T11 und
T12 und T21, T22 geringe Durchlassverluste auf.
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Gegenüber dieser
synchronen Taktung können
diese abschaltbaren Halbleiterschalter T11,
T12, T21 und T22 der für
die Funktionalität
eines Hochsetzstellers verwendeten Phasenmodule der beiden Vierquadrantensteller 12 und 14 alternierend
getaktet werden. Entsprechende Signalverläufe sind jeweils in einem Diagramm über der
Zeit t in der 5 näher dargestellt. Durch diese
alternierende Taktung führt jeder
abschaltbare Halbleiterschalter T11, T12 bzw. T21, T22 den Gesamtstrom. Dadurch ist die Strombelastung
der abschaltbaren Halbleiterschalter T11,
T12, T21 und T22 für
die Funktionalität
des Hochsetzstellers gegenüber
der synchronen Taktung verdoppelt, aber die Schaltfrequenz dieser
abschaltbaren Halbleiterschalter T11, T12, T21 und T22 halbiert sich. Dadurch verringern sich
die Schaltverluste.
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Welche
Taktung für
diese Halbleiterschalter T11, T12,
T21 und T22 verwendet
werden soll, hängt
von der Wahl dieser Halbleiterschalter T11,
T12, T21 und T22 ab, die neben der Realisierung der Funktionalität des Hochsetzstellers
im DC-Betrieb auch die Realisierung der selbstgeführten Einspeisung
im AC-Betrieb übernehmen
müssen.
Diese beiden Möglichkeiten der
Taktung der an der Realisierung der Funktionalität des Hochsetzstellers beteiligten
abschaltbaren Halbleiterschalter T11, T12 und T21, T22 der entsprechenden Phasenmodule der beiden
Vierquadrantensteller 12 und 14 der beiden Teilstromrichter 2 und 4 des
Mehrsystem-Traktionsstromrichters ermöglicht die erfindungsgemäße Drosselschaltung 60,
die bei geforderter Redundanz einen sehr geringen Aufwand verursacht.