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Die Erfindung bezieht sich auf einen Traktionsstromrichter gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Ein gattungsgemäßer Traktionsstromrichter ist aus der in der
1 näher dargestellten Ausführungsform, die aus der Veröffentlichung mit dem Titel
"Medium Frequency Topology in Railway Applications" von Dr. Michael Steiner und Dr. Harry Reinold, abgedruckt im Konferenzband der European Conference an Power Electronics and Applications, Alborg 2007, bekannt ist.
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Gemäß der Darstellung dieser 1 weist ein gattungsgemäßer Traktionsstromrichter eine netzseitige Einspeisevorrichtung 2, einen lastseitigen selbstgeführten Pulsstromrichter 4 und einen Hilfsbetriebe-Stromrichter 6 auf. Am lastseitigen selbstgeführten Pulsstromrichter 4 sind zwei Drehstrommotoren 8 angeschlossen. Im Spannungszwischenkreis 10 dieses Traktionsstromrichters sind ein Saugkreis 12 und ein Kurzschließer 14 angeordnet. Mittels dieses Zwischenkreises 10 sind die beiden gleichspannungsseitigen Ausgänge 16 und 18 der netzseitigen Einspeisevorrichtung 2 und die gleichspannungsseitigen Eingänge 20 und 22 des lastseitigen selbstgeführten Pulsstromrichters 4 elektrisch leitend miteinander verbunden. Die netzseitige Einspeisevorrichtung 2 ist mittels einer Eingangsdrossel LF, eines Schützes 24 bzw. 26 und eines Stromabnehmers 28 bzw. 30 mit einem Fahrdraht 32 bzw. 34 verbindbar. Der Fahrdraht 32 weist eine Netzwechselspannung von 15 kV, 16.7 Hz auf, wogegen der Fahrdraht 34 eine Netzwechselspannung von 25 kV, 50 Hz aufweist. Diese Spannungen stehen zwischen Fahrdraht 32 bzw. 34 und einem Rad 36 eines schienengebundenen Fahrzeugs an. Diese Netzwechselspannung fällt somit an einer Vielzahl elektrisch in Reihe geschalteter Stromrichter-Gruppen 38 ab.
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Jede Stromrichter-Gruppe 38 weist eingangsseitig einen Schalter 40 auf, mit dem eine fehlerhafte Stromrichter-Gruppe 38 kurzgeschlossen werden kann, damit der Traktionsstromrichter redundant Weiterbetrieben werden kann. Jede Stromrichter-Gruppe 38 weist netzseitig einen Vierquadrantensteller 42 und gleichspannungsseitig einen Serienresonanz-DC/DC-Stromrichter 44 in Vollbrückenschaltung auf. Diese beiden Stromrichterschaltungen 42 und 44 sind gleichspannungsseitig miteinander verknüpft. Die genauen Schaltungsausführungen dieser Stromrichterschaltungen 42 und 44 einer jeden Stromrichter-Gruppe 38 der Einspeisevorrichtung 2 sind der eingangs genannten Veröffentlichung entnehmbar. Ausgangsseitig sind diese Serienresonanz-DC/DC-Stromrichter 44 elektrisch parallel geschaltet.
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Bei dieser Ausführungsform der Einspeisevorrichtung 2 eines Traktionsstromrichters weist eine Mittelfrequenz-Transformator-Einrichtung eine Vielzahl von einphasigen Transformatoren, die nicht untereinander magnetisch gekoppelt sind, auf. Dadurch bildet jede Stromrichter-Gruppe 38 eine selbstständige Baueinheit. Somit kann abhängig von der Netzspannung eine beliebige Anzahl von Stromrichter-Gruppen 38 kaskadiert werden.
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Mittels dieser netzseitigen Einspeisevorrichtung 2 eines Traktionsstromrichters wird der ansonsten verwendete Traktionstransformator ersetzt, der insbesondere bei einer Netzfrequenz von 16.7 Hz groß und schwer ist. Durch diese Einspeisevorrichtung 2 können 50% des Gewichts und 30% des Bauvolumens eines Traktionstransformators eingespart werden. Da kein Traktionstransformator mehr benötigt wird, wird diese Einspeisevorrichtung 2 eines Traktionsstromrichters als netztrafolose Einspeisevorrichtung bezeichnet.
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In der
2 ist eine zweite Ausführungsform der Einspeisevorrichtung
2 eines gattungsgemäßen Traktionsstromrichters näher dargestellt. Eine derartig ausgebildete Einspeisevorrichtung
2 ist aus der Veröffentlichung
"15 kV/16.7 Hz Energy Supply System with Medium Frequency Transformer and 6.5 kV IGBTs in Resonant Operation" von B. Engel, M. Victor, G. Bachmann und A. Falk, veröffentlicht im Konferenzband der EPE-Konferenz 2003 in Toulouse, bzw. aus der
EP 1 226 994 A1 bekannt. Gemäß dieser Veröffentlichung bzw. der EP-Offenlegungsschrift weist jede Stromrichter-Gruppe
38 einen netzseitigen Vierquadrantensteller
42 und ausgangsseitig einen serienresonanten Stromrichter
46 auf, die gleichspannungsseitig elektrisch parallel geschaltet sind. Ausgangsseitig ist jeder serienresonante Stromrichter
46 mit einer Primärwicklung
48 eines Mittelfrequenz-Transformators
50 elektrisch leitend verbunden, der sekundärseitig eine Sekundärwicklung
52 aufweist. Die Vielzahl der Primärwicklungen
48 und die Sekundärwicklung
52 sind gemeinsam auf einem Kern
54 angeordnet, so dass diese Wicklungen
48 und
52 magnetisch gekoppelt sind. Dieser Mittelfrequenz-Transformator
50 mit seinen Wicklungen
48 und
52 auf einem gemeinsamen Kern
54 bildet eine weitere Ausführungsform der Mittelfrequenz-Transformator-Einrichtung der Einspeisevorrichtung
2. Die Sekundärwicklung
52 ist mit einem Ausgangs-Stromrichter
56 verknüpft, dessen beide gleichspannungsseitigen Anschlüsse die gleichspannungsseitigen Ausgänge
16 und
18 der Einspeisevorrichtung
2 bilden. Als Ausgangs-Stromrichter
56 ist ein Vierquadrantensteller vorgesehen, der ausgangsseitig mit einem Stützkondensator mit elektrisch parallel geschaltetem Saugkreis verbunden ist. Der Stützkondensator und der Saugkreis sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht näher dargestellt. Der genaue Aufbau einer jeden Stromrichter-Gruppe
38 ist der genannten Veröffentlichung bzw. der EP-Offenlegungsschrift entnehmbar.
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Diese Ausführungsform des Traktionsstromrichters weist außerdem einen Hilfsbetriebe-Stromrichter 6 und eine Batterie 58 auf. Dieser Hilfsbetriebe-Stromrichter 6 und die Batterie 58 sind jeweils mittels eines potentialtrennenden DC/DC-Wandler 60 mit den gleichspannungsseitigen Anschlüssen 16 und 18 der Einspeisevorrichtung 2 verknüpft. Dieser potentialtrennende DC/DC-Wandler 60 wird benötigt, um die Eingangs-Gleichspannung des Hilfsbetriebe-Stromrichters 6 von beispielsweise 670 V an eine Zwischenkreisspannung des Traktionsstromrichters von beispielsweise 3 kV anzupassen. Außerdem muss der Hilfsbetriebe-Stromrichter 6 vom Zwischenkreis 10 des Traktionsstromrichters potentialmäßig getrennt werden, da der Hilfsbetriebe-Stromrichter 6 ein symmetrisches Wechselspannungssystem von beispielsweise 3 AC 440 V gegen Erdpotential liefert. Als potentialtrennender DC/DC-Wandler 60 kann ein serienresonanter DC/DC-Stromrichter gemäß 2 der eingangs genannten Veröffentlichung verwendet werden.
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In 3 ist eine Variante der Ausführungsform der 2 näher dargestellt, die sich von der Variante der 2 dadurch unterscheidet, dass der Hilfsbetriebe-Stromrichter 6 gleichspannungsseitig mit den gleichspannungsseitigen Ausgängen 16 und 18 der Einspeisevorrichtung 2 direkt verknüpft ist. Für die Spannungsanpassung und die Potentialtrennung sind wechselspannungsseitige Anschlüsse des Hilfsbetriebe-Stromrichters 6 mit einem Transformator 62, an dessen Ausgang eine Versorgungsspannung von 440 V, 50 Hz ansteht, verbunden.
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Die Ausführungen des Traktionsstromrichters gemäß 1 bzw. 2 benötigen für die Anbindung des Hilfsbetriebe-Stromrichters 6 an den Zwischenkreis 10 einen potentialtrennenden DC/DC-Wandler 60, wobei als Stromrichterventile der dem Zwischenkreis 10 zugewandten Brückenschaltung wegen der hohen Zwischenkreisspannung von beispielsweise 3 kV abschaltbare Hochspannungs-Halbleiterschalter, insbesondere High Voltage-Insulated-Gate-Bipolar-Transistoren (HV-IGBT), benötigt werden. Diese HV-IGBTs weisen hinsichtlich ihres Mittelfrequenz-Schaltverhaltens hohe Verluste auf. Neben den Verlusten, die bei jeder Energiewandlung auftreten, weist der potentialtrennende DC/DC-Wandler 60 einen Transformator und gegebenenfalls noch weitere induktive Komponenten (Drosseln) auf, wodurch das Volumen und die Masse des Hilfsbetriebe-Energieversorgungspfades ansteigt. Mit diesem Anstieg steigen auch die Kosten eines derartigen Traktionsstromrichters an.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, den bekannten Traktionsstromrichter derart weiterzubilden, dass die genannten Nachteile nicht mehr auftreten.
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Diese Aufgabe wird im Zusammenhang mit den Merkmalen des Oberbegriffs mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 erfindungsgemäß gelöst.
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Dadurch, dass der Hilfsbetriebe-Stromrichter mittels einer Einrichtung zur Auskopplung einer Hilfsbetriebe-Leistung aus einer Hauptfeldspannung der Mittelfrequenz-Transformator-Einrichtung der Einspeisevorrichtung des Traktionsstromrichters verknüpft ist, werden im Hilfsbetriebe-Energieversorgungspfad zwei Energieumwandlungen weniger verwendet, wodurch sich sein Wirkungsgrad erhöht. Da die Einrichtung zur Auskopplung nicht mehr mit dem Zwischenkreis des Traktionsstromrichters, sondern mit der Mittelfrequenz-Transformator-Einrichtung der Einspeiseschaltung verknüpft ist, werden im Hilfsbetriebe-Energieversorgungspfad keine abschaltbaren Hochspannungs-Halbleiterschalter mehr benötigt, so dass sich die Verluste beim mittelfrequenten Schalten verringern.
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Außerdem verringert sich der Bauteileaufwand, da zwei Energiewandlungen entfallen. Daraus resultiert nicht nur eine höhere Zuverlässigkeit, sondern auch ein geringerer Platzbedarf in Verbindung mit einer Gewichtsreduzierung.
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Ausführungsformen der Einrichtung zur Auskopplung einer Hilfsbetriebeleistung sind den Unteransprüchen entnehmbar, wobei diese Ausführungsformen von der Ausführungsform der Einspeiseschaltung, insbesondere der Mittelfrequenz-Transformator-Einrichtung, des Traktionsstromrichters abhängig sind.
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Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der Ausführungen einer erfindungsgemäßen Anbindung eines Hilfsbetriebe-Stromrichters bei einem Traktionsstromrichter mit einer netztrafolosen Einspeisevorrichtung schematisch veranschaulicht sind.
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1 zeigt eine erste Ausführungsform eines gattungsgemäßen Traktionsstromrichters, wogegen in der
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2 eine zweite Ausführungsform eines gattungsgemäßen Traktionsstromrichters dargestellt ist, die
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3 zeigt eine Variante der zweiten Ausführungsform eines Traktionsstromrichters nach 2, und die
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4 zeigt eine erste Ausführungsform eines Traktionsstromrichters nach der Erfindung, wobei in den
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5 bis 9 weitere Ausführungsformen dargestellt sind.
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In 4 ist eine erste erfindungsgemäße Ausführungsform eines Traktionsstromrichters mit einer netzseitigen Einspeisevorrichtung 2 in der Ausführungsform gemäß 2 näher dargestellt. Gemäß dieser Ausgestaltung ist als Einrichtung zur Auskopplung einer Hilfsbetriebeleistung aus einer Hauptfeldspannung der Mittelfrequenz-Transformator-Einrichtung ein weiterer Ausgangs-Stromrichter 64 vorgesehen, der wechselspannungsseitig mit einer weiteren Sekundärwicklung 66 des Mittelfrequenz-Transformators 50, der ebenfalls auf dem Kern 54 angeordnet ist, elektrisch leitend verbunden ist. An den gleichspannungsseitigen Anschlüssen dieses Ausgangs-Stromrichters 64 sind die beiden gleichspannungsseitigen Eingangsanschlüsse des Hilfsbetriebe-Stromrichters 6 angeschlossen. Auch die Batterie 58 ist mittels eines weiteren Ausgangs-Stromrichters 68 mit einer weiteren Sekundärwicklung 70 des Mittelfrequenz-Transformators 50 verknüpft. Diese beiden Ausgangs-Stromrichter 64 und 68 können genauso ausgeführt sein, wie der Ausgangs-Stromrichter 56 der Einspeisevorrichtung 2. Das heißt, als Realisierung des Ausgangs-Stromrichters 64 bzw. 68 wird jeweils ein Vierquadrantsteller vorgesehen, der wechselspannungsseitig parallel zu einer korrespondierenden weiteren Sekundärwicklung 66 bzw. 70 geschaltet ist. Mittels der weiteren Sekundärwicklung 66 wird eine gewünschte Hilfsbetriebeleistung direkt aus der Hauptfeldspannung des Mittelfrequenz-Transformators 50 der Einspeisevorrichtung 2 ausgekoppelt. Diese weitere Sekundärwicklung 66, an der der Hilfsbetriebe-Stromrichter mittels des zweiten Ausgangs-Stromrichters 64 angeschlossen ist, wird auch als Hilfsbetriebe-Wicklung 66 bezeichnet. Wegen einer Spannungsanpassung wird für diese Hilfsbetriebe-Wicklung 66 eine vorbestimmte Windungszahl gewählt.
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Da eine gewünschte Hilfsbetriebeleistung direkt aus der Hauptfeldspannung des Mittelfrequenz-Transformators 50 der Einspeisevorrichtung 2 ausgekoppelt wird, weist die Anbindung des Hilfsbetriebe-Stromrichters 6 gegenüber einer bekannten Anbindung gemäß 1 bzw. 2 einen Hilfsbetriebe-Energieversorgungspfad auf, der zwei Energieumwandlungen weniger aufweist. Dadurch erhöht sich der Wirkungsgrad. Darüber hinaus werden keine abschaltbaren Hochspannungs-Halbleiterschalter, insbesondere High-Voltage-Insulated-Gate-Bipolar-Transistoren (HV-IGBT), für die Stromrichterventile des zusätzlichen Ausgangs-Stromrichters 64 benötigt. Derartige abschaltbare HV-IGBTs weisen hinsichtlich ihres Mittelfrequenz-Schaltverhaltens hohe Verluste auf. Da derartige HV-IGBTs nicht mehr vonnöten sind, verringern sich die Verluste im Hilfsbetriebe-Energieversorgungspfad, wodurch sich der Wirkungsgrad erhöht. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass durch den Austausch des potentialtrennenden DC/DC-Wandlers 60 der Ausführungsform gemäß 2 durch den weiteren Ausgangs-Stromrichter 64 ein Mittelfrequenz-Transformator und abschaltbare Hochspannungs-Halbleiterschalter im Hilfsbetriebe-Energieversorgungspfad eingespart werden, wodurch sich der Platzbedarf und damit das Gewicht für eine Hilfsbetrieb-Stromversorgung verringert, deren Zuverlässigkeit aber erhöht wird. Durch diese Verringerung des Gewichtes des Hilfsbetriebe-Energieversorgungspfades werden Kosten eingespart.
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Die 5 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Traktionsstromrichters nach der Erfindung. Auch dieser Traktionsstromrichter weist eine Einspeisevorrichtung 2 auf, die wie in der Ausführungsform gemäß 4 einen Mittelfrequenz-Transformator 50 als Mittelfrequenz-Transformator-Einrichtung der Einspeisevorrichtung 2 aufweist. Bei diesem Mittelfrequenz-Transformator 50 sind eine Vielzahl von Primärwicklungen 48 und eine Sekundärwicklung 52 mittels eines Kerns 54 miteinander magnetisch gekoppelt. Bei dieser Ausführungsform ist als Einrichtung zur Auskopplung einer vorbestimmten Hilfsbetriebeleistung aus einer Hauptfeldspannung des Mittelfrequenz-Transformators 50 ein Mittelfrequenz-Hilfsbetriebe-Transformator 72 mit einem nachgeschalteten weiteren Ausgangs-Stromrichter 64 vorgesehen. Der Mittelfrequenz-Hilfsbetriebe-Transformator 72 ist einphasig ausgebildet, wobei dessen Primärwicklung 74 elektrisch parallel zur Sekundärwicklung 52 des Mittelfrequenz-Transformators 50 der trafolosen Einspeisevorrichtung 2 eines Traktionsstromrichters geschaltet ist. Seine Sekundärwicklung 76 ist elektrisch parallel zu wechselspannungsseitigen Anschlüssen des weiteren Ausgangs-Stromrichters 64, insbesondere eines Vierquadrantenstellers, geschaltet. Mit den gleichspannungsseitigen Anschlüssen dieses Ausgangs-Stromrichters 64 ist der Hilfsbetriebe-Stromrichter 6 mit seinen gleichspannungsseitigen Anschlüssen verknüpft. Der Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass der Mittelfrequenz-Transformator 50 unverändert bleibt. Eine Spannungsanpassung erfolgt durch das Übersetzungsverhältnis des Mittelfrequenz-Hilfsbetriebe-Transformators 72.
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In 6 ist eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Traktionsstromrichters dargestellt, die sich von der Ausführungsform gemäß 5 dadurch unterscheidet, dass diese netztrafolose Einspeisevorrichtung 2 anstelle eines Ausgangs-Stromrichters 56 zwei Ausgangs-Stromrichter 78 und 80 aufweist, die gleichspannungsseitig elektrisch in Reihe geschaltet sind. Diese beiden Ausgangs-Stromrichter 78 und 80 sind wechselspannungsseitig jeweils mit einer Sekundärwicklung 52 und 82 verbunden. Die Primärwicklung 74 des Mittelfrequenz-Hilfsbetriebe-Transformators 72 ist elektrisch parallel zu den beiden wechselspannungsseitigen Anschlüssen der beiden elektrisch in Reihe geschalteten Ausgangs-Stromrichter 78 und 80 geschaltet.
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Bei einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Traktionsstromrichters gemäß 7 ist als Mittelfrequenz-Transformator-Einrichtung eine Vielzahl von Einzeltransformatoren 84 vorgesehen, die sekundärseitig alle elektrisch parallel geschaltet sind. Elektrisch parallel zu den gleichspannungsseitigen Ausgängen 16 und 18 der Mittelfrequenz-Transformator-Einrichtung ist der Ausgangs-Stromrichter 56 mit nachgeschalteten selbstgeführten Pulsstromrichter 4 und die Primärwicklung 74 des Mittelfrequenz-Hilfsbetriebe-Transformators 72 geschaltet.
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Bei einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Traktionsstromrichters gemäß 8 ist die Vielzahl der Einzeltransformatoren 84 der Mittelfrequenz-Transformator-Einrichtung in zwei Gruppen unterteilt. Dies wird dadurch erreicht, dass jeweils die Einzeltransformatoren 84 einer Gruppe sekundärseitig elektrisch parallel geschaltet sind. Elektrisch parallel zu den Ausgangs-Anschlüssen 86 und 88 einer jeden Gruppe ist eine Primärwicklung 90 und 92 eines Mittelfrequenz-Hilfsbetriebe-Transformators 94 und ein Ausgangs-Stromrichter 78 und 80 geschaltet. Eine Sekundärwicklung 96 des Mittelfrequenz-Hilfsbetriebe-Transformators 94 ist ausgangsseitig mit dem weiteren Ausgangs-Stromrichter 64 verknüpft. Die beiden Ausgangs-Stromrichter 78 und 80 sind bei dieser Ausführungsform gleichspannungsseitig elektrisch parallel geschaltet.
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In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Traktionsstromrichters gemäß der 9 sind die Vielzahl von Einzeltransformatoren 84 der Mittelfrequenz-Transformator-Einrichtung der netztrafolosen Einspeisevorrichtung 2 eines Traktionsstromrichters ebenfalls kaskadiert. Elektrisch parallel zu den Ausgängen 86 und 88 zweier der Transformatoren 84 ist ein Mittelfrequenz-Hilfsbetriebe-Transformator 98 bzw. 100 geschaltet. Die Sekundärwicklungen 102 und 104 dieser beiden Mittelfrequenz-Transformatoren 98 und 100 sind elektrisch in Reihe geschaltet. Elektrisch parallel zu dieser Reihenschaltung von Sekundärwicklungen 102 und 104 ist der weitere Ausgangs-Stromrichter 64 mit nachgeschaltetem Hilfsbetriebe-Stromrichter 6 geschaltet.
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In den Ausführungsformen der 4 bis 9 ist für jeden Traktionsstromrichter mit einer netztrafolosen Einspeisevorrichtung 2 jeweils eine Ausführungsform für eine erfindungsgemäße Einrichtung zur Auskopplung einer gewünschten Hilfsbetriebeleistung aus einer Hauptfeldspannung der Mittelfrequenz-Tranformator-Einrichtung einer trafolosen Einspeisevorrichtung 2 angegeben, mit der ein Hilfsbetriebe-Stromrichter 6 erfindungsgemäß mit der Einspeisevorrichtung 2 und nicht mehr mit einem Zwischenkreis 10 des Traktionsumrichters verbunden ist. Durch diese Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Einrichtung zur Auskopplung einer vorbestimmten Hilfsbetriebeleistung aus einer Hauptfeldspannung der Mittelfrequenz-Transformator-Einrichtung einer Einspeiseschaltung 2 eines transformatorlosen Traktionsstromrichters werden zwei Energieumwandlungen im Hilfsbetriebe-Energieversorgungspfade eingespart, die zu einer Kosteneinsparung führen und die Zuverlässigkeit erhöht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- ”Medium Frequency Topology in Railway Applications” von Dr. Michael Steiner und Dr. Harry Reinold, abgedruckt im Konferenzband der European Conference an Power Electronics and Applications, Alborg 2007 [0002]
- ”15 kV/16.7 Hz Energy Supply System with Medium Frequency Transformer and 6.5 kV IGBTs in Resonant Operation” von B. Engel, M. Victor, G. Bachmann und A. Falk, veröffentlicht im Konferenzband der EPE-Konferenz 2003 [0007]
