DE102014103320B3

DE102014103320B3 - Antriebssystem für ein Schienenfahrzeug

Info

Publication number: DE102014103320B3
Application number: DE201410103320
Authority: DE
Inventors: Achille Fabien Nkwitchoua Djangang
Original assignee: Vossloh Kiepe GmbH Germany
Current assignee: Nkwitchoua Djangang Achille Fabien De
Priority date: 2014-03-12
Filing date: 2014-03-12
Publication date: 2015-05-13
Anticipated expiration: 2034-03-13

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Antriebsstrang für ein Schienenfahrzeug mit mehreren elektrischen Maschinen (11) und einem Umrichter (8) zur Erzeugung von Betriebsströmen für eine oder mehrere elektrische Maschinen (11) aus einer Versorgungsspannung eines Versorgungsnetzes, mit einer Filtervorrichtung zur Reduktion von Wellenströmen, welche ein zwischen dem Versorgungsnetz und dem Umrichter (8) angeordnetes Eingangsfilter (7), ein zwischen dem Umrichter (8) und einer elektrischen Maschine (10) angeordnetes Ausgangsfilter (9) und eine Kopplungsimpedanz (13) umfasst, über welche die elektrischen Maschinen (11) elektrisch miteinander verbunden sind. Ferner betrifft die Erfindung ein Schienenfahrzeug mit einem derartigen Antriebsstrang.

Description

Die Erfindung betrifft einen Antriebsstrang für ein Schienenfahrzeug mit mehreren elektrischen Maschinen und einem Umrichter zur Erzeugung von Betriebsströmen für eine oder mehrere elektrische Maschinen aus einer Versorgungsspannung eines Versorgungsnetzes. Ferner betrifft die Erfindung ein Schienenfahrzeug.
Schienenfahrzeuge wie z. B. Straßenbahnen weisen in der Regel mehrere elektrische Maschinen auf, über welche das Schienenfahrzeug angetrieben wird. Die für den Betrieb der elektrischen Maschinen erforderlichen Betriebsströme werden üblicherweise über einen Umrichter bereitgestellt, der aus einem Versorgungsnetz gespeist wird.
In dem Dokument ”IGBT Direct Pulse Inverter” der Vossloh Kiepe GmbH, Düsseldorf, wird ein Direktpulsumrichter eines Bahn- oder Oberleitungsbus-Antriebsstranges beschrieben, dem zur Erhöhung der Qualität der Ausgangsspannung ein Ausgangsfilter bestehend aus drei Drosseln und drei Kapazitäten nachgeschaltet sowie zur Erhöhung der Qualität der Eingangsspannung ein EMV-Filter vorgeschaltet ist.
Bekannte Umrichter weisen Halbleiterbauelemente auf, die mit Frequenzen bis zu einigen kHz schalten und entsprechend hohe Spannungssteilheiten an den Klemmen der elektrischen Maschinen erzeugen. Darüber hinaus verursachen derartige Umrichter eine Gleichtaktspannung, die an allen Klemmen gleichphasig anliegt. Aufgrund der hohen Spannungssteilheiten und der Gleichtaktspannung besteht die Möglichkeit, dass Ströme innerhalb der elektrischen Maschinen und/oder der Getriebe erzeugt werden, welche durch die Wälzlager der Antriebswellen fließen können. Derartige Ströme werden auch als Wellenströme bezeichnet.
Die Wellenströme können zu Lichtbogenentladungen in den Wälzlagern führen, welche z. B. die Degradation der Laufflächen der Lager und die Zersetzung des Schmiermittels innerhalb der Lager hervorrufen können. Infolge der Wellenströme kann es letztendlich zum vollständigen Ausfall der Lager in den elektrischen Maschinen und in den Getrieben kommen. Solche Ausfälle beeinträchtigen die Verfügbarkeit der Schienenfahrzeuge.
Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der Erfindung, die Verfügbarkeit von Schienenfahrzeugen zu verbessern.
Ein Antriebsstrang der eingangs genannten Art weist zur Lösung dieser Aufgabe eine Filtervorrichtung zur Reduktion von Wellenströmen auf, welche ein zwischen dem Versorgungsnetz und dem Umrichter angeordnetes Eingangsfilter, ein zwischen dem Umrichter und einer elektrischen Maschine angeordnetes Ausgangsfilter und eine Kopplungsimpedanz umfasst, über welche die elektrischen Maschinen elektrisch miteinander verbunden sind.
Durch das Eingangsfilter, das Ausgangsfilter und die Kopplungsimpedanz wird eine über den Antriebsstrang verteilte Filtervorrichtung gebildet, welche die Entstehung von Wellenströmen unterdrückt und die verbleibenden Belastungen gleichmäßiger auf die Lager des Antriebsstrangs verteilt.
Eingangsfilter und Ausgangsfilter können derart aufeinander abgestimmt sein, dass hohe Spannungssteilheiten und/oder eine Gleichtaktspannung an den Klemmen der elektrischen Maschinen unterdrückt werden und damit die Entstehung von Wellenströmen reduziert wird. Zudem kann die Schwingungsfrequenz des durch parasitäre Induktivitäten und Kapazitäten der elektrischen Maschine gebildeten Schwingkreises durch die Filtervorrichtung derart eingestellt werden, dass Wellenströme reduziert werden. Durch die Filtervorrichtung werden die Belastungen der Lager in der elektrischen Maschine verringert. Insgesamt kann so die Verfügbarkeit des Schienenfahrzeugs gesteigert werden.
Über die Kopplungsimpedanz werden die elektrischen Maschinen elektrisch miteinander verbunden. Die durch das Eingangsfilter und das Ausgangsfilter reduzierten Wellenströme werden über die Kopplungsimpedanz gleichmäßiger auf mehrere elektrische Maschinen verteilt. Durch die Kombination dieser Maßnahmen werden übermäßige Belastungen einzelner Lager vermieden, wodurch sich ein verringertes Ausfallrisiko ergibt.
Bevorzugt sind das Eingangsfilter, das Ausgangsfilter und die Kopplungsimpedanz passiv ausgebildet, wodurch der mit aktiven Filtern verbundene schaltungstechnische Aufwand vermieden werden kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des Antriebsstrangs ist die Kopplungsimpedanz als elektrische Leitung ausgebildet, so dass sich ein besonders einfacherer Schaltungsaufbau ergibt. Die Kopplungsimpedanz kann jeweils an dem Stator der elektrischen Maschinen angebunden sein, so dass Unterschiede der von den Statoren der Maschinen abfließenden Ströme ausgeglichen werden können.
Bevorzugt sind die elektrischen Maschinen auf einem gemeinsamen Drehgestell angeordnet. Drehgestelle weisen in der Regel zwei oder mehr Radsätze auf. Über die Maschinen können mehrere Radsätze parallel angetrieben werden.
In diesem Zusammenhang hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Kopplungsimpedanz ebenfalls auf dem Drehgestell angeordnet ist. Über eine Kopplungsimpedanz, welche die elektrischen Maschinen, insbesondere die Statoren der Maschinen, unmittelbar auf dem Drehgestell miteinander verbindet, kann die Kopplung der elektrischen Maschinen nochmals verbessert werden. Über die auf dem Drehgestell angeordnete Kopplungsimpedanz kann eine Niederimpedanzverbindung hergestellt werden.
Eine bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass das Eingangsfilter eine stromkompensierte Drossel zur Verringerung von Gleichtaktströmen aufweist. Durch die stromkompensierte Drossel können am Eingang des Umrichters auftretende Gleichtaktströme reduziert werden und damit dem Auftreten von Wellenströmen entgegengewirkt werden. Alternativ oder zusätzlich kann das Ausgangsfilter eine stromkompensierte Drossel zur Verringerung von Gleichtaktströmen aufweisen. Eine in dem Ausgangsfilter vorgesehene stromkompensierte Drossel kann an den Klemmen der elektrischen Maschinen auftretende Gleichtaktströme reduzieren.
Besonders bevorzugt ist es, wenn die Drossel mindestens einen Ringbandkern aufweist. Durch einen Ringbandkern ergibt sich eine besonders kompakte Ausgestaltung der Drossel, die insbesondere in solchen Schienenfahrzeugen Anwendung finden kann, in welchen eine möglichst platzsparende Ausgestaltung des Antriebsstrangs wünschenswert ist.
Als vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn das Eingangsfilter einen Kondensator aufweist, welcher zwischen zwei Eingangsklemmen und/oder zwischen zwei Ausgangsklemmen des Eingangsfilters angeordnet ist, d. h. einen sogenannten X-Kondensator. Über den X-Kondensator können Gegentaktstörungen an den Eingangsklemmen und/oder den Ausgangsklemmen gedämpft werden.
Besonders vorteilhaft ist eine Ausgestaltung, bei welcher das Eingangsfilter einen Kondensator aufweist, welcher zwischen einer Eingangsklemme und Masse und/oder zwischen einer Ausgangsklemme und Masse angeordnet ist, d. h. einen sogenannten Y-Kondensator. Durch einen Y-Kondensator können Gleichtaktstörungen gedämpft werden. Bevorzugt sind in dem Eingangsfilter mehrere Y-Kondensatoren vorgesehen.
Bevorzugt sind parallel zu den X-Kondensatoren und/oder parallel zu den Y-Kondensatoren Entladewiderstände vorgesehen, über welche die X-Kondensatoren und/oder die Y-Kondensatoren nach der Abschaltung des Antriebsstrangs auf ungefährliche elektrische Spannungen entladen werden können.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass das Eingangsfilter symmetrisch aufgebaut ist, so dass Störungen an den Eingangsklemmen und Störungen an den Ausgangsklemmen in gleicher Weise gedämpft werden. Alternativ kann das Eingangsfilter asymmetrisch aufgebaut sein.
Ähnlich wie bei dem Eingangsfilter kann auch bei dem Ausgangsfilter eine X-Kapazität zwischen den Eingangs- bzw. Ausgangsklemmen des Ausgangsfilters und/oder eine Y-Kapazität zwischen einer Eingangs- bzw. Ausgangsklemme und Masse vorgesehen sein. Auch kann ein Entladewiderstand parallel zu der X-Kapazität bzw. Y-Kapazität geschaltet sein. Als vorteilhaft hat es sich herausgestellt, wenn das Ausgangsfilter kondensatorlos und/oder widerstandslos ausgebildet ist, so dass eine kompakte Ausgestaltung des Ausgangsfilters ermöglicht wird. Das Ausgangsfilter kann X-Kapazitäten und/oder Y-Kapazitäten aufweisen, welche nicht durch als Bauteile ausgebildete Kapazitäten bzw. als Bauteile ausgebildete Widerstände sondern allein durch parasitäre Effekte gebildet werden. Beispielsweise können die X-Kapazitäten und/oder Y-Kapazitäten durch Leitungsbeläge der Verbindungsleitungen zwischen dem Umrichter und einem Bauteil des Ausgangsfilters und/oder zwischen einem Bauteil des Ausgangsfilters und den elektrischen Maschinen gebildet werden.
Bevorzugt findet die Erfindung Anwendung bei einem Antriebsstrang, bei welchem die elektrischen Maschinen als Elektromotoren, insbesondere als Drehstrom-Asynchronmotoren, ausgebildet sind. Jede elektrische Maschine kann mit einem Getriebe verbunden sein, so dass eine Motor-Getriebe-Einheit gebildet wird.
Die Versorgungsspannung des Versorgungsnetzes kann eine Gleichspannung sein. Alternativ ist es aber auch möglich, ein Versorgungsnetz mit einer Wechselspannung zu verwenden.
Bevorzugt ist der Umrichter als Wechselrichter zur Umwandlung einer Gleichspannung in eine Dreiphasenwechselspannung ausgebildet. Über einen derartigen Umrichter kann ein Drehstrommotor, insbesondere ein Drehstrom-Asynchronmotor, an einem Gleichstromnetz betrieben werden. Besonders bevorzugt ist der Umrichter derart ausgestaltet, dass in Frequenz und/oder Amplitude einstellbare Wechselströme erzeugt werden können, so dass Drehzahl und das Drehmoment der elektrischen Maschinen eingestellt werden können.
Vorteilhafterweise weist der Antriebsstrang einen gemeinsamen Umrichter für mehrere elektrische Maschinen auf, so dass mittels des gemeinsamen Umrichters mehrere elektrische Maschinen versorgt werden können. Alternativ kann für jede elektrische Maschine ein Umrichter zur Erzeugung von Betriebsströmen vorgesehen sein.
Bei einem Schienenfahrzeug der eingangs genannten Art wird die Aufgabe durch einen Antriebsstrang gelöst, der wie vorstehend beschrieben aufgebaut ist.
Bei dem Schienenfahrzeug ergeben sich dieselben Vorteile wie sie bereits im Zusammenhang mit dem Antriebsstrang beschrieben worden sind.
Weitere Vorteile und Einzelheiten des Antriebsstrangs sowie des Schienenfahrzeugs werden nachfolgend unter Zuhilfenahme der beigefügten Zeichnungen erläutert. In diesen zeigt:
1 ein Blockschaltbild eines ersten Antriebsstrangs eines Schienenfahrzeugs gemäß der Erfindung,
2 einen schematischen Querschnitt durch eine Motor-Getriebe-Einheit zur Veranschaulichung der Entstehung der Wellenströme,
3 eine schematische Darstellung der parasitären Impedanzen in der Motor-Getriebe-Einheit nach 2,
4 ein schematischer Querschnitt durch ein Wälzlager der Motor-Getriebe-Einheit nach 2,
5 das Eingangsfilters des Antriebsstrangs nach 1,
6 das Ausgangsfilter des Antriebsstrangs nach 1 und
7 die Kopplungsimpedanz des Antriebsstrangs nach 1
8 ein Blockschaltbild eines zweiten Antriebsstrangs gemäß der Erfindung.
In der 1 ist ein Antriebsstrang 1 eines Schienenfahrzeugs dargestellt, welches als Straßenbahn ausgebildet ist. Der Antriebsstrang 1 weist zwei elektrische Maschinen 11 auf, welche aus einem Umrichter 8 gespeist werden. Über den Umrichter 8 werden Betriebsströme für die Maschinen 11 aus einer Versorgungsspannung eines Versorgungsnetzes erzeugt. Diese Betriebsströme werden über die Klemmen U1, V1, W1 und U2, V2, W2 an die elektrischen Maschinen 11 abgegeben. Der Umrichter 8 ist als Wechselrichter zur Umwandlung einer Gleichspannung in eine Dreiphasenwechselspannung ausgebildet. Um die Regelung der Maschinen 11 zu ermöglichen, ist der Umrichter 8 derart ausgestaltet, dass in Frequenz und/oder Amplitude einstellbare Wechselströme erzeugt werden können.
Das Versorgungsnetz weist eine Oberleitung 2 auf, an der eine Gleichspannung anliegt. Die Gleichspannung kann beispielsweise 750 V betragen. Der Antriebsstrang 1 des Schienenfahrzeugs weist einen Stromabnehmer 3 auf, welcher in Kontakt mit der Oberleitung steht und die Versorgungsspannung abgreift. Der Umrichter 8 ist über eine Drossel 4 und einen Schutzschalter 5 mit dem Stromabnehmer 3 verbunden. Alternativ kann ein Versorgungsnetz mit einer Stromschiene Anwendung finden. An einer Stromschiene kann die Versorgungsspannung über einen Schleifschuh abgegriffen werden. Gemäß einer weiteren Abwandlung des Ausführungsbeispiels kann zusätzlich zu der Drossel 4, welche zwischen dem Stromabnehmer 3 und dem Umrichter 8 angeordnet ist, eine weitere Drossel vorgesehen sein, die zwischen Masse 6 und dem Umrichter angeordnet ist.
Das Schienenfahrzeug des Ausführungsbeispiels weist mehrere Drehgestelle mit jeweils zwei Radsätzen auf. Auf den Drehgestellen sind jeweils zwei elektrische Maschinen 11 angeordnet, wobei jedem Radsatz jeweils eine Maschine 11 zugeordnet ist, welche den entsprechenden Radsatz über ein mit der elektrischen Maschine verbundenes Getriebe 12 antreibt. Die elektrische Maschine 11 und das Getriebe 12 bilden eine Motor-Getriebe-Einheit 10.
Die 2 zeigt eine schematische Schnittdarstellung durch eine der beiden Motor-Getriebe-Einheiten 10 des Antriebsstrangs nach 1. Die Motor-Getriebe-Einheit 10 weist eine als Drehstrom-Asynchronmotor ausgebildete elektrische Maschine 11 mit einer Welle 16 und ein Getriebe 12 auf, welches mit der Welle 16 der elektrischen Maschine 11 gekoppelt ist. Die elektrische Maschine 11 weist einen Stator 14 und einen gegenüber dem Stator 14 drehbar gelagerten Rotor 15 auf. Der Rotor 15 ist starr mit der Welle 16 verbunden. Der Stator 14 ist Teil des Gehäuses der Motor-Getriebe-Einheit 10. An dem Stator sind mehrere Spulen 17, 18 angeordnet, welche mit an den Klemmen U1, V1, W1 bzw. U2, V2, W2 der elektrischen Maschine 11 bereitgestellten Betriebsströmen gespeist werden, vgl. 1.
Aufgrund des Aufbaus der elektrischen Maschine 11 ergeben sich parasitäre Kapazitäten zwischen dem Stator 14 und dem Rotor 15, jeweils zwischen den Spulen 17, 18 und dem Stator 14 sowie jeweils zwischen den Spulen 17, 18 und dem Rotor 15.
Ein Überblick über die einzelnen parasitären Impedanzen innerhalb der Motor-Getriebe-Einheit 10 ist der Darstellung in 3 zu entnehmen. Die Motorwicklungen 17, 18 sind als Induktivitäten L₁, L₂ und L₃ dargestellt. Zwischen den Motorwicklungen 17, 18 und dem Stator 14 liegt die parasitäre Impedanz Z_WS, zwischen den Motorwicklungen 17, 18 und dem Rotor 15 die parasitäre Impedanz Z_WR. Zwischen dem Rotor 15 und dem Stator 14 ist die variable Impedanz Z_RS des Lagers 19, 20 angeordnet. Ferner liegt eine parasitäre Impedanz Z_RG zwischen Rotor 15 und Getriebe 12 und mehrere Impedanzen Z_G1, Z_G2 innerhalb des Getriebes 12.
Der Rotor 15 bzw. die Welle 16 ist über zwei als Wälzlager ausgebildete Lager 19, 20 drehbar in dem Stator 14 gelagert, vgl. 2. Das Lager 19 befindet sich im Bereich der elektrischen Maschine 11, das Lager 20 befindet sich um Übergangsbereich zwischen der Maschine 11 und dem Getriebe 12. Alternativ kann das Lager 20 in der elektrischen Maschine 11 oder im Getriebe 12 angeordnet sein. Gemäß dem Ausführungsbeispiel ist das Lager 19 gegenüber dem Stator 14 isoliert, so dass ein Stromfluss von dem Stator 14 durch das Lager 19 zu der Welle 16 verhindert wird. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass zwischen dem Lager 19 und dem Stator 14 ein als Film ausgebildeter Isolator eingebracht ist. Das Lager 20 ist im Gegensatz dazu nicht gegenüber dem Stator 14 isoliert, so dass ein Stromfluss von dem Stator 14 über das Lager 20 zu der Welle 16 möglich ist. In Abwandlung des Ausführungsbeispiels können beide Lager 19, 20 der Motor-Getriebe-Einheit 10 ohne eine Isolierung gegenüber dem Stator 14 ausgebildet sein.
Die 4 zeigt einen Querschnitt durch das Lager 20. Das Lager 20 weist einen mit dem Stator 14 verbundenen Außenring 21 und einen gegenüber dem Außenring 21 drehbaren Innenring 22 auf. Außenring 21 und Innenring 22 sind konzentrisch angeordnet. Zwischen dem Außenring 21 und dem Innenring 22 sind Wälzkörper 23 vorgesehen, welche beim Drehen des Innenrings 22 gegenüber dem Außenring 21 an der Innenseite des Außenrings 21 und/oder der Außenseite des Innenrings 22 abrollen. Um einen direkten Kontakt des Wälzkörpers 23 mit dem Außenring 21 und dem Innenring 22 zu vermeiden und so Verschleißerscheinungen des Lagers 20 zu vermindern, ist das Lager 20 mit einem Schmiermittel 24, beispielsweise einem Fett oder einem Öl, gefüllt. Das Schmiermittel 24 ist elektrisch nicht leitfähig und wirkt somit als Isolator. Zwischen dem Außenring 21 und dem Wälzkörper 23 wird durch die Schmiermittelschicht 24 eine variable parasitäre Kapazität gebildet. Zwischen dem Innenring 22 und dem Wälzkörper existiert ebenfalls eine solche parasitäre Kapazität. Das Lager 20 verhält sich in elektrischer Hinsicht als Kapazität, welche Energie aufnehmen und abgeben kann.
Die durch das Lager 20 gebildete Kapazität kann von hochfrequenten Strömen durchflossen werden. Da diese Ströme durch die Welle 16 des Antriebs 10 fließen, werden sie Wellenströme genannt. Die Wellenströme können beispielsweise durch eine an den Klemmen der elektrischen Maschine 11 anliegende Gleichtaktspannung und/oder durch hohe Steilheiten der Klemmenspannungen der elektrischen Maschine 11 ausgelöst werden.
Zudem können impulsförmige Wellenströme auftreten, wenn die über das Lager 20 anliegende Spannung die Durchschlagspannung des Schmiermittels 24 überschreitet. In diesem Fall kommt es zu einem Durchbruch, das Lager 20 wird kurzzeitig leitend. Die Wellenströme können Degradationen an den Laufflächen des Außenrings 21 und/oder des Innenrings 22 und die Zersetzung des Schmiermittels 24 innerhalb des Lagers 20 hervorrufen. Infolge der Wellenströme kann es letztlich zum vollständigen Ausfall des Lagers 20 kommen.
Um das Entstehen von Wellenströmen zu unterdrücken, die Lebensdauer der Lager 19, 20 des Antriebs 10 zu erhöhen und dadurch die Verfügbarkeit des Schienenfahrzeugs zu verbessern, sind bei dem Antriebsstrang 1 gemäß 1 Vorkehrungen getroffen, die nachfolgend im Einzelnen erläutert werden sollen:
Wie der Darstellung in 1 entnommen werden kann, weist der Antriebsstrang 1 ein am netzseitigen Eingang des Umrichters 8 angeordnetes passives Eingangsfilter 7, ein am antriebsseitigen Ausgang des Umrichters 8 angeordnetes passives Ausgangsfilter 9 und eine passive Kopplungsimpedanz 13 auf, über welche die beiden elektrischen Maschinen 11 elektrisch miteinander verbunden sind.
Das Eingangsfilter 7, das Ausgangsfilter 9 und die Kopplungsimpedanz 13 bilden zusammen eine über den Antriebsstrang 1 verteilte, passive Filtervorrichtung zur Unterdrückung und gleichmäßigen Verteilung von Wellenströmen. Das Eingangsfilter 7 und das Ausgangsfilter 9 sind derart aufgebaut und dimensioniert, dass hohe Spanungssteilheiten und/oder eine Gleichtaktspannung an den Klemmen U1, V1, W1, und U2, V2, W3 der elektrischen Maschinen 11 unterdrückt werden. Die Schwingungsfrequenz des durch die parasitären Induktivitäten und Kapazitäten der elektrischen Maschinen 11 gebildeten Schwingkreises wird durch die Dimensionierung des Eingangsfilters 7, des Ausgangsfilters 9 und der Kopplungsimpedanz 13 derart eingestellt, dass die Wellenströme reduziert werden. Die Kopplungsimpedanz 13 trägt ferner dazu bei, dass die reduzierten Wellenströme gleichmäßig auf die beiden Maschinen 11 verteilt werden. Durch die Kombination dieser Maßnahmen werden die Belastungen der Lager 19, 20 durch Wellenströme verringert. Die Beanspruchung der Lager 19, 20 wird reduziert, wodurch sich eine erhöhte Lebensdauer der Lager 19, 20 ergibt. Insgesamt wird die Verfügbarkeit des Antriebsstrangs und damit des Schienenfahrzeugs gesteigert.
In der 5 ist das zwischen dem Versorgungsnetz und dem Umrichter 8 ange ordnete Eingangsfilter 7 dargestellt. Das Eingangsfilter 7 ist symmetrisch aufgebaut, so dass Störungen an den netzseitigen Eingangsklemmen 40, 41 in gleicher Weise wie Störungen an den umrichterseitigen Ausgangsklemmen 42, 43 gedämpft werden. Das Eingangsfilter 7 umfasst eine stromkompensierte Drossel 45. Die Drossel 45 weist mindestens einen Ringbandkern auf. Ferner umfasst das Eingangsfilter 7 einen X-Kondensator C_X11, welcher zwischen den Eingangsklemmen 40, 41 angeordnet ist und über welchen Gegentaktstörungen an den Eingangsklemmen 40, 41 gedämpft werden. Zwischen den Ausgangsklemmen 42, 43 ist ein X-Kondensator C_X21 verschaltet, der Gegentaktstörungen an den Ausgangsklemmen 42, 43 dämpft. Das Eingangsfilter 7 umfasst ferner mehrere Y-Kondensatoren C_Y11, C_Y12, C_Y13, C_Y21, C_Y22 und C_Y23 welche jeweils zwischen einer Eingangs- oder Ausgangsklemme 40, 41, 42, 43 und Masse 44 angeordnet sind. Über diese Y-Kondensatoren können Gleichtaktstörungen gedämpft werden. Parallel zu den X-Kondensatoren C_X11 und C_X21 sowie parallel zu den Y-Kondensatoren C_Y11, C_Y12, C_Y13, C_Y21, C_Y22 und C_Y23 sind jeweils Entladewiderstände R₁₃, R₂₁, R₁₁, R₁₂, R₁₄, R₂₂, R₂₃ und R₂₄ geschaltet.
Das Eingangsfilter 7 reduziert hochfrequente Störströme und kann gleichzeitig Teil einer EMV-Maßnahme sein.
In der 6 ist das zwischen dem Umrichter 8 und den beiden elektrischen Maschinen 11 angeordnete Ausgangsfilter 9 dargestellt. Die Eingangsklemmen 50, 51, 52 des Ausgangsfilters 9 sind mit dem Umrichter 8 verbunden. Über die Ausgangsklemmen 53, 54, 55 werden die Betriebsströme an die Maschinen 11 abgegeben.
Das Ausgangsfilter 9 besteht im Wesentlichen aus einer dreiphasigen stromkompensierten Drossel 56. Die Drossel 56 weist mehrere Ringbandkerne auf. Das Ausgangsfilter 9 ist kondensatorlos und widerstandslos ausgebildet. Es weist X-Kapazitäten C_PX11, C_PX12, C_PX13, C_PX21, C_PX22 und C_PX23 auf, welche nicht durch als Bauteile ausgebildete Kondensatoren, sondern durch parasitäre Kapazitäten der Zuleitungen zwischen dem Umrichter 8 und der Drossel 56, durch parasitäre Kapazitäten der Zuleitungen zwischen der Drossel 56 und den elektrischen Maschinen 11 sowie durch parasitäre Kapazitäten in den Maschinen 11 gebildet werden.
Das Ausgangsfilter 9 reduziert die Gleichtaktströme an den Klemmen U1, V1, W1 und U2, V2, W2. Zudem kann über das Eingangsfilter 7 und das Ausgangsfilter 9 die Schwingungsfrequenz der parasitären LC-Kreise der elektrischen Maschinen 11 eingestellt werden, wodurch sich die Wellenströme reduzieren lassen.
Die Abbildung in 7 zeigt einen Schaltplan der Kopplungsimpedanz 13 mit einem induktiven Anteil 60 und einem ohmschen Anteil 61. Die Kopplungsimpedanz 13 ist als elektrische Leitung ausgebildet. Sie wird an den Statorgehäusen angeschlossen. Es können die Erdanschlusspunkte (z. B. für Erdungsbänder) der Maschinen 11 verwendet werden. Infolge der Kopplung durch die Kopplungsimpedanz 13 können Unterschiede in den von den Statoren 14 der Maschinen 11 abfließenden Ströme ausgeglichen werden. Die Kopplungsimpedanz 13 ist zusammen mit den beiden elektrischen Maschinen 11 auf einem Drehgestell des Schienenfahrzeugs angeordnet, so dass eine unmittelbare Verbindung der Statoren 14 mit geringer Impedanz ermöglicht wird.
Die 8 zeigt eine zweite Ausgestaltung eines Antriebsstrangs 1 gemäß der Erfindung. Der Antriebsstrang 1 gemäß der zweiten Ausgestaltung unterscheidet sich von dem in 1 gezeigten Antriebsstrang 1 dadurch, dass er mehrere Umrichter 8 aufweist, wobei jeweils ein Umrichter 8 die Betriebsströme für eine elektrische Maschine 11 erzeugt. Gemäß 8 sind zwei Umrichter 8 und zwei elektrische Maschinen 11 vorgesehen, alternativ können mehr als zwei Umrichter 8 und eine entsprechende Anzahl an elektrischen Maschinen 11 in dem Antriebsstrang 1 vorgesehen sein.
Die Filtervorrichtung zur Reduktion von Wellenströmen weist mehrere zwischen dem Versorgungsnetz und den Umrichtern 8 angeordnete Eingangsfilter 7 und mehrere zwischen den Umrichtern 8 und den elektrischen Maschinen 11 angeordnete Ausgangsfilter 9 auf. Die elektrischen Maschinen 11 sind über eine Kopplungsimpedanz 13 elektrisch miteinander verbunden. Die Eingangsfilter 7, Ausgangsfilter 8 und die Kopplungsimpedanz 13 sind wie vorstehend im Zusammenhang mit den Abbildungen in den 5, 6, und 7 beschrieben ausgebildet.
Die vorstehend beschriebenen Antriebsstränge 1 für ein Schienenfahrzeug mit mehreren elektrischen Maschinen 11 und einem Umrichter 8 zur Erzeugung von Betriebsströmen für die Maschinen 11 aus einer Versorgungsspannung eines Versorgungsnetzes weist ein über den Antriebsstrang verteiltes Filter zur Reduktion von Wellenströmen auf, welches ein zwischen dem Versorgungsnetz und dem Umrichter 8 angeordnetes Eingangsfilter 7, ein zwischen dem Umrichter 8 und den elektrischen Maschinen 11 angeordnetes Ausgangsfilter 9 und eine Kopplungsimpedanz 13 umfasst, über welche die elektrischen Maschinen 11 elektrisch miteinander verbunden sind. Durch das verteilte Filter können übermäßige Belastungen der Lager 19, 20 durch Wellenströme vermieden werden, wodurch sich ein verringertes Ausfallrisiko ergibt. Insgesamt kann so die Verfügbarkeit des Schienenfahrzeugs gesteigert werden.
Bezugszeichenliste

1: Antriebsstrang
2: Versorgungsnetz
3: Stromabnehmer
4: Drossel
5: Schutzschalter
6: Masse
7: Eingangsfilter
8: Umrichter
9: Ausgangfilter
10: Motor-Getriebe-Einheit
11: elektrische Maschine
12: Getriebe
13: Kopplungsimpedanz
14: Stator
15: Rotor
16: Welle
17: Spule
18: Spule
19: Lager
20: Lager
21: Außenring
22: Innenring
23: Wälzkörper
24: Schmiermittel
40, 41: Eingangsklemme
42, 43: Ausgangsklemme
44: Masse
45: stromkompensierte Drossel
50, 51, 52: Eingangsklemme
53, 54, 55: Ausgangsklemme
56: stromkompensierte Drossel
60: Induktivität
61: Widerstand
C_PX11, C_PX12, C_PX13: X-Kondensator
C_PX21, C_PX22, C_PX23: X-Kondensator
C_X11, C_X21: X-Kondensator
C_Y11, C_Y12, C_Y13: Y-Kondensator
C_Y21, C_Y22, C_Y13: Y-Kondensator
R₁₃, R₂₁, R₁₁, R₁₂, R₂₂, R₂₃: Entladewiderstand
R₁₄, R₂₄: Entladewiderstand
U1: Klemme der elektrischen Maschine
V1: Klemme der elektrischen Maschine
W1: Klemme der elektrischen Maschine
U2: Klemme der elektrischen Maschine
V2: Klemme der elektrischen Maschine
W2: Klemme der elektrischen Maschine
Z_WS, Z_WR, Z_RS: parasitäre Impedanz
Z_RG, Z_G1, Z_G2: parasitäre Impedanz

Claims

Antriebsstrang für ein Schienenfahrzeug mit mehreren elektrischen Maschinen (11) und einem Umrichter (8) zur Erzeugung von Betriebsströmen für eine oder mehrere elektrische Maschinen (11) aus einer Versorgungsspannung eines Versorgungsnetzes, aufweisend eine Filtervorrichtung zur Reduktion von Wellenströmen mit einem zwischen dem Versorgungsnetz und dem Umrichter (8) angeordneten Eingangsfilter (7), einem zwischen dem Umrichter (8) und einer elektrischen Maschine (11) angeordneten Ausgangsfilter (9) und einer Kopplungsimpedanz (13), über welche die elektrischen Maschinen (11) elektrisch miteinander verbunden sind.
Antriebsstrang nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Eingangsfilter (7), das Ausgangsfilter (8) und die Kopplungsimpedanz (13) passiv ausgebildet sind.
Antriebsstrang nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplungsimpedanz (13) als elektrische Leitung ausgebildet ist, welche insbesondere jeweils an den Stator der elektrischen Maschinen (11) angebunden ist.
Antriebsstrang nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Maschinen (11) auf einem gemeinsamen Drehgestell angeordnet sind.
Antriebsstrang nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplungsimpedanz (13) ebenfalls auf dem Drehgestell angeordnet ist.
Antriebsstrang nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Eingangsfilter (7) und/oder das Ausgangsfilter (9) eine stromkompensierte Drossel (45, 56) zur Verringerung von Gleichtaktströmen aufweist.
Antriebsstrang nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Drossel (45, 56) mindestens einen Ringbandkern aufweist.
Antriebsstrang nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Eingangsfilter (7) einen zwischen zwei Eingangsklemmen (40, 41) und/oder zwischen zwei Ausgangsklemmen (42, 43) des Eingangsfilters (7) angeordneten X-Kondensator (C_X11, C_X21) aufweist.
Antriebsstrang nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Eingangsfilter (7) einen zwischen einer Eingangsklemme (40, 41) und Masse (44) und/oder zwischen einer Ausgangsklemme (42, 43) und Masse (44) angeordneten Y-Kondensator (C_Y11, C_Y12, C_Y13, C_Y21, C_Y22, C_Y23) aufweist.
Antriebsstrang nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangsfilter (9) kondensatorlos und/oder widerstandslos ausgebildet ist.
Antriebsstrang nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Maschinen (11) als Drehstrom-Asynchronmotoren ausgebildet sind und bevorzugt mit einem Getriebe (12) verbunden sind.
Antriebsstrang nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungsspannung eine Gleichspannung ist.
Antriebsstrang nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Umrichter (8) als Wechselrichter zur Umwandlung einer Gleichspannung in eine Dreiphasenwechselspannung ausgebildet ist.
Antriebsstrang nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen gemeinsamen Umrichter (8) für mehrere elektrische Maschinen (11).
Schienenfahrzeug mit einem Antriebsstrang (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.