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Die Erfindung betrifft eine Bordnetzeinheit zum Versorgen von Stromverbrauchern an einem Bordnetz eines elektrisch angetriebenen Schienenfahrzeugs mit Energie, mit einem Spannungseingang und mehreren Spannungsausgängen, die durch eine Trenneinheit jeweils vom Spannungseingang galvanisch getrennt sind.
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Schienenfahrzeuge sind aus technischen Gründen und aus Gründen des Fahrgastkomforts mit einer Vielzahl von Wechselstromverbrauchern, beispielsweise Klimatisierungsanlagen – die oftmals die größten Verbraucher sind –, Heizungseinrichtungen etc., ausgestattet. Die Energieversorgung dieser Wechselstromverbraucher erfolgt aus einem sogenannten Bordnetz. Das Bordnetz wird dabei mittelbar – und üblicherweise über eine galvanische Trennung hinweg – von der Hauptenergieversorgungseinrichtung des Schienenfahrzeugs gespeist.
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Die in das Bordnetz eingespeiste Energie muss gewissen Anforderungen genügen. Dies gilt insbesondere hinsichtlich der Randbedingungen der elektromagnetischen Verträglichkeit und der Spannungsqualität. Außerdem besteht die Anforderung, die Bordnetzenergieversorgung möglichst energiesparend, kostengünstig und unter Aufwendung von möglichst wenig Masse bereitzustellen.
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Zur Lösung dieses Problems sind Bordnetzeinheiten als Energieversorgungseinrichtungen bekannt, die Energie von der Hauptenergieversorgungseinrichtung des Schienenfahrzeugs ableiten, wandeln bzw. aufbereiten und in das Bordnetz einspeisen. Um die Hauptenergieversorgungseinrichtung von einem möglichen Defekt im Bordnetz abzuschirmen, umfassen übliche Bordnetzeinheiten eine Potentialtrennung, beispielsweise in Form eines Transformators.
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Im Speziellen wird die Energie für das Bordnetz vom Traktionszwischenkreis des Schienenfahrzeugs oder über eine sog. Anzapfung mit einer Hilfsbetriebewicklung am Haupttransformator entnommen. Dabei können mehrere Drehstromkreise des Bordnetzes über mehrere Wechselrichter mit einem einzigen Verbraucherzwischenkreis verbunden sein.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine vorteilhafte Bordnetzeinheit für Stromverbraucher eines Schienenfahrzeugs anzugeben.
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Diese Aufgabe wird durch eine Bordnetzeinheit der eingangs genannten Art gelöst, bei der erfindungsgemäß zwischen dem Spannungseingang und den Spannungsausgängen ein Mittelfrequenzwechselrichter angeordnet ist und die Trenneinheit eine Mittelfrequenztransformatoreinheit mit einer an den Mittelfrequenzwechselrichter angeschlossenen Primärseite und einer Sekundärseite mit mehreren Sekundärwicklungen aufweist und jede der Sekundärwicklungen mit einem der Spannungsausgänge verbunden ist.
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Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass eine besonders vorteilhafte Energieversorgung des Bordnetzes über eine Bordnetzeinheit, die zum Betrieb unter mittelfrequenter Spannung vorbereitet ist und eine Trenneinheit zur galvanischen Trennung mehrerer Spannungsausgänge aufweist, erfolgen kann.
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Eine mittelfrequente Spannung kann in diesem Zusammenhang eine Wechselspannung zwischen 500 Hz und 100 kHz sein, insbesondere eine Wechselspannung von 2 kHz bis 20, insbesondere bis 50 kHz. Zum Betrieb unter mittelfrequenter Spannung weist die Bordnetzeinheit einem Mittelfrequenzwechselrichter und eine Trenneinheit mit einer Mittelfrequenztransformatoreinheit auf, wobei beide Einheiten baulich zum Betrieb unter mittelfrequenter Wechselspannung vorbereitet sind.
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Im Vergleich zu Bordnetzeinheiten, die zum Betrieb unter niederfrequenter Wechselspannung, insbesondere unter einer Wechselspannung von bis zu wenigen Hundert Hertz, vorbereitet sind, lässt sich durch die mittelfrequente Architektur der Bordnetzeinheit unter anderem eine vorteilhafte Einsparung an Masse erzielen. Die Einsparung an Masse kann insbesondere dadurch erzielt werden, dass die Mittelfrequenztransformatoreinheit der Trenneinheit ein vergleichsweise niedriges Masse-Leistungs-Verhältnis aufweist, insbesondere im Vergleich zu üblichen Transformatoren, die beispielsweise unter 50 Hz Wechselspannungen betrieben werden.
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Die Bordnetzeinheit weist eine Trenneinheit mit einer Mittelfrequenztransformatoreinheit zur galvanischen Trennung der Spannungsausgänge auf. Die Trenneinheit ist zur galvanischen Trennung der Primärseite von der Sekundärseite und zweckmäßigerweise auch zur galvanischen Trennung der Spannungsausgänge voneinander vorbereitet. Durch die galvanische Trennung der Spannungsausgänge der Bordnetzeinheit kann eine besonders vorteilhafte Entkopplung von Stromverbrauchern, die an die Spannungsausgänge angeschlossen sind, von der Primärseite der Bordnetzeinheit erfolgen. Durch die galvanische Trennung der Spannungsausgänge der Bordnetzeinheit voneinander kann eine vorteilhafte Rückwirkungsfreiheit der Stromverbraucher, insbesondere im Falle eines Defektes an einem und/oder mehreren der Stromverbraucher, erreicht werden.
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Außerdem von Vorteil, können durch die galvanische Trennung der Spannungsausgänge der Bordnetzeinheit in Verbindung mit dem Mittelfrequenzwechselrichter und der Mittelfrequenztransformatoreinheit besonders hohe Anforderungen hinsichtlich der Spannungsgüte und der elektromagnetischen Verträglichkeit der Bordnetzenergieversorgung erreicht werden.
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Die Bordnetzeinheit ist eine Einheit zur Energieversorgung von Stromverbrauchern, die insbesondere am Bordnetz eines Schienenfahrzeugs angeordnet sind. Das Bordnetz kann die elektrische Verkabelung und verschiedenartige Stromverbraucher, beispielsweise eine Klimaanlage oder eine Heizeinrichtung, des Schienenfahrzeugs umfassen.
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Die Bordnetzeinheit ist insbesondere zur Energieversorgung von Wechselspannungsverbrauchern, insbesondere von Verbrauchern, die mit Dreiphasen-Wechselspannung betrieben werden, vorbereitet. Ein Spannungseingang der Bordnetzeinheit kann ein Anschlusselement für elektrische Leiter, insbesondere Kabel, aufweisen, die dazu vorbereitet sind der Bordnetzeinheit Betriebsenergie zuzuführen. Anschließen bedeutet im gegebenen Zusammenhang, eine zumindest mittelbare Verbindung, die insbesondere leitfähig sein kann, herzustellen. Die Verben verbinden und anschließen bzw. verbunden und angeschlossen können im gegebenen Zusammenhang synonym benutzt werden. Ein Spannungsausgang der Bordnetzeinheit kann ein Anschlusselement für elektrische Leiter, insbesondere Kabel, aufweisen, die dazu vorbereitet sind, Betriebsenergie von der Bordnetzeinheit in das Bordnetz einzuleiten. Ein Spannungsausgang kann insbesondere ein drehzahlvariabler Drehspannungsausgang sein.
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Der Mittelfrequenzwechselrichter der Bordnetzeinheit kann ein Wechselrichter sein, der dazu vorbereitet ist, eine gegebene Gleichspannung in eine Mittelfrequenz-Wechselspannung umzusetzen. Die Mittelfrequenztransformatoreinheit der Bordnetzeinheit kann eine Transformatoreinheit sein, die dazu vorbereitet ist, unter mittelfrequenten Wechselspannungen betrieben zu werden. Die Mittelfrequenztransformatoreinheit unterscheidet sich baulich von einer üblichen Transformatoreinheit, die beispielsweise zum Betrieb unter 50 Hz Wechselspannung vorbereitet ist, durch einen vorteilhafterweise masseärmeren Transformatorkern bzw. masseärmere Transformatorkernteile bei vergleichbarer übertragbarer Leistung. Die Mittelfrequenztransformatoreinheit verfügt vorteilhafterweise über ein verringertes Masse-Leistungs-Verhältnis im Vergleich zu üblichen Transformatoren, insbesondere im Vergleich zu Haupttransformatoren von Schienenfahrzeugen, die beispielsweise unter 16 2/3 Hz betrieben werden.
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Jeder der Spannungsausgänge der Bordnetzeinheit ist mit einer Sekundärwicklung verbunden. Besonders vorteilhaft ist jede der Sekundärwicklungen der Bordnetzeinheit mit einem einzigen der Spannungsausgänge verbunden. Vorteilhafterweise kann so auf eine übliche Ausstattung der Spannungsausgänge, insbesondere der vorgeschalteten elektrischen und/oder elektronischen Bauelemente, mit Gleichstromdrosseln verzichtet werden, was sich kosten- und massereduzierend auswirkt.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Mittelfrequenzwechselrichter der Bordnetzeinheit ein Traktionswechselrichter. Der Traktionswechselrichter kann ein Wechselrichter sein, der zur Energieversorgung zumindest eines Antriebsmotors eines Schienenfahrzeugs vorbereitet ist. Der Traktionswechselrichter kann einen Vierquadrantensteller, einen Zwischenkreis und einen Pulswechselrichter umfassen, zur Versorgung von einem in seiner Drehzahl stufenlos steuerbaren Antriebsmotor.
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Eine bauliche Anordnung kann so vorgenommen sein, dass eine Traktionsphase des Traktionswechselrichters an eine Primärwicklung der Mittelfrequenztransformatoreinheit angeschlossen ist. So kann auf besonders einfache Weise eine kostengünstige Bordnetzeinheit realisiert werden, da in vorteilhafter Weise üblicherweise am Bordnetz vorhandene Komponenten eines Schienenfahrzeugantriebs, in die Bordnetzeinheit integriert werden können.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausbildung der Erfindung ist die Mittelfrequenztransformatoreinheit an zumindest zwei Mittelfrequenzwechselrichtern angeschlossen. Die Mittelfrequenzwechselrichter sind vorzugsweise an der Primärseite der Mittelfrequenztransformatoreinheit angeschlossen. So kann besonders vorteilhaft erreicht werden, dass die Bordnetzeinheit auch bei einem Ausfall eines der Mittelfrequenzwechselrichter weiterhin mit Spannung versorgt werden kann.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Mittelfrequenztransformatoreinheit zumindest zwei Primärwicklungen auf, die jeweils mit einem Mittelfrequenzwechselrichter verbunden sind. Anstelle eines oder mehrerer Mittelfrequenzwechselrichter kann ein bzw. mehrere Traktionswechselrichter an die Primärwicklung bzw. die Primärwicklungen angeschlossen sein. An jeder der Primärwicklungen können mehr als ein Mittelfrequenzwechselrichter angeschlossen sein. So kann in besonders vorteilhafter Art und Weise erreicht werden, dass die Bordnetzeinheit auch bei Ausfall einer der Primärwicklungen weiterhin mit Spannung versorgt werden kann.
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Zweckmäßigerweise kann die Mittelfrequenztransformatoreinheit mehrere primärseitig parallel geschaltete Mittelfrequenztransformatoren aufweisen, die mit einem Mittelfrequenzwechselrichter verbunden sind. Auf einfache Weise kann so eine vollständige sekundärseitige Entkopplung der Spannungsausgänge erfolgen, um eine gesteigerte elektromagnetische Verträglichkeit der Energieversorgung zu erreichen.
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Vorteilhafterweise können die Mittelfrequenztransformatoren jeweils zumindest zwei Primärwicklungen aufweisen, wobei jeweils eine Primärwicklung eines Mittelfrequenztransformators mit jeweils einer einzigen der Primärwicklungen eines jeden anderen Mittelfrequenztransformators parallel geschaltet und mit einem Mittelfrequenzwechselrichter verbunden ist. Dabei ist jede der derart primärseitig eingerichteten Parallelschaltungen vorzugweise mit einem einzigen Mittelfrequenzwechselrichter verbunden. Dadurch kann in einfacher Weise eine erhöhte Redundanz der Energieversorgung erzielt werden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform kann an jeder der Sekundärwicklungen der Mittelfrequenztransformatoreinheit eine Entkopplungsdrossel angeschlossen sein. Die Entkopplungsdrossel ist ein elektrisches bzw. elektronisches Bauelement mit vornehmlich induktiver Wirkweise, das dazu vorbereitet ist, sekundärseitige Leistungsflüsse zwischen den einzelnen sekundärseitigen Spannungsausgängen zu bedämpfen bzw. zum Ausgleich zu bringen. Besonders einfach lassen sich so mögliche negative Auswirkungen ungewolltes sekundärseitiger Spannungsschwankungen beschränken.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist an jeder der Sekundärwicklungen der Mittelfrequenztransformatoreinheit ein Gleichrichter angeschlossen. Zweckmäßigerweise sind mehrere Gleichrichter an die Sekundärwicklungen angeschlossen, insbesondere derart, dass jeder Gleichrichter an einer einzigen der Sekundärwicklungen angeschlossen ist. Alternativ ist es auch möglich, dass ein Gleichrichter an eine Parallelschaltung von mehreren Sekundärwicklungen angeschlossen ist. Vorteilhafterweise kann so eine in ihrer Frequenz variierende Wechselspannung, wie sie beispielweise von den Traktionswechselrichtern üblicherweise bereitgestellt wird, in besonders einfacher Weise egalisiert werden. Vorteilhafterweise bleibt die Energieversorgung der Stromverbraucher damit unbeeinflusst von der momentanen Frequenz der Traktionswechselrichterausgangspannung.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausbildung der Erfindung kann der Gleichrichter ein geregelter Halbbrückengleichrichter sein. Ebenfalls möglich ist die Ausführung als ein geregelter auf Halbleiterschaltern basierender Gleichrichter. In vorteilhafter Weise – insbesondere im Vergleich zu üblicherweise eingesetzten Diodengleichrichtbrücken – kann so eine unabhängig steuerbare Leistungsübertragung zu den Spannungsausgängen erreicht werden, insbesondere eine Leistungsübertragung die eine Versorgung der Spannungsausgänge am jeweiligen betriebsoptimalen Punkt der Lastsituation erzielt. Außerdem kann so in vorteilhafter Weise die Möglichkeit einer Energierückspeisung von einzelnen Spannungsausgängen zur Primärseite des Mittelfrequenztransformators oder zu einem und/oder mehreren Spannungsausgängen der Bordnetzeinheit erreicht werden, beispielsweise während eines Bremsvorgangs eines Lüfters zur Stabilisierung des Bordnetzes und/oder zur Einspeisung in einen Traktionszwischenkreis.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsvariante sind mehrere der Sekundärwicklungen der Mittelfrequenztransformatoreinheit mit jeweils einem eigenen Verbraucherzwischenkreis verbunden. Ein Verbraucherzwischenkreis kann ein Zwischenkreis sein, der zwischen weiteren elektrischen und/oder elektronischen Bauelementen der Bordnetzeinheit angeordnet ist. In einfacher Weise kann so eine galvanische Trennung mehrerer Verbraucherzwischenkreise, also mehrerer Spannungsausgänge der Bordnetzeinheit, erreicht werden. Durch die galvanische Trennung kann insbesondere eine vorteilhafte elektrische Entkopplung und Rückwirkungsfreiheit im Falle ungewollter Erd- und/oder Kurzschlüsse an einem und/oder an mehreren der Spannungsausgänge hergestellt werden. Außerdem können durch die eigenen Verbraucherzwischenkreise die jeweiligen Zwischenkreisspannungen der Verbraucherzwischenkreise unabhängig voneinander im betriebsoptimalen Nennspannungsbereich geregelt werden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist zwischen zumindest einer der Sekundärwicklungen und dem dieser zugeordneten Spannungsausgang eine Kombination aus Gleichrichter und Wechselrichter angeordnet. Ein Verbraucherzwischenkreis kann zwischen dem Gleichrichter und dem Wechselrichter angeordnet sein. Zweckmäßigerweise ist an jeder der Sekundärwicklungen eine Kombination, also insbesondere eine Reihenschaltung, aus einem Gleichrichter und einem Wechselrichter angeordnet. Der Wechselrichter, der insbesondere ein Pulswechselrichter sein kann, ist zur Speisung eines Stromverbrauchers vorbereitet.
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Eine bauliche Anordnung kann dergestalt sein, dass ein Wechselrichter zur Speisung eines einzigen Stromverbrauchers angeordnet ist, also mit einem einzigen Stromverbraucher verbunden ist. Ein Wechselrichter kann auch zur Speisung einer Stromverbrauchergruppe vorbereitet sein. Eine Stromverbrauchergruppe kann eine Menge von Stromverbrauchern sein, die zumindest ähnliche Anforderungen an ihre Energieversorgung stellen. Eine Stromverbrauchergruppe kann auch eine Menge von Stromverbrauchern sein, die in baulicher Nähe zueinander angeordnet sind, insbesondere innerhalb eines Bauabschnitts eines Schienenfahrzeugs. So kann in besonders einfacher Weise eine vorteilhaft angepasste Energieversorgung verschiedenartiger Stromverbraucher erreicht werden.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist bzw. sind zwischen zumindest einer der Sekundärwicklungen und dem dieser zugeordneten Spannungsausgang ein Matrix-Umrichter und/oder ein modularer Direkt-Umrichter angeordnet. Der Matrix-Umrichter kann ein elektronisches Stellglied sein, das dazu vorbereitet ist, aus einer Wechselspannung mit gegebener Amplitude und gegebener Frequenz eine Wechselspannung mit veränderter Amplitude und veränderter Frequenz zu erzeugen. Auch kann die Phasenzahl der Ausgangsspannung verändert werden. In einfacher Weise kann so eine besonders bedarfsangepasste Bordnetzenergieversorgung erreicht werden.
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Abgesehen von zum Matrix-Umrichter unterschiedlichen elektronischen Baugruppen kann der modulare Direkt-Umrichter ebenfalls dazu dienen, aus einer Wechselspannung mit gegebener Amplitude und gegebener Frequenz eine Wechselspannung mit veränderter Amplitude und veränderter Frequenz zu erzeugen. Auch kann die Phasenzahl der Ausgangsspannung verändert werden.
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Vorteilhaft ist des Weiteren ein Schaltmittel, das zwischen zumindest einer der Primärwicklungen der Primärseite und dem Spannungseingang angeordnet ist. Das Schaltmittel ist zum Trennen und/oder Verbinden der Primärwicklung von bzw. mit der Primärseite der Mittelfrequenztransformatoreinheit vorbereitet. So kann in vorteilhafter Weise erreicht werden, dass ein ungewollter Erd- und/oder Kurzschluss an einer der Primärwicklungen auswirkungsfrei auf die Sekundärseite der Bordnetzeinheit bleibt. Zweckmäßigerweise kann durch das Schaltmittel eine defekte Phase, beispielsweise eines Traktionsstromrichters, von der Mittelfrequenztransformatoreinheit getrennt werden. Dieses Schaltmittel kann sowohl zweipolig als auch einpolig ausgeführt werden.
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Zweckmäßig ist ferner zumindest ein Schaltmittel, das zwischen zumindest einer der Sekundärwicklungen der Sekundärseite und dem Spannungsausgang angeordnet ist. Das Schaltmittel ist zum Trennen und/oder Verbinden der Sekundärwicklung von bzw. mit der Sekundärseite der Mittelfrequenztransformatoreinheit vorbereitet. Insbesondere kann das Schaltmittel so angeordnet sein, dass jeder der Spannungsausgänge einzeln von der Sekundärseite der Mittelfrequenztransformatoreinheit getrennt werden kann. So kann in vorteilhafter Weise erreicht werden, dass ein ungewollter Erd- und/oder Kurzschluss an einer der Sekundärwicklungen und/oder einen der Stromverbraucher auswirkungsfrei auf die Primärseite und/oder die defektfreien Spannungsausgänge der Bordnetzeinheit bleibt.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Bordnetzeinheit ein fest verbundener Bestandteil eines Schienenfahrzeugs, insbesondere derart, dass das Schienenfahrzeug die Bordnetzeinheit umfasst. Die Bordnetzeinheit kann zweckmäßigerweise ein Bestandteil eines Schienenfahrzeugantriebs sein.
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Außerdem ist die Erfindung gerichtet auf ein Verfahren zum Versorgen von Stromverbrauchern an einem Bordnetz eines elektrisch angetriebenen Schienenfahrzeugs mit Energie, bei dem Energie in einen Spannungseingang eingeführt und an mehreren Spannungsausgängen abgeführt wird, wobei die Spannungsausgänge durch eine Trenneinheit jeweils vom Spannungseingang galvanisch getrennt werden.
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Ein vorteilhaftes Verfahren zum Versorgen von Stromverbrauchern an einem Bordnetz eines elektrisch angetriebenen Schienenfahrzeugs kann erreicht werden, wenn ein am Spannungseingang angeschlossener Mittelfrequenzwechselrichter eine Mittelfrequenz-Wechselspannung erzeugt, diese einer Mittelfrequenztransformatoreinheit der Trenneinheit zugeführt, an mehreren Sekundärwicklungen der Mittelfrequenztransformatoreinheit transformiert und die transformierte Mittelfrequenz-Wechselspannung an die Spannungsausgänge weitergegeben wird. Die bisher gegebene Beschreibung vorteilhafter Ausgestaltungen der Erfindung enthält zahlreiche Merkmale, die in den einzelnen Unteransprüchen teilweise zu mehreren zusammengefasst wiedergegeben sind. Diese Merkmale können jedoch zweckmäßigerweise auch einzeln betrachtet und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfasst werden. Insbesondere sind diese Merkmale jeweils einzeln und in beliebiger geeigneter Kombination mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß den unabhängigen Ansprüchen kombinierbar.
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Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung, sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Die Ausführungsbeispiele dienen der Erläuterung der Erfindung und beschränken die Erfindung nicht auf die darin angegebene Kombination von Merkmalen, auch nicht in Bezug auf funktionale Merkmale. Außerdem können dazu geeignete Merkmale eines jeden Ausführungsbeispiels auch explizit isoliert betrachtet, aus einem Ausführungsbeispiel entfernt, in ein anderes Ausführungsbeispiel zu dessen Ergänzung eingebracht und/oder mit einem beliebigen der Ansprüche kombiniert werden.
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Es zeigen:
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1 einen angetriebenen und einen nicht angetriebenen Wagen eines Schienenfahrzeugs mit einer Bordnetzeinheit,
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2 die Bordnetzeinheit aus 1 mit einem Mittelfrequenztransformator mit einer Primärwicklung und zwei galvanisch getrennten Spannungsausgängen,
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3 eine weitere Bordnetzeinheit mit mehreren Primärwicklungen und Spannungsfiltereinheiten,
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4 eine weitere Bordnetzeinheit mit mehreren Primärwicklungen bzw. Mittelfrequenztransformatoren in Parallelschaltung,
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5 eine weitere Bordnetzeinheit mit mehreren Mittelfrequenztransformator mit jeweils zwei Primärwicklungen,
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6 eine weitere Bordnetzeinheit mit mehreren Mittelfrequenztransformator mit sekundärseitiger Parallelschaltung,
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7 eine weitere Bordnetzeinheit mit sekundärseitigen Entkopplungsdrosseln und
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8 eine weitere Bordnetzeinheit in dreiphasiger Ausführung.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Schienenfahrzeugs 2, das mindestens einen angetriebenen Wagen 4 und mindestens einen nicht angetriebene Wagen 6 umfasst. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind lediglich ein angetriebener Wagen 4 und ein nicht angetriebener Wagen 6 dargestellt. Das Schienenfahrzeug 2 umfasst eine Hauptenergieversorgungseinrichtung 8, die mit einem Stromabnehmer 10, einem Haupttransformator 12 und zwei als Gleichrichter ausgeführten Eingangsstromrichtern 14 ausgestattet ist. Der Haupttransformator 12 ist konstruktiv insbesondere zur Umspannung von Wechselspannung mit einer Frequenz im Bereich von 16 2/3 Hz und einer Amplitude von 15 kV in Wechselspannung mit einer Frequenz im Bereich von 16 2/3 Hz und einer Amplitude von 1 kV bis 3 kV ausgestattet.
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Die Eingangsstromrichter 14 der Hauptenergieversorgungseinrichtung 8 speisen einen Traktionszwischenkreis 16. Der Traktionszwischenkreis 16 ist insbesondere ein Gleichstromkreis, der zum Führen einer Gleichspannung im Bereich von 1 kV bis 3 kV vorbereitet ist. Am Traktionszwischenkreis 16 sind mehrere Mittelfrequenzwechselrichter 18 angeordnet. Mehrere der Mittelfrequenzwechselrichter 18 sind in Form von Traktionspulswechselrichtern angeordnet, die jeweils mit einem Antriebsmotor 20 verbunden sind. Die Mittelfrequenzwechselrichter 18 sind insbesondere als Halbbrückenschaltung oder als Parallelschaltung von mehreren alternierend taktenden Halbbrückenschaltungen ausgeführt. In einer weiteren Variante können die Mittelfrequenzwechselrichter auch als dreiphasige Pulswechselrichter oder n-phasige Wechselrichter ausgeführt sein. Die Antriebsmotoren 20 sind insbesondere stufenlos regelbare Asynchronmaschinen, die zum Betrieb unter Wechselspannungen von bis zu 2 kV mit einer Frequenz von bis zu 200 Hz vorbereitet sind.
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Ferner enthält das Schienenfahrzeug 2 eine Bordnetzeinheit 22 mit einer Trenneinheit 24, einer Mittelfrequenzphase 26 einem der Mittelfrequenzwechselrichter 18 und mehreren Spannungsausgängen 28. Im hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Bordnetzeinheit 22 im angetriebenen Wagen 4 angeordnet, was im Generellen nicht zwingend der Fall sein muss. Die Bordnetzeinheit 22 muss nicht zwingend lediglich eine Mittelfrequenzphase 26 und nicht zwingend lediglich einen der Mittelfrequenzwechselrichter 18 umfassen.
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An die Spannungsausgänge 28 der Bordnetzeinheit 22 sind mehrere Stromverbraucher 30 angeschlossen. Die Stromverbraucher 30 sind in mindestens einem der nicht angetriebenen Wagen 6 des Schienenfahrzeugs 2 angeordnet. Generell können die Stromverbraucher 30 zusätzlich auch in zumindest einem der angetriebenen Wagen 4 des Schienenfahrzeugs 2 angeordnet sein. Die Stromverbraucher 30 sind elektrische Verbraucher, wie beispielsweise eine Klimaanlage, ein Heizgerät, eine Pumpe, ein Druckluftgenerator etc. Die Stromverbraucher 30 sind insbesondere Wechselstromverbraucher, im Speziellen solche Verbraucher, die zur Aufnahme von Dreiphasen-Wechselstrom vorbereitet sind.
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Die Hauptenergieversorgungseinheit 8 des Schienenfahrzeugs 2 versorgt unter anderem die Antriebsmotoren 20 des angetriebenen Wagens 4 mit Betriebsenergie. Die Betriebsenergie wird mit dem Stromabnehmer 10 üblicherweise in Form einer Wechselspannung an einer Oberleitung abgegriffen und an den Haupttransformator 12 geleitet. Die durch den Haupttransformator 12 umgespannte Wechselspannung wird an die Eingangstromrichter 14 geleitet, durch diese in eine Gleichspannung gerichtet und in den Traktionszwischenkreis 16 eingespeist.
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Die am Traktionszwischenkreis 16 anliegende Gleichspannung wird von den Mittelfrequenzwechselrichtern 18 in Form von Traktionspulswechselrichtern derart gerichtet, dass sie zum Betreiben der Antriebsmotoren 20 geeignet ist. Üblicherweise erfolgt die Ansteuerung der Antriebsmotoren 20 mit Betriebsenergie durch die Mittelfrequenzwechselrichter 18 stufenlos mit Wechselspannungen mit Amplituden von bis zu 3 kV und mit Grundschwingungsfrequenzen von bis zu 200 Hz.
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Die Bordnetzeinheit 22 bezieht die zum Betrieb der Stromverbraucher 30 notwendige Betriebsenergie mittelbar von der Hauptenergieversorgungseinrichtung 8 des Schienenfahrzeugs 2. Ein Spannungseingang der Bordnetzeinheit 22 wird durch den Traktionszwischenkreis 16 gespeist, generell können aber auch mehrere Spannungseingänge vorhanden sein. Der Mittelfrequenzwechselrichter 18, der Teil der Bordnetzeinheit 22 ist, richtet die Gleichspannung des Traktionszwischenkreises 16 in eine Wechselspannung und leitet diese über die Mittelfrequenzphase 26 an die Trenneinheit 24 weiter. Die Trenneinheit 24 trennt den Spannungseingang der Bordnetzeinheit 22 von den Spannungsausgängen 28 der Bordnetzeinheit 22. Die Stromverbraucher 30 werden über die Spannungsausgänge 28 mit Betriebsenergie versorgt und durch die Trenneinheit 24 galvanisch getrennt, sowohl vom Spannungseingang der Bordnetzeinheit 22 als auch voneinander.
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Eine detailliertere Darstellung der Bordnetzeinheit 22 ist in 2 dargestellt. Die Bordnetzeinheit 22 ist in 2 mit dem Bezugszeichen 22a bezeichnet. In den Figuren sind an sich gleiche Bauteile, die jedoch geringfügige Unterschiede aufweisen, z.B. in Abmessung, Position und/oder Funktion, mit der gleichen Bezugsziffer und anderen Bezugsbuchstaben gekennzeichnet. Wird die Bezugsziffer alleine ohne einen Bezugsbuchstaben erwähnt, so sind die entsprechenden Bauteile aller Ausführungsbeispiele angesprochen.
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Die Bordnetzeinheit 22a umfasst unter anderem einen Mittelfrequenzwechselrichter 18a, der alternativ auch aus einer anderen Quelle als dem Traktionszwischenkreis gespeist werden kann, eine Trenneinheit 24a, mehrere Spannungsausgänge 28a und einen Spannungseingang 32a.
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Die Trenneinheit 24a weist eine Mittelfrequenztransformatoreinheit 34a mit einer Primärseite 36a, einer Sekundärseite 38a und einem Transformatorkern 40a auf. An der Primärseite 36a der Mittelfrequenztransformatoreinheit 34a ist eine Primärwicklung 42a angeordnet, an die wiederum eine Mittelfrequenzphase 26a des Mittelfrequenzwechselrichters 18a elektrisch angeschlossen ist.
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An der Sekundärseite 38a der Mittelfrequenztransformatoreinheit 34a sind zwei Sekundärwicklungen 44a angeordnet. An jeder der Sekundärwicklungen 44a ist jeweils die Wechselspannungsphase eines Gleichrichters 46a angeschlossen. Die Gleichrichter 46a können insbesondere als geregelte auf Halbleiterschaltern basierende Gleichrichter ausgeführt sein. In Reihenschaltung zu jedem der beiden Gleichrichter 46a ist jeweils ein Wechselrichter 48a angeordnet, wobei an jeden der Wechselrichter 48a eine Anzahl von Spannungsausgängen 28a der Bordnetzeinheit 22a angeschlossen ist. Im hier gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Spannungsausgänge 28a dreiphasig ausgeführt, wobei im Generellen auch n-phasige Spannungsausgänge denkbar sind, mit n als Element der Menge N der natürlichen Zahlen. Zwischen jeweils einem der Gleichrichter 46a und jeweils einem der Wechselrichter 48a ist ein Verbraucherzwischenkreis 50a angeordnet. Die Verbraucherzwischenkreise 50a sind folglich zum Führen von Gleichstrom vorbereitet.
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Die Speisung der Bordnetzeinheit 22a mit Betriebsenergie erfolgt am Spannungseingang 32a, insbesondere ausgehend von einem Traktionszwischenkreis 16 (siehe 1) des Schienenfahrzeugs 2. Der Mittelfrequenzwechselrichter 18a wandelt die am Spannungseingang 32a anliegende Gleichspannung in eine Wechselspannung und speist diese in die Primärwicklung 42a der Mittelfrequenztransformatoreinheit 34a ein.
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Die Mittelfrequenztransformatoreinheit 34a stellt eine galvanische Trennung zwischen dem primärseitig angeordneten Spannungseingang 32a und sekundärseitig angeordneten Spannungsausgängen 28a der Bordnetzeinheit 22a her. Ferner setzt die Mittelfrequenztransformatoreinheit 34a eine primärseitig anliegende Wechselspannung mit gegebener Amplitude und Frequenz in eine Wechselspannung gleicher Frequenz und – nicht notwendigerweise – verschiedener Amplitude um.
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Sekundärseitig erfolgt die Speisung der Spannungsausgänge 28a mittelbar aus der an den Sekundärwicklungen 44a anliegenden Wechselspannung, über die in Reihe zwischengeschalteten Gleichrichter 46a und Wechselrichter 48a. Von besonderem Vorteil, insbesondere hinsichtlich der Anforderungen an die elektromagnetischen Verträglichkeit und die Spannungsqualität der Bordnetzenergieversorgung, ist, dass die Spannungsausgänge 28a aus mehreren Verbraucherzwischenkreisen 50a gespeist werden. Außerdem etabliert die gezeigte Anordnung mehrerer Sekundärwicklungen 44a eine galvanische Trennung der Spannungsausgänge 28a, die im Falle eines ungewollten Erd- und/oder Kurzschlusses an einem der Spannungsausgänge 28a eine Rückwirkungsfreiheit auf die weiteren Spannungsausgänge 28a sicherstellt.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Bordnetzeinheit 22b ist in 3 dargestellt. Die Beschreibungen nachfolgender Ausführungsbeispiele beschränken sich generell im Wesentlichen auf die Unterschiede zu dem Ausführungsbeispiel aus 2, auf das bezüglich gleich bleibender Merkmale und Funktionen verwiesen wird. Im Wesentlichen gleich bleibende Bauteile sind grundsätzlich mit den gleichen Bezugszeichen beziffert und nicht erwähnte Merkmale sind in den folgenden Ausführungsbeispielen übernommen, ohne dass sie erneut beschrieben sind.
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Die Bordnetzeinheit 22b in 3 umfasst unter anderem zwei Mittelfrequenzwechselrichter 18, eine Trenneinheit 24b, mehrere Spannungsausgänge 28b, 28c und zwei Spannungseingänge 32b. Generell muss die Anzahl der Spannungseingänge 32b und der Mittelfrequenzwechselrichter 18b selbstverständlich nicht auf lediglich jeweils zwei beschränkt sein. Durch die primärseitige Anordnung von mehr als einem Mittelfrequenzwechselrichter 18b wird vorteilhafterweise eine gesteigerte Verfügbarkeit der Energieversorgung der Stromverbraucher 30 erreicht.
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Die Trenneinheit 24b weist eine Mittelfrequenztransformatoreinheit 34b mit einer Primärseite 36b und einer Sekundärseite 38b und einen Transformatorkern 40b auf.
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Auf der Primärseite 36b der Mittelfrequenztransformatoreinheit 34b sind die Mittelfrequenzphasen 26b jeweils mit einem Schaltmittel 52 ausgestattet, das zum Verbinden und/oder Trennen des jeweiligen Mittelfrequenzwechselrichters 18b von der jeweiligen Primärwicklung 42b vorbereitet ist. Durch die Anordnung der Schaltmittel 52 ergeben sich vier betriebsrelevante Schaltzustände:
In einem Schaltzustand ist das obere der Schaltmittel 52 geschlossen und das untere der Schaltmittel 52 geöffnet. Folglich ist der obere der beiden Mittelfrequenzwechselrichter 18b mit der Primärseite 36b der Mittelfrequenztransformatoreinheit 34b verbunden, zu deren Speisung mit Primärenergie.
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In einem weiteren Schaltzustand ist das obere der Schaltmittel 52 geöffnet und das untere der Schaltmittel 52 geschlossen, so dass der untere der beiden Mittelfrequenzwechselrichter 18b mit der Primärseite 36b der Mittelfrequenztransformatoreinheit 34b verbunden ist, zu deren Speisung mit Primärenergie.
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In einem weiteren Schaltzustand sind sowohl das untere Schaltmittel 52 als auch das obere Schaltmittel 52 geschlossen, derart, dass beide Mittelfrequenzwechselrichter 18b mit der Primärseite 36b der Mittelfrequenztransformatoreinheit 34b verbunden sind, zu deren gemeinsamer Speisung mit Primärenergie.
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In einem weiteren Schaltzustand sind sowohl das untere Schaltmittel 52 als auch das obere Schaltmittel 52 geöffnet, derart, dass beide Mittelfrequenzwechselrichter 18b von der Primärseite 36b der Mittelfrequenztransformatoreinheit 34b getrennt sind. In diesem Betriebszustand können die sekundärseitigen Stromverbraucher 30 unabhängig von der Primärseite 36b untereinander Energie austauschen. Dies kann z.B. bei einer Fremdeinspeisung über einen der Gleichrichter 46b erfolgen.
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Durch die Anordnung der Schaltmittel 52 ergeben sich insbesondere Vorteile im Falle eines Defektes einer der Mittelfrequenzwechselrichter 18b. D.h. negative Auswirkungen eines ungewollten Erd- und/oder Kurzschlusses in einem der Mittelfrequenzwechselrichter 18b auf die Funktion der Mittelfrequenztransformatoreinheit 34b können vorteilhafterweise begrenzt werden.
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Auf der Sekundärseite 38b der Mittelfrequenztransformatoreinheit 34b sind die Wechselspannungsphasen der jeweiligen Gleichrichter 46b jeweils mit einem Schaltmittel 54 ausgestattet. Das Schaltmittel 54 ist zum Verbinden und/oder Trennen des Gleichrichters 46b und eines Wechselstromumrichter 62 von der jeweiligen Sekundärwicklung 44b bzw. 45 vorbereitet.
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Während des störungsfreien Betriebes sind die Schaltmittel 54 üblicherweise in geschlossener Stellung, so dass alle Spannungsausgänge 28b, 28c mit der Mittelfrequenztransformatoreinheit 34b verbunden sind. Durch die derartige Anordnung der Schaltmittel 54 in der Bordnetzeinheit 22b kann im Falle eines ungewollten Defektes an einem der sekundärseitig den Schaltmitteln 54 nachgeschalteten elektrischen und/oder elektronischen Bauelemente und/oder Stromverbraucher 30 eine Rückwirkungsfreiheit auf die Sekundärseite 38b, also auf die gesamten Mittelfrequenztransformatoreinheit 34b, erreicht werden.
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Sekundärseitig in Reihenschaltung zu den jeweiligen Wechselrichtern 48b ist jeweils eine LC-Filtereinheit 56 mit einer Induktivitäteneinheit 58 und einer Kondensatoreinheit 60 angeordnet. Die LC-Filtereinheiten 56 sind dazu vorbereitet, die Ausgangspannungen der jeweiligen Wechselrichter 48b bzw. des Wechselstromumrichters 62 zu filtern. So kann auf besonders einfache Weise die Spannungsqualität, insbesondere die Spannungsglattheit, der Bordnetzenergieversorgung vorteilhaft reguliert werden. Vorteilhafterweise resultiert durch die gegebene Potenzialtrennung der Spannungsausgänge 28 ein reduzierter Filteraufwand, so dass die LC-Filtereinheiten 56 dementsprechend aufwandsoptimiert ausgestattet werden können.
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Weiterhin auf der Sekundärseite 38b der Mittelfrequenztransformatoreinheit 34b ist der Wechselstromumrichter 62 angeordnet, wobei eine der Wechselstromphasen des Wechselstromumrichters 62 über eines der Schaltmittel 54 an eine Sekundärwicklung 45 angeschlossen ist. Der Wechselstromumrichter 62 ist in 3 aus Gründen der Einfachheit als generisches Stellgliedsymbol dargestellt, das als Platzhalter für insbesondere entweder einen Matrix-Umrichter oder einen modularen Direkt-Umrichter zu verstehen ist. Der generische Wechselstromumrichter 62 ist dazu vorbereitet Einphasen-Wechselstrom, wie hier dargestellt, in Dreiphasen-Wechselstrom – generell auch in n-Phasen-Wechselstrom – umzuwandeln.
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Der generische Wechselstromumrichter 62 ist außerdem dazu vorbereitet, die Amplitude, die Frequenz und bei Bedarf – im Ausführungsbeispiel in 3 jedoch nicht dargestellt – auch die Phasenanzahl der Ausgangspannung zu verändern. Durch diese Anordnung des generischen Wechselstromumrichters 62 in der Bordnetzeinheit 22b kann eine besonders variable und bauraumökonomische Energieversorgung der Stromverbraucher 30 über die Spannungsausgänge 28d erreicht werden.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Bordnetzeinheit 22c ist in 4 dargestellt. Die Bordnetzeinheit 22c umfasst unter anderem einen Mittelfrequenzwechselrichter 18c, eine Trenneinheit 24c, mehrere Spannungsausgänge 28d und einen Spannungseingang 32c.
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Die Trenneinheit 24c weist einem mehrteiligen Transformatorkern 40c auf. Der Transformatorkern 40c ist mehrteilig ausgeführt, so dass mehrere Teile, die für sich genommen zur Funktion als Transformatorkern vorbereitet sind, den Transformatorkern 40c der Mittelfrequenztransformatoreinheit 34c bilden. Vorteilhafterweise kann durch die vollständige sekundärseitige Entkopplung der einzelnen Spannungsausgänge 28f eine erhöhte elektromagnetische Verträglichkeit der Bordnetzeinheit 22c erzielt werden.
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Die Mittelfrequenztransformatoreinheit 34c kann in diesem Zusammenhang als aus mehreren Einheiten bzw. Mittelfrequenztransformatoren 35a–c zusammengesetzt bzw. zusammensetzbar verstanden werden. An der Primärseite 36c der Mittelfrequenztransformatoreinheit 34c sind mehrere Primärwicklungen 42c angeordnet. Die Primärwicklungen 42c sind in einer Parallelschaltung angeordnet und zur Speisung durch den Mittelfrequenzwechselrichter 18c vorbereitet und an diesen elektrisch leitend angeschlossen.
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Alternativ ist es auch möglich, dass die Bordnetzeinheit 22c mehr als einen Mittelfrequenzwechselrichter 18c zur Speisung der parallel geschalteten Primärwicklungen 42c aufweist.
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Zur Erläuterung der verbleibenden Bauteile und Merkmale der Bordnetzeinheit 22c, die sich im Wesentlichen nicht grundsätzlich von denen der vorangegangenen Ausführungsbeispiele unterscheiden, wird aus Gründen der Vollständigkeit auf die Beschreibungen der 2 und 3 verwiesen.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Bordnetzeinheit 22d ist in 5 dargestellt. Unter anderem weist die Bordnetzeinheit 22d zwei Mittelfrequenzwechselrichter 18d, eine Trenneinheit 24d, mehrere Spannungsausgänge 28e und zwei Spannungseingänge 32d.
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Die Trenneinheit 24d weist eine Mittelfrequenztransformatoreinheit 34d mit drei Mittelfrequenztransformatoren 35d–f auf. Jeder der drei Mittelfrequenztransformatoren 35d–f ist primärseitig mit jeweils zwei Primärwicklungen 42d und sekundärseitig mit jeweils einer Sekundärwicklung 44d ausgestattet.
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Jede der Primärwicklungen 42d eines jeden der Mittelfrequenztransformatoren 35d–f ist mit jeweils einer einzigen der Primärwicklungen 42d eines jeden anderen Mittelfrequenztransformators 35d–f parallel geschaltet und mit einem der Mittelfrequenzwechselrichter 18d verbunden. Durch diese Ausführungsvariante lässt sich auf besonders einfache Weise eine hohe primärseitige Redundanz der Speisung der Mittelfrequenztransformatoren 35d–f erreichen.
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Zur Erläuterung der verbleibenden Bauteile und Merkmale der Bordnetzeinheit 22d, die sich im Wesentlichen nicht grundsätzlich von denen der vorangegangenen Ausführungsbeispiele unterscheiden, wird aus Gründen der Vollständigkeit auf die Beschreibungen der vorangegangenen FIGen verwiesen.
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In 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Bordnetzeinheit 22e dargestellt. Die Bordnetzeinheit 22e weist unter anderem zwei Mittelfrequenzwechselrichter 18e, eine Trenneinheit 24e, mehrere Spannungsausgänge 28f und zwei Spannungseingänge 32e auf.
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Die Trenneinheit 24e weist eine Mittelfrequenztransformatoreinheit 34e mit zwei Mittelfrequenztransformatoren 35g und 35h auf. Jeder der zwei Mittelfrequenztransformatoren 35g und 35f ist primärseitig mit jeweils einer Primärwicklung 42e und sekundärseitig mit jeweils zwei Sekundärwicklungen 44e ausgestattet.
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Jede der Sekundärwicklungen 44e eines jeden der Mittelfrequenztransformatoren 35g und 35h ist mit jeweils einer einzigen der Sekundärwicklungen 44e des anderen Mittelfrequenztransformators 35g oder 35h parallel geschaltet und mit einem einzigen der Gleichrichter 46e verbunden. Durch diese Ausführungsvariante lässt sich auf besonders einfache Weise eine hohe Redundanz der Speisung der Gleichrichter 46e und damit der Stromverbraucher 30 (siehe 1) erreichen.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Bordnetzeinheit 22f ist in 7 dargestellt. Die Bordnetzeinheit 22f ist in Teilen gemäß dem Ausführungsbeispiel aus 2 ausgeführt und weist als Erweiterung sekundärseitige Entkopplungsdrosseln 64 auf.
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Die Entkopplungsdrosseln 64 sind in Reihe zu den Sekundärwicklungen 44f der Mittelfrequenztransformatoreinheit 34f angeordnet. Jeweils eine der Entkopplungsdrosseln 64 ist an jeweils einer der Wechselstromphasen der Gleichrichter 46f angeordnet. Durch diese Anordnung der Entkopplungsdrosseln 64 können sekundärseitige Leistungsflüsse zwischen den einzelnen sekundärseitigen Spannungsausgängen 28g in besonders einfacher Weise bedämpft bzw. zum Ausgleich gebracht werden. Besonders einfach lassen sich so mögliche negative Auswirkungen ungewolltes sekundärseitiger Spannungsschwankungen beschränken.
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In 8 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Bordnetzeinheit 22g dargestellt. Die Bordnetzeinheit 22g weist als Erweiterung zu dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel eine dreiphasige Ausführung 66 der Mittelfrequenzphase 26g bzw. des Mittelfrequenzwechselrichter 18g, der Trenneinheit 24g bzw. der Mittelfrequenztransformatoreinheit 34g und der Verbraucherzwischenkreise 50g auf. Selbstverständlich ist es auch möglich, dass nur eine Untermenge der genannten elektrischen bzw. elektronischen Elemente der Bordnetzeinheit 22g dreiphasig ausgeführt ist, wobei andere Elemente der Bordnetzeinheit 22h ein-, zwei- oder n-phasig ausgeführt sein können.
