DE1438773B2 - - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf ein wahlweise aus gemäß dadurch gelöst, daß mehrere Gruppen von einer Wechselstrom- oder Gleichstromfahrleitung jeweils mindestens einem Wechselrichter vorgesehen speisbares elektrisches Triebfahrzeug mit Gleich- sind, daß jeder Gruppe ein eigener Wechselrichterstrom-Fahrmotoren, die bei Betrieb des Triebfahr- Transformator mit nachgeschalteter, halbgesteuerter zeuges aus einer Gleichstromfahrleitung über selbst- 5 Gleichrichterbrückenschaltung zugeordnet ist, daß geführte Wechselrichter und nachgeschaltete, Steuer- die Steuerfrequenz der Wechselrichtergruppen bare Gleichrichter gespeist werden unter Zwischen- wesentlich höher als 50 Hz liegt, für alle Wechselschaltung von Wechselrichter-Transformatoren, deren richtergruppen gleich ist und daß die Steuerung der Primärwicklungen jeweils einem Wechselrichter und Wechselrichtergruppen mit untereinander unverderen Sekundärwicklungen jeweils einer Gleich- io änderlicher Phasenverschiebung erfolgt und daß richterschaltung zugeordnet sind, wie es z. B. in der zwischen der Gleichstromfahrleitung und den deutschen Patentschrift 646 531 beschrieben ist. Wechselrichtergruppen jeweils ein Tiefpaßglied an-

AIs zur Speisung von Gleichstrom-Fahrmotoren geordnet ist. Wenn zwei Wechselrichtergruppen zum elektrischer Triebfahrzeuge besonders geeignet sind Einsatz kommen, wird man einen Phasenversatz von bereits sogenannte halbgesteuerte zweiphasige Gleich- 15 90° wählen. Bei drei Wechselrichtergruppen kommt richterbrückenschaltungen beschrieben worden (Elek- ein Phasenversatz von 60° in Frage usf.
trische Bahnen, 1962, S. 137 und 138). Dabei war Die Verwendung der höheren Frequenz, beispielszunächst an einen Betrieb an einer Wechselstrom- weise 400 bis 1000 Hz, vermindert das Gewicht der fahrleitung gedacht. Die jeweilige halbgesteuerte Transformatoren und den Glättungsaufwand (d. h. Gleichrichterbrückenschaltung enthält zwei Steuer- 20 den Aufwand an Drosseln und Kondensatoren des bare Ventile und zwei ungesteuerte Ventile (Dioden). Tiefpaßgliedes) zur Verminderung des Störstromes. Bei der symmetrischen Ausführung dieser Brücken- Letzterer wäre bei Verwendung einer der Normalschaltung liegen die beiden steuerbaren Ventile ge- frequenzen (16 ²Iz Hz, 50 Hz, 60Hz) unzulässig groß, meinsam an einem Gleichspannungspol. Bei der Durch die Verwendung mehrerer mit untereinander unsymmetrischen Ausführung liegen dagegen die 25 festem Phasenversatz gesteuerter Wechselrichterbeiden steuerbaren Ventile an einem Anschluß der gruppen wird die Frequenz des dem Fahrleitungs-Wechselstromeinspeisung. Die letztgenannte Ausfüh- Gleichstrom überlagerten Wechselstromes nochmals rungsform hat den Vorteil, daß die ungesteuerten vervielfacht und die Amplitude etwa im gleichen Ventile stärker belastet werden, während gleichzeitig Verhältnis vermindert. Dies bringt nochmals eine die teueren und empfindlicheren steuerbaren Ventile 30 wesentliche Minderung des Glättungsaufwandes, d. h. entlastet werden. Beiden Ausführungsformen der Gewichts- und Kostenersparnis, bei tragbarem Störhalbgesteuerten Brückenschaltung ist eine erhebliche strom.

Ersparnis an Blindleistungsbedarf zu eigen. Dieser Mit geringen Abwandlungen läßt sich das neue verringerte Blindleistungsbedarf wirkt sich vorteil- Triebfahrzeug im grenzüberschreitenden Verkehr, haft auf die Dimensionierung weiterer Bauelemente 35 d. h. an Bahnnetzen verschiedener Spannung und aus, so daß insbesondere das Gewicht der elektri- Frequenz, verwenden. Insbesondere sind Gleichsehen Ausrüstung niedriger wird. Spannungsnetze 3 kV und 1,5 kV sowie Wechsel-

Es ist sicher vorteilhaft, auch bei einem Trieb- Spannungsnetze 25 kV, 50 Hz und 15 kV, 16²/3 Hz

fahrzeug der eingangs genannten Art als Gleich- in Betracht zu ziehen.

richterschaltung eine derartige halbgesteuerte Gleich- 40 Ein Ausführungsbeispiel der vorstehend genannten richterbrückenschaltung zu verwenden. Es sind dann Erfindung mit weiteren in den Unteransprüchen geaber immer noch folgende Schwierigkeiten zu be- nannten Merkmalen sei an Hand der Figuren erachten: läutert.

Dem Fahrleitungsgleichstrom überlagert sich ein F i g. 1 zeigt im Prinzipschaltbild ein Ausführungs-Wechselstrom, dessen Grundfrequenz die doppelte 45 beispiel eines zunächst nur von einer Gleichstrom-Wechselrichterfrequenz ist. Dieser Wechselstrom fahrleitung speisbaren Triebfahrzeuges;
würde bei einer vollgesteuerten Gleichrichterbrücken- F i g. 2 dient der Erläuterung einer Weiterbildung, schaltung den Fahrleitungsstrom zeitweise negativ mit Hilfe derer das Triebfahrzeug auch von einer werden lassen, was bei einer Gleichrichterspeisung Wechselstromfahrleitung aus speisbar ist.
der Fahrleitung zu Schwierigkeiten führt bzw. unter 50 In F i g. 1 sollen Fahrmotoren 4 bis 7 aus einer Umständen sogar unmöglich ist. Bei der halb- Gleichstromfahrleitung 1 mit Hilfe geeigneter Stromgesteuerten Gleichrichterbrückenschaltung sind die abnehmer 2 über einen Hauptschalter 3 gespeist Verhältnisse zwar günstiger. Der Gleichstrom wird werden. Den Fahrmotoren 4 bis 7 sind Schutzschaljedoch zeitweise bis auf Null vermindert. Da die ter 8 bis 11 zugeordnet. Die Fahrmotoren 4 und 5 Fahrleitungsspannung bei Gleichstrombahnen etwa 55 sind an die Gleichstromseite einer zweiphasigen um den Faktor 10 niedriger liegt als bei Wechsel- Gleichrichterbrückenschaltung 12 angeschlossen. Entstrombahnen, sind die Ströme um den Faktor 10 sprechend sind die Fahrmotoren 6 und 7 an die höher, die Wirkung der Fahrleitungsinduktivität im Gleichstromseite einer zweiphasigen Gleichrichter-Quadrat dieses Faktors unangenehmer und die Stör- brückenschaltung 17 angeschlossen. Die Gleichwirkung auf benachbarte bzw. parallel geführte 60 richterbrückenschaltungen 12 und 17 sind unsym-Fernmelde- und Signalleitungen, der sogenannte metrisch halbgesteuert aufgebaut. Sie enthalten frequenzbewertete Störstrom (ETZ 1940, S. 422 bis steuerbare Ventile 13, 14 bzw. 18, 19 und Dioden 426), völlig untragbar. 15, 16 bzw. 20, 21. Die steuerbaren Ventile 13, 14

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den bzw. 18, 19 liegen an dem einen Wechselspannungs-

dem Fahrleitungsgleichstrom überlagerten Wechsel- 65 anschluß und die Dioden 15, 16 bzw. 20, 21 liegen

strom möglichst weitgehend zu mindern. an dem anderen Wechselspannungsanschluß der je-

Diesc Aufgabe wird, ausgehend von einem Trieb- weiligen Gleichrichtcrbrückenschaltung 12 bzw. 17.

fahrzeug der eingangs genannten Art. erfindungs- Als steuerbare Ventile und Dioden kommen ebenso

wie bei den noch zu beschreibenden Wechselrichtern in erster Linie Halbleiterventile in Frage.

Die Wechselstromeinspeisung der Gleichrichterbrückenschaltung 12 erfolgt von der Sekundärwicklung 29 eines Wechselrichtertransformators 26 aus. Letzterer besitzt zwei Primärwicklungen 27 und 28. Die Primärwicklung 27 liegt an den Ausgangsklemmen eines selbstgeführten Wechselrichters 22, während die Primärwicklung 28 an den Ausgangsklemmen eines selbstgeführten Wechselrichters 23 liegt. Mit Hilfe einer nicht dargestellten Steuereinrichtung erfolgt die Steuerung der Wechselrichter 22 und 23, die eine Wechselrichtergruppe bilden, frequenz- und phasengleich.

In entsprechender Weise ist der Gleichrichterbrückenschaltung 17 eine Wechselrichtergruppe zugeordnet. Diese Wechselrichtergruppe besteht aus den selbstgeführten Wechselrichtern 24 und 25 sowie dem Wechselrichtertransformator 30. Letzterer besitzt zwei Primärwicklungen 31 und 32 sowie eine mit den Wechselspannungsanschlüssen der Gleichrichterbrückenschaltung 17 verbundene Sekundärwicklung 33.

Die vier Wechselrichter 22 bis 25 sind in gleicher Weise aufgebaut. Beispielsweise enthält der Wechselrichter 22 steuerbare Ventile 51 bis 54, die jeweils wieder aus parallel- und/oder in Reihe geschalteten Teilventilen bestehen können. Der Wechselrichter 22 enthält weiterhin einen Kommutierungskondensator 55 und eine Kommutierungsdrossel 56. Letztere ist zur Sicherstellung einer Abmagnetisierung mit einer Sekundärwicklung 57 versehen, die mit einer Diode 58 in Reihe geschaltet an die den Wechselrichter 22 speisende Gleichspannung angeschlossen ist. Damit der Wechselrichter 22 Magnetisierungsleistung für den Wechselrichtertransformator 26 aufbringen kann, wird der Kommutierungskondensator 55 entsprechend überbemessen.

Je nach der Höhe der Gleichspannung der Fahrleitung 1 sind die Wechselrichter jeder Gruppe untereinander in Reihe oder parallel zu schalten. Beispielsweise sind die Wechselrichter 22 und 23 bzw. 24 und 25 bei einer Gleichspannung von 1,5 kV mit Hilfe von Schaltern 43 bis 46 parallel geschaltet, wie es in der F i g. 1 gezeigt ist. Bei einer Gleichspannung in Höhe von 3 kV werden die Wechselrichter 22 und 23 bzw. 24 und 25 in Reihe geschaltet, indem die Schalter 43 bis 46 geöffnet und die Schalter 47 und 48 geschlossen werden. Mit Hilfe der Trennschalter 38 und 39 wird ermöglicht, daß bei einer Störung in der einen oder der anderen Stromrichtergruppe entweder mit den Fahrmotoren 4 und 5 oder den Fahrmotoren 6 und 7 ein Notbetrieb erfolgen kann. Das Triebfahrzeug kann somit trotz Störung mit eigener Kraft die nächste Reparaturstation erreichen.

Durch einen Phasenversatz in der Steuerung der beiden Wechselrichtergruppen 22, 23 und 24, 25 wird erreicht, daß Oberwellen und Überspannungen an der Fahrleitung 1 stark gemindert werden. Da in dem Ausführungsbeispiel zwei Wechselrichtergruppen vorhanden sind, kommt ein Phasenversatz von 90° der zu erzeugenden Wechselspannungen und damit der entsprechenden Steuerimpulse in Frage. Die für die jeweilige Gleichrichterbrückenschaltung 12 bzw. 17 bestimmten Steuerimpulse sind auf die Phasenlage der an der jeweiligen Transformatorsekundärwicklung 29 bzw. 33 abgenommenen Spannung zu beziehen. Damit ist die Phasenlage der Steuerimpulse der jeweiligen Gleichrichterbrückenschaltung 12 bzw. 17 der Phasenlage der Steuerimpulse der zugehörigen Wechselrichtergruppe zugeordnet. Zur Verstellung der an den Fahrmotoren 4 bis 7 liegenden Gleichspannung wird dann die Phasenlage der Steuerimpulse der Gleichrichterbrückenschaltungen 12 und 17 bzw. der steuerbaren Ventile 13, 14, 18 und 19 in der Regel im gleichen Maße verändert. In den Wechselrichtern erfolgt in an sich bekannter Weise die Steuerung der steuerbaren Ventile 51 und 54 mit 180° Phasenverschiebung gegenüber der Steuerung der steuerbaren Ventile 52 und 53. Die Steuerung erfolgt nach Art eines Gegentaktwechselrichters. Den steuerbaren Ventilen 13 und 18 der Gleichrichterbrückenschaltungen 12 und 17 werden Steuerimpulse mit 180° Phasenverschiebung gegenüber den Steuerimpulsen der steuerbaren Ventile 14 und 19 zugeführt. Dies ist dadurch bedingt, daß zweiphasige Gleichrichterbrückenschaltungen vorliegen.

Zur weiteren Siebung und Glättung ist zwischen den Eingängen der Wechselrichter 22 bis 25 und der Gleichstromfahrleitung 1 ein durch zusätzliche Induktivitäten und Kapazitäten gebildetes Tiefpaßglied angeordnet. Als zusätzliche Kapazitäten sind vorzugsweise Kondensatoren vorgesehen. Die mit 34 bis 37 bezeichneten Kondensatoren liegen parallel zu den Eingangskreisen der Wechselrichter 22 bis 25. Diese Kondensatoren werden demgemäß gemeinsam mit den Wechselrichtern 22 bis 25 in Reihe bzw. parallel geschaltet. Eine zusätzliche Induktivität 40 ist zwischen die Kondensatoren 34 bis 37 und die Fahrleitung 1 geschaltet. Die zusätzliche Induktivität 40 enthält zwei Teilwicklungen 41 und 42. Letztere sind gemeinsam mit den Wechselrichtern 22 bis 25 in Reihe oder parallel zu schalten. Hierzu dienen Umschaltkontakte 49, 59 und 50. Die Kontakte 49 und 59 sind gemeinsam mit den Kontakten 43 bis 46 geschlossen bzw. geöffnet. Der Kontakt 50 ist gemeinsam mit den Kontakten 47 und 48 geöffnet bzw. geschlossen.

Für den Fall, daß das Triebfahrzeug gemäß dem in F i g. 1 prinzipmäßig dargestellten Ausführungsbeispiel auch an einer Wechselstromfahrleitung betreibbar sein soll, wird ein zusätzlicher Niederfrequenztransformator vorgesehen. Dies soll im Zusammenhang mit der F i g. 2 erläutert werden.

In F i g. 2 ist der zusätzliche Niederfrequenztransformator mit 60 bezeichnet. Die erforderlichen Umschalteinrichtungen sind nicht näher dargestellt. Es ist hervorzuheben, daß die Wechselrichter 22 bis 25 bei einem Betrieb aus einer Wechselstromfahrleitung abgeschaltet sind. Statt dessen werden die Gleichrichterbrückenschaltungen 12 und 17 von Sekundärwicklungen 61 und 62 des Niederfrequenztransformators 60 gespeist. Beispielsweise tritt die Sekundärwicklung 61 an die Stelle der Sekundärwicklung 29 des Wechselrichtertransformators 26 und die Sekundärwicklung

62 an die Stelle der Sekundärwicklung 33 des Wechselrichtertransformators 30. Die Klemmen 66 und 64 der Primärwicklung 63 des Niederfrequenztransformators 60 werden bei einer 50-Hz-Wechselspannung von 25 kV der Fahrleitung 1 verwendet. Dagegen kommen die Klemmen 64 und 65 der Primärwicklung

63 bei einer 16-7:i-Hz-Wechsclspannung in Höhe von 15 kV für die Einspeisung in Betracht. Die Klemme

64 wird dabei an Erdpotential zu legen sein. Unter den genannten Netzbedingungen wird der Niederfrequenztransformator 60 für 16-Ai Hz auszulegen sein. Im Gegensatz zu den Wechsclrichtcrtransformatoren

und 30 ist beim Niederfrequenztransformator 60 kein besonderer Wert auf die Frage der Wahl des Kernmaterials zu legen.

Während eines Betriebes an einer Gleichstromfahrleitung kann der Niederfrequenztransformator 60 zur Bildung der zusätzlichen Induktivität 40 herangezogen werden. Die Sekundärwicklungen 61 und 62 ersetzen dann die Teilwicklungen 41 und 42 der Induktivität 40. Die freie Primärwicklung 63 des Niederfrequenztransformators 60 wird mit Hilfe eines Kontaktes 67 kurzgeschlossen.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Wahlweise aus einer Wechselstrom- oder Gleichstromfahrleitung speisbares elektrisches Triebfahrzeug mit Gleichstrom-Fahrmotoren, die bei Betrieb des Triebfahrzeuges aus einer Gleichstromfahrleitung über selbstgeführte Wechselrichter und nachgeschaltete, steuerbare Gleichrichter gespeist werden unter Zwischenschaltung von Wechselrichter-Transformatoren, deren Primärwicklungen jeweils einem Wechselrichter und deren Sekundärwicklungen jeweils einer Gleichrichterschaltung zugeordnet sind, dadurchgekennzeichnet, daß mehrere Gruppen von jeweils mindestens einem Wechselrichter (22 bis 25) vorgesehen sind, daß jeder Gruppe ein eigener Wechselrichter-Transformator (26, 30) mit nachgeschalteter, halbgesteuerter Gleichrichterbrükkenschaltung (12, 17) zugeordnet ist, daß die Steuerfrequenz der Wechselrichtergruppen wesentlich höher als 50 Hz liegt, für alle Wechselrichtergruppen gleich ist und daß die Steuerung der Wechselrichtergruppen mit untereinander unveränderlicher Phasenverschiebung erfolgt und daß zwischen der Gleichstromfahrleitung (1) und den Wechselrichtergruppen (22 bis 25) jeweils ein Tiefpaßglied angeordnet ist.

2. Elektrisches Triebfahrzeug nach Anspruch 1 mit mehreren Wechselrichtern je Wechselrichtergruppe, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselrichter (22, 23 bzw. 24, 25) jeder Wechselrichtergruppe entsprechend der Höhe der Gleichspannung der Gleichstromfahrleitung (1) wahlweise auf gegenseitige Reihen- oder Parallelschaltung umschaltbar sind.

3. Elektrisches Triebfahrzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Tiefpaßglied durch parallel zu den Eingängen der Wechselrichter (22 bis 25) angeschlossene Kondensatoren (34 bis 37) und durch eine zwischen die Gleichstromfahrleitung (1) und die Kondensatoren (34 bis 37) geschaltete zusätzliche Induktivität (40) gebildet ist.

4. Elektrisches Triebfahrzeug nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Induktivität (40) zwei Teilwicklungen (41, 42) aufweist, die gemeinsam mit den Wechselrichtern (22 bis 25) auf gegenseitige Reihen- oder Parallelschaltung umschaltbar sind.

5. Elektrisches Triebfahrzeug nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für einen Betrieb des Triebfahrzeuges aus einer Wechselstromfahrleitung zusätzlich ein üblicher Niederfrequenztransformator (60) vorgesehen ist, an dessen Sekundärwicklungen (61, 62) die Gleichrichterbrückenschaltungen (12, 17) anschließbar sind (F i g. 2).

6. Elektrisches Triebfahrzeug nach den Ansprüchen 3 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß für einen Betrieb des Triebfahrzeuges aus einer Gleichstromfahrleitung (1) zur Bildung der zusätzlichen Induktivität die Sekundärwicklungen (61, 62) des zusätzlichen Niederfrequenztransformators (60) in die Zuleitungen zu den Kondensatoren (34 bis 37) einschaltbar sind, wobei die hierbei freie Primärwicklung (63) des Niederfrequenztransformators (60) kurzgeschlossen ist (F i g. 2).

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen