DE1438773C - Wahlweise aus einer Wechselstrom oder Gleichstromfahrleitung speisbares elektn sches Triebfahrzeug mit Gleichstrom Fahrmotoren - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein 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, wie es z. B. in der deutschen Patentschrift 646 531 beschrieben ist.

Als zur Speisung von Gleichstrom-Fahrmotoren elektrischer Triebfahrzeuge besonders geeignet sind bereits sogenannte halbgesteuerte zweiphasige Gleichrichterbrückenschaltungen beschrieben worden (Elektrische Bahnen, 1962, S. 137 und L38). Dabei war zunächst an einen Betrieb an einer Wechselstromfahrleitung gedacht. Die jeweilige halbgcsteuerte Gleiehrichterbrückenschaltiing enthält zwei steuerbare Ventile und zwei ungesteuerte Ventile (Dioden). Bei der symmetrischen Ausführung dieser Brückenschaltung liegen die beiden steuerbaren Ventile gemeinsam an einem Gleichspannungspol. Bei der unsymmetrischen Ausführung liegen dagegen die beiden steuerbaren Ventile an einem Anschluß der Wechselstromeinspeisimg. Die letztgenannte Ausführungsform hat den Vorteil, daß die ungesteuerten Ventile stärker belastet werden, während gleichzeitig die teueren und empfindlicheren steuerbaren Ventile entlastet werden. Beiden Ausführungsformen der halbgesteuerten Brückenschaltung ist eine erhebliche Ersparnis an Blindleistungsbedarf zu eigen. Dieser verringerte Blindleistungsbedarf wirkt sich vorteilhaft auf die Dimensionicrung weiterer Bauelemente aus, so daß insbesondere das Gewicht der elektrischen Ausrüstung niedriger wird.

Es ist sicher vorteilhaft, auch bei einem Triebfahrzeug der eingangs genannten Art als Gleichrichterschaltung eine derartige halbgesteuerte Gleiehrichterbrückenschaltiing zu verwenden. Es sind dann aber immer noch folgende Schwierigkeiten zu beachten:

Dem Fahrleitungsgleichstrom überlagert sich ein Wechselstrom, dessen Grundfrequenz die doppelte Wechselrichterfrequenz ist. Dieser Wechselstrom würde bei einer vollgesteuerten Gleichrichterbrückenschaltung den Fahrleitungsstrom zeitweise negativ werden lassen, was bei einer Gleichrichterspeisung der Fahrleitung zu Schwierigkeiten führt bzw. unter Umständen sogar unmöglich ist. Bei der halbgesteuerten Gleichrichterbriickenschaltung sind die Verhältnisse zwar günstiger. Der Gleichstrom wird jedoch zeitweise bis auf Null vermindert. Da die Fahrlcitungsspannung bei Gleichstrotnbahnen etwa um den Faktor K) niedriger liegt als bei Wechselstrombahnen, sind die Ströme um den Faktor K) höher, die Wirkung der Fahrleitungsinduktivität im Quadrat dieses Faktors unangenehmer und die Störwirkung auf benachbarte bzw. parallel geführte Fernmelde- und Signalleitungen, der sogenannte frequenzbewertete Störstrom (ΠΤΖ 1940, S. 422 bis 426), völlig untragbar.

Der Krliiidung liegt die Aufgabe zugrunde, ikn dem Fahrleitimgsgleichstrom überlagerten Wechselstrom möglichst weitgehend /ti mindern.

Diese Aufgabe wird, ausgehend von einem Triebfahrzeug der eingangs genannten Art, erlindtingsgemäß dadurch gelöst, daß mehrere Gruppen von jeweils mindestens einem Wechselrichter vorgesehen sind, daß jeder Gruppe ein eigener Wechselrichter-Transformator mit nachgeschalteter, halbgesteuerter Gleichrichterbrückenschaltung 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 und den Wechselrichtergruppen jeweils ein Tiefpaßglied angeordnet ist. Wenn zwei Wechselrichtergruppen zum Einsatz kommen, wird man einen Phasenversatz von 90° wählen. Bei drei Wechselrichtergruppen kommt ein Phasenversatz von 60° in Frage usf.

Die Verwendung der höheren Frequenz, beispielsweise 400 bis 1000 Hz, vermindert das Gewicht der Transformatoren und den Glättungsaufwand (d. h.

den Aufwand an Drosseln und Kondensatoren des Tiefpaßglicdes) zur Verminderung des Störstromes. Letzterer wäre bei Verwendung einer der Normalfrequenzen (16 -Ai Hz, 50 Hz, 60 Hz) unzulässig groß. Durch die Verwendung mehrerer mit untereinander festem Phasenversatz gesteuerter Wechselrichtergruppen wird die Frequenz des dem Fahrleitungs-Gleichstrom überlagerten Wechselstromes nochmals vervielfacht und die Amplitude etwa im gleichen Verhältnis vermindert. Dies bringt nochmals eine wesentliche Minderung des Glättungsaufwandes, d. h. Gewichts- und Kostenersparnis, bei tragbarem Störstrom.

Mit geringen Abwandlungen läßt sich das neue Triebfahrzeug im grenzüberschreitenden Verkehr,

d. h. an Bahnnetzen verschiedener Spannung und Frequenz, verwenden. Insbesondere sind Gleichspannungsnetze 3 kV und 1,5 kV sowie Wechselspannungsnetze 25 kV, 50 Hz und 15 kV, 16¹VsHz in Betracht zu ziehen.

Ein Ausführungsbeispiel der vorstehend genannten Erfindung mit weiteren in den Unteransprüchen genannten Merkmalen sei an Hand der Figuren erläutert.

F i g. I zeigt im Prinzipschaltbild ein Ausführungsbeispiel eines zunächst nur von einer Gleichstromfahrleitung speisbaren Triebfahrzeuges;

Fig. 2 dient der Erläuterung einer Weiterbildung, mit Hilfe derer das Triebfahrzeug auch von einer Wechselstromfahrleitung aus speisbar ist.

In F i g. 1 sollen Fahrmotoren 4 bis 7 aus einer Gleichstromfahrleitung 1 mit Hilfe geeigneter Stromabnehmer 2 über einen Hauptschalter 3 gespeist werden. Den Fahrmotoren 4 bis 7 sind Schutzschalter 8 bis 11 zugeordnet. Die Fahrmotoren 4 und 5 sind an die Gleichstroniseite einer zweiphasigen Gleichrichterbrückenschaltung 12 angeschlossen. Entsprechend sind die Fahrmotoren 6 und 7 an die Gleichstromseite einer zweiphasigen Gleichrichterbriickenschaltung 17 angeschlossen. Die Gleichrichterbrückenschaltungcn 12 und 17 sind unsymmetrisch halbgesteuert aufgebaut. Sie enthalten steuerbare Ventile 13, 14 bzw. 18, 19 und Dioden 15, 16 bzw. 20, 21. Die steuerbaren Ventile 13, 14 bzw. 18, 19 liegen an dem einen Wcchselspannungsanschltiß und die Dioden 15, 16 bzw. 20, 21 liegen an dem anderen Wechselspannungsanschluß der jeweiligen Gleichrichterbrückenschaltung 12 bzw. 17. Als steuerbare Ventile und Dioden kommen ebenso

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wie bei den noch zu beschreibenden Wechselrichtern jeweiligen Gleichrichterbrückenschaltung 12 bzw. 17

in erster Linie Halbleiterventile in Frage. der Phasenlage der Steuerimpulse der zugehörigen

Die Wechselstromeinspeisung der Gleichrichter- Wechselrichtergruppe zugeordnet. Zur Verstellung brückenschaltung 12 erfolgt von der Sekundärwick- der an den Fahrmotoren 4 bis 7 liegenden Gleichlung 29 eines Wechselrichtertransformators 26 aus. 5 spannung wird dann die Phasenlage der Steuer-Letzterer besitzt zwei Primärwicklungen 27 und 28. impulse der Gleichrichterbrückenschaltungen 12 und Die Primärwicklung 27 liegt an den Ausgangsklem- 17 bzw. der steuerbaren Ventile 13, 14, 18 und 19 in men eines selbstgeführten Wechselrichters 22, wäh- der Regel im gleichen Maße verändert. In den Wechrend die Primärwicklung 28 an den Ausgangsklem- selrichtern erfolgt in an sich bekannter Weise die men eines selbstgeführten Wechselrichters 23 liegt. io Steuerung der steuerbaren Ventile 51 und 54 mit Mit Hilfe einer nicht dargestellten Steuereinrichtung 180° Phasenverschiebung gegenüber der Steuerung erfolgt, die Steuerung der Wechselrichter 22 und 23, der steuerbaren Ventile 52 und 53. Die Steuerung erdie eine Wechselrichtergruppe bilden, frequenz- und folgt nach Art eines Gegentaktwechselrichters. Den phasengleich. steuerbaren Ventilen 13 und 18 der Gleichrichter-

In entsprechender Weise ist der Gleichrichter- 15 brückenschaltungen 12 und 17 werden Steuerimpulse brückenschaltung 17 eine Wechselrichtergruppe zu- mit 180° Phasenverschiebung gegenüber den Steuergeordnet. Diese Wechselrichtergruppe besteht aus impulsen der steuerbaren Ventile 14 und 19 zugeden selbstgeführten Wechselrichtern 24 und 25 sowie führt. Dies ist dadurch bedingt, daß zweiphasige dem Wechselrichtertransformator 30. Letzterer be- Gleichrichterbrückenschaltungen vorliegen,
sitzt zwei Primärwicklungen 31 und 32 sowie eine 20 Zur weiteren Siebung und Glättung ist zwischen mit den Wechselspannungsanschlüssen der Gleich- den Eingängen der Wechselrichter 22 bis 25 und der richterbrückenschaltung 17 verbundene Sekundär- Gleichstromfahrleitung 1 ein durch zusätzliche Inwicklung 33. · duktivitäten und Kapazitäten gebildetes Tiefpaßglied

Die vier Wechselrichter 22 bis 25 sind in gleicher angeordnet. Als zusätzliche Kapazitäten sind vor-Weise aufgebaut. Beispielsweise enthält der Wechsel- 25 zugsweise Kondensatoren vorgesehen. Die mit 34 bis richter 22 steuerbare Ventile 51 bis 54, die jeweils 37 bezeichneten Kondensatoren liegen parallel zu den wieder aus parallel- und/oder in Reihe geschalteten Eingangskreisen der Wechselrichter 22 bis 25. Diese Teilventilen bestehen können. Der Wechselrichter 22 Kondensatoren werden demgemäß gemeinsam mit den enthält weiterhin einen Kommutierungskondensator Wechselrichtern 22 bis 25 in Reihe bzw. parallel ge-55 und eine Kommutierungsdrossel 56. Letztere ist 30 schaltet. Eine zusätzliche Induktivität 40 ist zwischen zur Sicherstellung einer Abmagnetisierung mit einer die Kondensatoren 34 bis 37 und die Fahrleitung 1 Sekundärwicklung 57 versehen, die mit einer Diode geschaltet. Die zusätzliche Induktivität 40 enthält 58 in Reihe geschaltet an die den Wechselrichter 22 zwei Teilwicklungen 41 und 42. Letztere sind gemeinspeisende Gleichspannung angeschlossen ist. Damit sam mit den Wechselrichtern 22 bis 25 in Reihe oder der Wechselrichter 22 Magnetisierungsleistung für 35 parallel zu schalten. Hierzu dienen Umschaltkontakte den Wechselrichtertransformator 26 aufbringen kann, 49, 59 und 50. Die Kontakte 49 und 59 sind gemeinwird der Kommutierungskondensator 55 entspre- sam mit den Kontakten 43 bis 46 geschlossen bzw. chend überbemessen. geöffnet. Der Kontakt 50 ist gemeinsam mit den Kon-

Je nach der Höhe der Gleichspannung der Fahr- takten 47 und 48 geöffnet bzw. geschlossen,
leitung 1 sind die Wechselrichter jeder Gruppe unter- 40 Für den Fall, daß das Triebfahrzeug gemäß dem einander in Reihe oder parallel zu schalten. Beispiels- in F i g. L prinzipmäßig dargestellten Ausführungsweise sind die Wechselrichter 22 und 23 bzw. 24 und beispiel auch an einer Wechselstromfahrleitung be-25 bei einer Gleichspannung von 1,5 kV mit Hilfe treibbar sein soll, wird ein zusätzlicher Niederfrevon Schaltern 43 bis 46 parallel geschaltet, wie es in quertransformator vorgesehen. Dies soll im Zusamder F i g. 1 gezeigt ist. Bei einer Gleichspannung in 45 menhang mit der F i g. 2 erläutert werden.
Höhe von 3 kV werden die Wechselrichter 22 und 23 In F i g. 2 ist der zusätzliche Niederfrequenztransbzw. 24 und 25 in Reihe geschaltet, indem die Schal- formator mit 60 bezeichnet. Die erforderlichen Umter 43 bis 46 geöffnet und die Schalter 47 und 48 ge- Schalteinrichtungen sind nicht näher dargestellt. Es ist schlossen werden. Mit Hilfe der Trennschalter 38 hervorzuheben, daß die Wechselrichter 22 bis 25 bei und 39 wird ermöglicht, daß bei einer Störung in 50 einem Betrieb aus einer Wechselstromfahrleitung abder einen oder der anderen Stromrichtergruppe ent- geschaltet sind. Statt dessen werden die Gleichrichterweder mit den Fahrmotoren 4 und 5 oder den Fahr- brückenschaltungen 12 und 17 von Sekundärwicklunmotoren 6 und 7 ein Notbetrieb erfolgen kann. Das gen 61 und 62 des Niederfrequenztransformators 60 Triebfahrzeug kann somit trotz Störung mit eigener gespeist. Beispielsweise tritt die Sekundärwicklung 61 Kraft die nächste Reparaturstation erreichen. 55 an die Stelle der Sekundärwicklung 29 des Wechsel-

Durch einen Phasenversatz in der Steuerung der richtertransformators 26 und die Sekundärwicklung

beiden Wechselrichtergruppen 22, 23 und 24, 25 wird 62 an die Stelle der Sekundärwicklung 33 des Wech-

erreicht, daß Oberwellen und Überspannungen an der selrichtertransformators 30. Die Klemmen 66 und 64

Fahrleitung 1 stark gemindert werden. Da in dem der Primärwicklung 63 des Niederfrequenztransfor-

Ausführungsbeispiel zwei Wechselrichtergruppen vor- 60 mators 60 werden bei einer 50-Hz-Wechselspannung

handen sind, kommt ein Phasenversatz von 90° der von 25 kV der Fahrleitung I verwendet. Dagegen

zu erzeugenden Wechselspannungen und damit der kommen die Klemmen 64 und 65 der Primärwicklung

entsprechenden Steuerimpulse in Frage. Die für die 63 bei einer 16²Ai-Hz-Wechselspannung in Höhe von

jeweilige Gleichrichterbrückenschaltung 12 bzw. 17 15 kV für die Einspeisung in Betracht. Die Klemme

bestimmten Steuerimpulse sind auf die Phasenlage 65 64 wird dabei an Erdpotential zu legen sein. Unter

der an der jeweiligen Transformatorsekundärwiek- den genannten Netzbedingungen wird der Nieiierfre-

lung 29 bzw. 33 abgenommenen Spannung zu bezie- quen/tianslonnator 60 für !6-¹Ai Hz auszulegen sein,

hen. Damit ist die Phasenlage der Steuerimpulse der Im Gegensat/, zu den Wechselrichtertransforinatoren

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 Gleichficiuerschaltung zugeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Gruppen von jeweils mindestens einem Wechselrichter (22 bis 25) vorgesehen sind, daß jeder Gruppe ein eigener Wechselrichter-Transformator (26, 30) mit nachgeschalteter, halbgcsteuerter Gleichrichterbrükkcnschaltung (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 Teil wicklungen (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