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Die Erfindung betrifft eine elektrische Schaltung mit einer Leistungsversorgungseinheit, die zumindest einen Gleichspannungszwischenkreis mit einer positiven Schiene und einer negativen Schiene und wenigstens eine an den Gleichspannungszwischenkreis angeschlossene Stromrichtereinrichtung mit zumindest zwei Stromrichtereinheiten umfasst, die jeweils eine dem Gleichspannungszwischenkreis zugewandte Gleichspannungsseite und eine Wechselspannungsseite aufweisen.
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Eine derartige elektrische Schaltung ist insbesondere im Bereich der Entwicklung von Schienenfahrzeugen bekannt. Bei sogenannten Triebzügen wird die Antriebsleistung auf Antriebsmotoren verteilt, welche an voneinander entfernten Stellen im Fahrzeugverband angeordnet sind. Bei einer zentralen Einspeisung des Gleichspannungszwischenkreises mit elektrischer Energie aus einer Netzversorgung werden Gleichspannungssignale des Gleichspannungszwischenkreises über große Abstände geführt. Es entstehen Zwischenkreiskapazitäten, die untereinander schwingen können, sodass eine Entkopplung von leistungselektronischen Einheiten untereinander notwendig ist. Hierzu wird herkömmlicherweise eine Induktivität in der Form einer sogenannten Netzdrossel eingesetzt, die zumindest teilweise als Entkopplungsdrossel in einer Schiene des Gleichspannungszwischenkreises verwendet wird. Zusätzlich können durch die Drossel Fehlerströme begrenzt werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Schaltung bereitzustellen, bei welcher eine induktive Entkopplung konstruktiv einfach erreicht werden kann.
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Hierzu wird vorgeschlagen, dass die Schaltung zumindest eine Induktivitätseinheit aufweist, welche die Stromrichtereinheiten auf deren Wechselspannungsseite miteinander verbindet, wobei die Stromrichtereinheiten und die Schienen eine Einheit bilden, die zur Herstellung eines durch die Induktivitätseinheit fließenden Gleichstroms vorgesehen ist. Hierdurch kann vorteilhaft auf eine spezielle, groß dimensionierte Induktivität, die in einer Schiene des Gleichspannungszwischenkreises integriert ist, verzichtet werden, wobei Bauraum und Gewicht eingespart werden können. Dadurch kann eine solche Induktivität durch eine Induktivität kleinerer Dimensionierung ersetzt werden oder es kann in einem besonders vorteilhaften Fall auf eine in einer Schiene integrierte Induktivität vollständig verzichtet werden. Zur Bereitstellung einer gewünschten induktiven Wirkung kann durch die vorgeschlagene Maßnahme ein bestehendes, zur Erfüllung einer anderen Funktion vorgesehenes induktives Bauteil verwendet werden, das auf der Wechselspannungsseite der Stromrichtereinheiten angeordnet ist.
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Es kann ein Gleichstromkreis bereitgestellt werden, welcher den Gleichspannungszwischenkreis im herkömmlichen Sinne als Bestandteil aufweist, sich – gegenüber herkömmlichen Lösungen – über die an einer Grenze des Gleichspannungszwischenkreises angeordnete Stromrichtereinrichtung hinaus erstreckt und hierbei zumindest ein induktives Bauteil außerhalb dieses Gleichspannungszwischenkreises beinhaltet. Dadurch kann dieses Bauteil die im Gleichspannungszwischenkreis gewünschte Entkopplungsfunktion zumindest teilweise erfüllen. Auf der Wechselspannungsseite der Stromrichtereinheiten findet zweckmäßigerweise eine Überlagerung zumindest eines durch die Induktivitätseinheit fließenden Wechselstroms vom hergestellten Gleichstrom statt. Anders formuliert weist dabei zumindest ein durch die Induktivitätseinheit fließender elektrischer Strom einen Gleichstromanteil auf.
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Die Leistungsversorgungseinheit ist zweckmäßigerweise zur Versorgung zumindest einer elektrischen Maschine, insbesondere eines elektrischen Motors, vorgesehen. Zweckmäßigerweise sind die Stromrichtereinheiten zumindest als Vierpol mit zumindest zwei Eingängen auf der Wechselspannungsseite und zumindest zwei Eingängen auf der Gleichspannungsseite ausgebildet.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung weisen die Stromrichtereinheiten jeweils zumindest einen ersten Anschluss auf deren Gleichspannungsseite auf, wobei die erste Stromrichtereinheit über deren ersten Anschluss an die positive Schiene angeschlossen und zur negativen Schiene hin kurzschlussfrei ist und die zweite Stromrichtereinheit über deren ersten Anschluss an die negative Schiene angeschlossen und zur positiven Schiene hin kurzschlussfrei ist. Hierdurch können vorteilhafterweise ein Anschluss der Stromrichtereinheiten jeweils an eine unterschiedliche Schiene des Gleichspannungszwischenkreises und ihre Entkopplung zumindest vom Potential der anderen Schiene erreicht werden. Den Stromrichtereinheiten können dabei vorteilhaft unterschiedliche Potentiale zugeordnet werden, wodurch ein Spannungsunterschied zwischen den Stromrichtereinheiten zum Erzeugen des Gleichstroms konstruktiv einfach bereitgestellt werden kann.
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Unter einem „Anschließen” an die positive oder negative Schiene soll die Bereitstellung einer Verbindung verstanden werden, durch welche das Potential der jeweiligen Schiene zumindest bis den Anschluss geführt wird.
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Es kann eine Ausführung der Stromrichtereinrichtung erreicht werden, die eine erste, nur an die positive Schiene angeschlossene Stromrichtereinheit und zumindest eine zweite, nur an die negative Schiene angeschlossene Stromrichtereinheit umfasst.
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Eine Stromrichtereinheit ist „zu einer Schiene hin kurzschlussfrei”, indem auf eine direkte Verbindung zu dieser Schiene verzichtet wird, wodurch die Stromrichtereinheit vom Potential dieser Schiene entkoppelt ist. Anders formuliert kann das Potential der Schiene nicht zur Stromrichtereinheit geführt werden. Bei dieser Definition wird der intrinsische Leitungswiderstand einer Verbindung vernachlässigt. In einer bevorzugten Ausführung wird auf jegliche Verbindung zur Schiene verzichtet, wodurch eine vollständige Entkopplung der Stromrichtereinheit von dieser Schiene erreicht werden kann. In dieser Ausführung sind die Stromrichtereinheiten jeweils von einer unterschiedlichen Schiene des Gleichspannungszwischenkreises entkoppelt.
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In einer Ausführungsvariante kann vorteilhaft eine Schalteinheit vorgesehen sein, durch welche ein Anschluss der ersten Stromrichtereinheit an die negative Schiene und/oder ein Anschluss der zweiten Stromrichtereinheit an die positive Schiene hergestellt werden kann. Hierdurch kann wahlweise die erfindungsgemäße Konfiguration oder eine herkömmliche Konfiguration der elektrischen Schaltung bereitgestellt werden, bei welcher beide Stromrichtereinheiten an beide Schienen des Gleichspannungszwischenkreises angeschlossen sind.
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Außerdem wird vorgeschlagen, dass die Stromrichtereinheiten jeweils einen zweiten Anschluss auf deren Gleichspannungsseite aufweisen, wobei der zweite Anschluss der ersten Stromrichtereinheit mit der positiven Schiene über eine Kapazität verbunden ist und der zweite Anschluss der zweiten Stromrichtereinheit mit der negativen Schiene über eine Kapazität verbunden ist. Hierdurch kann eine Stromrichtereinheit in einer gängigen Ausbildung mit zumindest zwei Anschlüssen auf der Gleichspannungsseite eingesetzt werden. Außerdem kann die Spannung jeder einzelnen Kapazität vorteilhaft gestellt werden.
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In einer einfachen, gängigen Schaltungstopologie sind die Stromrichtereinheiten jeweils von einem Satz von Stromrichterventilen gebildet, die in der Form einer Brückenschaltung mit Stromrichterzweigen geschaltet sind. Eine weitere vorteilhafte Wirkung der erfindungsgemäßen elektrischen Schaltung besteht darin, dass Spitzenströme durch eine geringe Stromwelligkeit in den Stromrichterzweigen verringert werden können.
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Gemäß einer konstruktiv einfachen Weiterbildung der Erfindung weist die elektrische Schaltung zumindest eine galvanische Trennung auf, wobei die Induktivitätseinheit zumindest eine Wicklungseinheit aufweist, die zumindest von einem Teil einer Wicklung der galvanischen Trennung, insbesondere vollständig von dieser Wicklung gebildet ist.
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In diesem Zusammenhang wird vorgeschlagen, dass die galvanische Trennung von einem Spannungstransformator gebildet ist, wobei die Wicklungseinheit zumindest von einem Teil einer Transformatorwicklung, insbesondere vollständig von dieser Transformatorwicklung gebildet ist. Der Betrieb einer Leistungsversorgungseinheit basiert in zahlreichen Anwendungsfällen auf dem Einsatz einer transformatorischen Verbindung, die typischerweise an eine Energieeinspeisestelle des Gleichspannungszwischenkreises angeschlossen ist, sodass die Bildung der Induktivitätseinheit in diesen Fällen mit einem besonders geringen Aufwand erfolgen kann.
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Dabei kann eine vorteilhafte Dimensionierung der Induktivitätseinheit einfach erreicht werden, wenn der Spannungstransformator zumindest zwei sekundäre Transformatorwicklungen umfasst und die Induktivitätseinheit zumindest zwei Wicklungseinheiten aufweist, die jeweils zumindest von einem Teil einer unterschiedlichen sekundären Transformatorwicklung, insbesondere vollständig von dieser Transformatorwicklung gebildet sind. Eine weitere vorteilhafte Wirkung der erfindungsgemäßen elektrischen Schaltung besteht darin, dass im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen geringere Oberschwingungen in den sekundäre Transformatorwicklungen erreicht werden können. Ist die Primärseite des Spannungstransformators an eine Netzversorgung angeschlossen, können außerdem verbesserte Netzrückwirkungen bei Toleranzen in den sekundären Transformatorwicklungen erreicht werden.
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Außerdem wird vorgeschlagen, dass die Induktivitätseinheit zumindest zwei Wicklungseinheiten aufweist, die relativ zueinander entgegengesetzt gewickelt sind. Hierdurch kann eine vorteilhafte Dimensionierung der Induktivitätseinheit erreicht werden, wobei die Bildung eines unerwünschten statischen Felds möglichst vermieden werden kann.
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In zahlreichen Anwendungsfällen ist ein Eingang des Gleichspannungszwischenkreises von zumindest einem Gleichrichter gebildet. Es können demnach mit einem geringen Aufwand gängige Schaltungstopologien zur Bildung der Einheit zur Herstellung des Gleichstroms angepasst werden, indem die Stromrichtereinheiten als Gleichrichtereinheiten ausgebildet sind. Beispielsweise können die Stromrichtereinheiten jeweils als Vierquadrantensteller betrieben werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die elektrische Schaltung zumindest eine elektrische Maschine aufweist, welche im Betrieb mittels der Leistungsversorgungseinheit versorgbar ist, wobei die Induktivitätseinheit zumindest eine Induktivität aufweist, die Bestandteil der elektrischen Maschine ist. Hierdurch kann eine konstruktiv einfache, auf dem Einsatz zumindest einer bestehenden Induktivität basierte Ausführung der Erfindung erreicht werden. In dieser Ausführung sind die Stromrichtereinheiten zweckmäßigerweise als Wechselrichtereinheiten ausgebildet.
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Weist die elektrische Maschine zumindest eine Wicklung auf, ist die Induktivität von zumindest einem Teil der Wicklung, insbesondere vollständig von dieser Wicklung gebildet. Weist die elektrische Maschine zumindest einen elektrischen Motor auf, entspricht die Wicklung vorteilhafterweise einer Motorwicklung. In einer vorteilhaften Ausführung werden sämtliche Motorwicklungen als Bestandteil der Induktivitätseinheit benutzt.
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Ferner wird ein Schienenfahrzeug vorgeschlagen, welches eine erfindungsgemäße elektrische Schaltung aufweist. Im Bereich der Konstruktion von Schienenfahrzeugen spielen Kosten-, Bauraum- und Gewichtseinsparungen eine besondere Rolle, sodass der Einsatz der vorgeschlagenen elektrischen Schaltung in diesem Bereich von besonderem Vorteil ist.
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Das Schienenfahrzeug kann als Lokomotive oder als ein für den Transport von Passagieren vorgesehener Wagen ausgebildet sein, welcher insbesondere mit zumindest einer Antriebseinheit ausgestattet ist.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführung wird vorgeschlagen, dass das Schienenfahrzeug als Wagenverband ausgebildet ist und eine Zugsammelschiene aufweist, welche die Potentiale der Schienen des Gleichspannungszwischenkreises führt und sich entlang des Wagenverbands über eine Länge erstreckt, welche zumindest 70% der Länge des Wagenverbands entspricht. Es kann aus Gründen der Redundanz zumindest eine Trenneinheit in der Zugsammelschiene vorgesehen sein. Besonders vorteilhaft ist, wenn sich die Zugsammelschiene entlang des gesamten Wagenverbands erstreckt.
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Das Schienenfahrzeug kann insbesondere als Triebzug ausgebildet sein, bei welchem Antriebskomponenten in und/oder an zumindest einem für den Transport von Passagieren vorgesehenen Wagen des Verbands, vorzugsweise mehreren für den Transport von Passagieren vorgesehenen Wagen des Verbands angeordnet sind.
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Es kann abhängig von der Anzahl von Wagen im Verband eine Länge für die sich entlang des Verbands von Wagen erstreckende Zugsammelschiene in einer Spanne von 20 m bis 500 m bestehen. Durch die vorgeschlagene Ausführung der elektrischen Schaltung kann in diesem Fall ein vorteilhaftes induktives Verhalten der Zugsammelschiene erreicht werden, welches ein durch die große Länge bedingtes kapazitives Verhalten zumindest im Wesentlichen kompensiert werden kann.
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Des Weiteren wird ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine vorgeschlagen, bei welchem auf der Grundlage einer in einem Gleichspannungszwischenkreis vorhandenen elektrischen Energie die elektrische Maschine mit elektrischer Leistung versorgt wird, an den Gleichspannungszwischenkreis angeschlossene Stromrichtereinheiten betrieben werden, die jeweils eine dem Gleichspannungszwischenkreis zugewandte Gleichspannungsseite und eine Wechselspannungsseite aufweisen, und ein Gleichstrom erzeugt wird, welcher ausgehend vom Gleichspannungszwischenkreis über eine der Stromrichtereinheiten, eine Induktivitätseinheit und eine andere der Stromrichtereinheiten zurück in den Gleichspannungszwischenkreis fließt, wobei die Induktivitätseinheit auf der Wechselspannungsseite der Stromrichtereinheiten angeordnet ist. Bezüglich der vorteilhaften Wirkungen des vorgeschlagenen Verfahrens wird auf die obigen Ausführungen zur erfindungsgemäßen elektrischen Schaltung verwiesen.
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Es werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
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1: ein Schienenfahrzeug mit einer Leistungsversorgungseinheit in einer schematischen Seitenansicht,
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2: die Leistungsversorgungseinheit, einen Spannungstransformator und einen elektrischen Antriebsmotor,
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3: in die sekundären Wicklungen des Spannungstransformators fließende elektrische Ströme,
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4: in die Motorwicklungen des Antriebsmotors fließende elektrische Ströme,
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5: Ausführungsvarianten zur Anordnung aus 2 und
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6: eine industrielle Anwendung der Leistungsversorgungseinheit.
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1 zeigt ein Schienenfahrzeug 10 in einer stark schematisierten Seitenansicht. Es ist als Verband von Wagen 12.1 bis 12.5 ausgebildet, welcher in der betrachteten Ausführung einen sogenannten Triebzug bildet. Hierzu ist der Verband mit einem Satz von Antriebsmotoren (nicht gezeigt) ausgestattet, die im Betrieb sogenannten Triebachsen 14 des Schienenfahrzeugs 10 antreiben. Die gezeigte Achsenverteilung bzw. die Reihenfolge von Triebachsen 14 und nicht angetriebenen Achsen – auch Laufachsen 16 genannt, ist beispielhaft, wobei weitere Achsenverteilungen denkbar sind. Die Anzahl von Wagen 12 ist ebenfalls beispielhaft. Die Wagen 12 können einstöckig oder doppelstöckig ausgebildet sein, wobei ein gemischter Verband mit zumindest einem einstöckigen Wagen und zumindest einem doppelstöckigen Wagen möglich ist.
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Die Antriebsmotoren, die jeweils zumindest einer Triebachse 14 des Schienenfahrzeugs 10 zugeordnet sind, werden im folgenden Text auch elektrische Maschinen 18 genannt (siehe 2). Sie sind jeweils in einem Fahrwerk, insbesondere einem Drehgestell angeordnet und mit zumindest einer zugeordneten Triebachse 14 mittels einer nicht näher dargestellten Kupplung antriebstechnisch gekoppelt.
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Das Schienenfahrzeug 10 verfügt außerdem über weitere, nicht gezeigte Einrichtungen, insbesondere eine Bremseinrichtung, eine Leittechnik, ein Bordnetz usw., die einen autarken Betrieb des Schienenfahrzeugs 10 ermöglichen. Vorzugsweise entspricht das Schienenfahrzeug 10 einer betrieblich untrennbaren Zugeinheit. Ein Wagentrennungsvorgang innerhalb des Schienenfahrzeugs 10 ist dabei – außer für Wartungs- und/oder Instandsetzungszwecken – nicht vorgesehen. Außerdem ist das Schienenfahrzeug 10 für einen gekoppelten Betrieb mit zumindest einem weiteren gattungsgemäßen Schienenfahrzeug 10 geeignet.
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Die über den Wagenverband verteilten elektrischen Maschinen 18 werden im Betrieb durch eine Leistungsversorgungseinheit 20 mit elektrischer Leistung versorgt. Diese weist einen Gleichspannungszwischenkreis 22 auf (siehe 2). Dieser umfasst eine positive Schiene 24.1 und eine negative Schiene 24.2, wobei die Schienen 24.1, 24.2 jeweils ein unterschiedliches Potential bzw. eine Gleichspannung unterschiedlichen Werts führen, sodass zwischen den Schienen 24.1 und 24.2 ein Spannungsunterschied hergestellt ist. Die Leistungsversorgungseinheit 20 weist außerdem einen Satz von Stromrichtereinrichtungen 26 auf, die jeweils zumindest einer elektrischen Maschine 18 zugeordnet sind. Typischerweise ist eine Stromrichtereinrichtung 26 jeweils einem Fahrwerk zugeordnet, in welchem eine oder mehrere elektrische Maschinen 18 angeordnet sind.
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Die Stromrichtereinrichtungen 26 umfassen jeweils zumindest eine Stromrichtereinheit 28 (siehe 2), die als Wechselrichter ausgebildet ist, und haben die Funktion, ausgehend von einem Gleichspannungssignal des Gleichspannungszwischenkreises 22 einen Wechselstrom, insbesondere in der Form eines Drehstroms, zu erzeugen, dessen Eigenschaften an eine zu erbringende Leistung der elektrischen Maschine 18 angepasst sind. Hierzu weisen die Stromrichtereinheiten 28 bekannterweise Schaltbauteile einer Leistungselektronik auf, die in der fachmännischen Sprache als Stromrichterventile genannt sind. Insbesondere können diese Schaltbauteile als Halbleiterschalter, beispielsweise IGBTs, ausgebildet sein.
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Die Gleichspannungspotentiale der positiven und der negativen Schienen 24.1, 24.2 des Gleichspannungszwischenkreises 22 können von den über das Schienenfahrzeug 10 verteilten Stromrichtereinrichtungen 26 abgegriffen werden. Hierzu ist eine Leitungseinheit 30 vorgesehen, welche diese Potentiale führt. Die Leitungseinheit 30 bildet eine sogenannte Zugsammelschiene 32, welche sich in der betrachteten Ausführung über den gesamten Wagenverband erstreckt.
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Der Gleichspannungszwischenkreis 22 wird im Betrieb mit einer elektrischen Energie gespeist, welche von einer Netzversorgung 34 über einen Stromabnehmer 35 bezogen wird. In der betrachteten Ausführung führt die Netzversorgung 34 eine Wechselspannung. Für den Bahnbetrieb typische Werte sind hierbei 15 kV (16 Hz 2/3) und 25 kV (50 Hz). Der Gleichspannungszwischenkreis 22 ist von der Netzversorgung 34 mittels einer galvanischen Trennung 36 getrennt, die von einem Spannungstransformator 38 gebildet ist. Die Funktion des Spannungstransformators 38 ist bekannterweise ein Heruntertransformieren der von der Netzversorgung 34 abgegriffenen Hochspannung in eine niedrigere Spannung.
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Der Spannungstransformator 38 weist eine mit dem Stromabnehmer 35 verbindbare primäre Transformatorwicklung 40 und zwei sekundäre Transformatorwicklungen 42.1 und 42.2 auf. Vom Spannungstransformator 38 heruntertransformierte Wechselspannungssignale werden auf eine Stromrichtereinrichtung 44 gegeben, welche an den Gleichspannungszwischenkreis 22 angeschlossen ist. Die Funktion der Stromrichtereinrichtung 44 ist das Gleichrichten dieser Ausgangssignale des Spannungstransformators 38, durch welches die vom Gleichspannungszwischenkreis 22 geführten Gleichspannungen bereitgestellt werden. Wie in 2 zu sehen weist die Stromrichtereinrichtung 44 zwei Stromrichtereinheiten 46.1 und 46.2 auf, die jeweils die Funktion einer Gleichrichtereinheit haben. Insbesondere sind diese jeweils als Vierquadrantensteller ausgebildet.
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Die Stromrichtereinheiten 46.1 und 46.2 weisen jeweils eine der galvanischen Trennung 36 bzw. dem Spannungstransformator 38 zugewandte Wechselspannungsseite 48 und eine dem Gleichspannungszwischenkreis 22 zugewandte Gleichspannungsseite 50 auf.
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Der interne Ausbau der Stromrichtereinrichtungen 26 und 44 sowie der Betrieb der Leistungsversorgungseinheit 20 werden nun anhand der 2 näher erläutert.
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Bezüglich der Stromrichtereinrichtung 44, welche den netzseitigen Eingang des Gleichspannungszwischenkreis 22 bildet, weist diese die Stromrichtereinheiten 46.1, 46.2 auf, die jeweils als Vierpol ausgebildet sind. Sie weisen hierbei jeweils auf der Wechselspannungsseite 48 zwei Anschlüsse 52, 54 auf, über welche vom Spannungstransformator 38 erzeugte Wechselspannungssignale geführt werden. Auf der Gleichspannungsseite 50 weisen die Stromrichtereinheiten 46 jeweils zwei Anschlüsse 56, 58 auf, an welchen jeweils eine Gleichspannung anliegt. Der Vierpol der Stromrichtereinheiten 46 ist jeweils von einem Satz von Stromrichterventilen 60 gebildet, die in der Form einer Brückenschaltung geschaltet sind. Die Brückenschaltungen weisen jeweils zwei Zweige jeweils mit einem Paar von in Reihe geschalteten Stromrichterventilen 60 auf, wobei die Anschlüsse 52, 54 jeweils von einem Zweigmittelpunkt gebildet sind, welcher zwischen den Stromrichterventilen 60 des Paares des entsprechenden Zweigs angeordnet ist.
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Die sekundären Transformatorwicklungen 42.1, 42.2 sind mit den Stromrichtereinheiten 46 derart verschaltet, dass eine Transformatorwicklung, z. B. die Transformatorwicklung 42.1, den Anschluss 52 der Stromrichtereinheit 46.1 mit dem Anschluss 54 der Stromrichtereinheit 46.2 verbindet, während die andere Transformatorwicklung, d. h. im betrachteten Fall die Transformatorwicklung 42.2 den Anschluss 54 der Stromrichtereinheit 46.1 mit dem Anschluss 52 der Stromrichtereinheit 46.2 verbindet. Die Transformatorwicklungen 42.1, 42.2 verbinden demnach jeweils einen Zweig der einen Stromrichtereinheit 46.1 mit dem anderen Zweig der anderen Stromrichtereinheit 46.2.
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Die sekundären Transformatorwicklungen 42.1, 42.2 bilden jeweils eine Wicklungseinheit 62.1, 62.2, die Bestandteile einer Induktivitätseinheit 64 sind. Diese verbindet die Stromrichtereinheiten 46.1 und 46.2 auf deren Wechselspannungsseite 48. Die Induktivitätseinheit 64 weist demnach zwei Wicklungseinheiten 62.1, 62.2 auf, die jeweils von einer unterschiedlichen sekundären Transformatorwicklung 42.1, 42.2 gebildet sind.
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Die Stromrichtereinheiten 46.1, 46.2 weisen auf deren Gleichspannungsseite 50 jeweils ihren ersten Anschluss 56 auf, welcher an eine der Schienen 24.1, 24.2 des Gleichspannungszwischenkreises 22 angeschlossen ist, sodass an diesem ersten Anschluss 56 die jeweilige Spannung der entsprechenden Schiene 24.1 bzw. 24.2 anliegt. Der erste Anschluss 56 der Stromrichtereinheit 46.1 und der erste Anschluss 56 der Stromrichtereinheit 46.2 sind jeweils an eine unterschiedliche Schiene 24.1 bzw. 24.2 angeschlossen. Auf eine direkte Verbindung des zweiten Anschlusses 58 der Stromrichtereinheiten 46.1, 46.2 mit den Schienen 24.1, 24.2 wird verzichtet. Die Verbindung des zweiten Anschlusses 58 der Stromrichtereinheit 46.1 mit der zugeordneten Schiene 24.1 ist kurzschlussfrei und erfolgt über eine Kapazität 66. Die Verbindung des zweiten Anschlusses 58 der Stromrichtereinheit 46.2 mit der zugeordneten Schiene 24.2 ist kurzschlussfrei und erfolgt ebenfalls über eine Kapazität 66. Die Anschlüsse 58 der Stromrichtereinheiten 46.1, 46.2 weisen demnach elektrische Potentiale auf, die sich von den Potentialen der Schienen 24.1, 24.2 des Gleichspannungszwischenkreises 22 unterscheiden.
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Durch diese Konfiguration kann ein Spannungsunterschied zwischen den Anschlüssen der unterschiedlichen Stromrichtereinheiten 46.1, 46.2 auf deren Wechselspannungsseite 48 hergestellt werden, sodass ein Gleichstrom durch die Induktivitätseinheit 64, welche wie oben beschrieben die Stromrichtereinheiten 46.1, 46.2 verbindet, fließen kann. Die Schienen 24.1, 24.2 und die Stromrichtereinheiten 46.1, 46.2 bilden im Zusammenwirken eine Einheit 68, welche dazu dient, einen durch die Induktivitätseinheit 64 fließenden Gleichstrom herzustellen.
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Dieser Gleichstrom fließt in beide Wicklungseinheiten 62.1, 62.2 der Induktivitätseinheit 64. Diese sind relativ zueinander entgegengesetzt gewickelt, sodass der Gleichstrom in den beiden Wicklungseinheiten 62 ein kleinmöglichstes Feld induziert.
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Bezüglich der Stromrichtereinrichtungen 26, von welchen in 2 lediglich eine Stromrichtereinrichtung 26 dargestellt ist und die jeweils einen maschinenseitigen Ausgang des Gleichspannungszwischenkreis 22 bilden, weisen diese jeweils zwei Stromrichtereinheiten 28.1, 28.2 auf, die jeweils als Mehrpol ausgebildet sind. Die Stromrichtereinheiten 28.1 und 28.2 weisen jeweils eine der zugeordneten elektrischen Maschine 18 zugewandte Wechselspannungsseite 70 und eine dem Gleichspannungszwischenkreis 22 zugewandte Gleichspannungsseite 72 auf.
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Sie weisen hierbei jeweils auf deren Wechselspannungsseite 70 drei Anschlüsse 74, 76, 78 auf, über welche erzeugte Wechselstromsignale eines Drehstroms geführt werden. Auf der Gleichspannungsseite 72 weisen die Stromrichtereinheiten 28 jeweils zwei Anschlüsse 80, 82 auf, an welchen jeweils eine Gleichspannung anliegt. Der Mehrpol der Stromrichtereinheiten 28 ist jeweils von einem Satz von Stromrichterventilen 60 gebildet, die in der Form einer Brückenschaltung geschaltet sind. Die Brückenschaltungen weisen jeweils drei Zweige jeweils mit einem Paar von in Reihe geschalteten Stromrichterventilen 60 auf, wobei die Anschlüsse 74, 76, 78 jeweils von einem Zweigmittelpunkt gebildet sind, welcher zwischen den Stromrichterventilen 60 des Paares des entsprechenden Zweigs angeordnet ist.
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Die Wicklungen 84.1, 84.2, 84.3 der elektrischen Maschine 18 sind mit den Stromrichtereinheiten 28 derart verschaltet, dass eine Wicklung, z. B. die Wicklung 84.1, den Anschluss 74 der Stromrichtereinheit 28.1 mit dem Anschluss 74 der Stromrichtereinheit 28.2 verbindet, während die anderen Wicklungen, d. h. im betrachteten Fall die Wicklungen 84.2, 84.3 die Anschlüsse 76 bzw. 78 der Stromrichtereinheiten 28 miteinander verbinden. Die elektrische Maschine 18 wird demnach in sogenannter „offener Schaltung” zwischen den beiden Stromrichtereinheiten 28.1, 28.2 betrieben.
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Die Wicklungen 84.1, 84.2, 84.3 der elektrischen Maschine 18 bilden jeweils eine Wicklungseinheit 86.1, 86.2, 86.3, die Bestandteile einer Induktivitätseinheit 88 sind. Diese verbindet die Stromrichtereinheiten 28.1 und 28.2 auf deren Wechselspannungsseite 70. Die Induktivitätseinheit 88 weist demnach drei Wicklungseinheiten 86.1, 86.2, 86.3 auf, die jeweils von einer unterschiedlichen Wicklung 84.1, 84.2, 84.3 der elektrischen Maschine 18 gebildet sind.
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Die Stromrichtereinheiten 28.1, 28.2 weisen auf deren Gleichspannungsseite 72 jeweils ihren ersten Anschluss 80 auf, welcher an eine der Schienen 24.1, 24.2 des Gleichspannungszwischenkreises 22 angeschlossen ist, sodass an diesem ersten Anschluss 80 die jeweilige Spannung der entsprechenden Schiene 24.1 bzw. 24.2 anliegt. Der erste Anschluss 80 der Stromrichtereinheit 28.1 und der erste Anschluss 80 der Stromrichtereinheit 28.2 sind jeweils an eine unterschiedliche Schiene 24.1 bzw. 24.2 angeschlossen. Auf eine direkte Verbindung des zweiten Anschlusses 82 der Stromrichtereinheiten 28.1, 28.2 mit den Schienen 24.1, 24.2 wird verzichtet. Die Verbindung des zweiten Anschlusses 82 der Stromrichtereinheit 28.1 mit der zugeordneten Schiene 24.1 ist kurzschlussfrei und erfolgt über eine Kapazität 90. Die Verbindung des zweiten Anschlusses 82 der Stromrichtereinheit 28.2 mit der zugeordneten Schiene 24.2 ist kurzschlussfrei und erfolgt ebenfalls über eine Kapazität 90. Die Anschlüsse 82 der Stromrichtereinheiten 28.1, 28.2 weisen demnach elektrische Potentiale auf, die sich von den Potentialen der Schienen 24.1, 24.2 des Gleichspannungszwischenkreises 22 unterscheiden.
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Durch diese Konfiguration kann ein Spannungsunterschied zwischen den Anschlüssen der unterschiedlichen Stromrichtereinheiten 28.1, 28.2 auf deren Wechselspannungsseite 70 hergestellt werden, sodass ein Gleichstrom durch die Induktivitätseinheit 88, welche wie oben beschrieben die Stromrichtereinheiten 28.1, 28.2 verbindet, fließen kann. Die Schienen 24.1, 24.2 und die Stromrichtereinheiten 28.1, 28.2 bilden im Zusammenwirken eine Einheit 92, welche dazu dient, einen durch die Induktivitätseinheit 88 fließenden Gleichstrom herzustellen.
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Die Induktivitätseinheiten 64 und 88 dienen vorteilhafterweise zur Einprägung eines induktiven Verhaltens der Zugsammelschiene 32. Dieses kann ein kapazitives Verhalten der Zugsammelschiene 32, welches insbesondere durch deren Länge hervorgerufen wird, vorteilhaft kompensieren. Es wird zu diesem Zweck auf jegliche Induktivität in der Sammelschiene 32 verzichtet, wodurch Bauraum und Gewicht eingespart werden können.
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3 zeigt den Zeitverlauf elektrischer Ströme in der Induktivitätseinheit 64. Die Kurven I1 und I2 entsprechen dem elektrischen Strom, welcher jeweils durch eine der Wicklungseinheiten 62.1, 62.2 fließt. Wie diesen Kurven zu entnehmen, ist der jeweilige Wechselstrom, welcher über die galvanische Trennung 36 induziert wird, von einem Gleichstrom überlagert. Die Gleichstromanteile in den Strömen I1 und I2 haben aufgrund der entgegengesetzten Wicklungsorientierungen der Wicklungseinheiten 62.1, 62.2 entgegengesetzte Zeichen, sodass die Summe IS der Ströme I1 und I2, welche dem Strom in der primären Transformatorwicklung 40 bzw. dem Netzstrom entspricht, keine Gleichstromkomponente aufweist.
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4 zeigt den Zeitverlauf elektrischer Ströme in der Induktivitätseinheit 88. Die Kurven I1, I2, I3 entsprechen dem elektrischen Strom, welcher jeweils durch eine der Wicklungseinheiten 86.1, 86.2, 86.3 fließt. Alle diese Ströme I1, I2 und I3 sind von einem Gleichstrom überlagert, wie den Kurven zu entnehmen ist.
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5 zeigt Ausführungsvarianten der elektrischen Schaltung aus 2 bezüglich der Bildung einer Induktivitätseinheit und/oder deren Verbindungen zu den zugeordneten Stromrichtereinheiten. Neben der bereits beschriebenen Induktivitätseinheit 64, welche sekundäre Transformatorwicklungen aufweist, sind weitere Induktivitätseinheiten 94, 96 und 98 gezeigt, die jeweils Wicklungseinheiten einer elektrischen Maschine 18 aufweisen.
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Die Induktivitätseinheit 94 ist konstruktiv zur Induktivitätseinheit 88 identisch, wobei der Unterschied zur Ausführung der 2 die Verbindungen der Stromrichterzweige miteinander betrifft. Während die Wicklungseinheiten 86.1, 86.2, 86.3 in 2 Stromrichterzweige miteinander verbinden, die eine gleichartige Position relativ zu den Anschlüssen 80, 82 auf der Gleichspannungsseite 72 der Stromrichtereinheiten 28.1, 28.2 haben, sind die Wicklungseinheiten in der Ausführungsvariante der Induktivitätseinheit 94 mit den zugeordneten Stromrichtereinheiten derart geschaltet, dass sie jeweils Stromrichterzweige miteinander verbinden, die eine unterschiedliche Position relativ zu den Anschlüssen auf der Gleichspannungsseite 72 haben.
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In der Ausführungsvariante mit der Induktivitätseinheit 96 weist diese zwei Wicklungssätze 96.1, 96.2 mit jeweils drei Wicklungseinheiten, wobei die Wicklungseinheiten unterschiedlicher Sätze jeweils in Reihe zueinander geschaltet sind.
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Bezüglich der Ausführungsvariante mit der Induktivitätseinheit 98 weist diese zwei Wicklungssätze 98.1 und 98.2 auf, die über einen gemeinsamen Sternpunkt miteinander verbunden sind.
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In der in 5 gezeigten Konfiguration ist die Leistungsversorgungseinheit 20 Bestandteil eines Mehrsystemfahrzeugs, welches sowohl für einen Betrieb unter einer Wechselspannung als auch unter einer Gleichspannung geeignet ist. Hierzu weist das Schienenfahrzeug 10 neben dem Stromabnehmer 35 einen weiteren Stromabnehmer 100, durch welchen eine netzseitige Gleichspannung abgegriffen werden kann. Im Gleichspannungsbetrieb kann der Gleichspannungszwischenkreis 22 mit der Netzspannung gespeist werden.
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Die oben beschriebenen Ausführungsvarianten werden zwar in der gleichen Figur gezeigt, sie können jedoch voneinander separat betrachtet werden.
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Die Ausführungsbeispiele der 1 bis 5 betreffen eine Anwendung bei einem Schienenfahrzeug. Eine Anwendung für Antriebseinheiten der Industrie ist jedoch auch denkbar. Eine entsprechende Ausführung ist in 6 gezeigt, bei welcher der Gleichspannungszwischenkreis 22 durch eine drehstromtechnische Spannungsquelle 102 und eine entsprechende galvanische Trennung 104 gespeist wird.
