DE202015105357U1 - Traktionsumrichter - Google Patents

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Abstract

Traktionsumrichter (10) zum Einbau in ein Schienenfahrzeug, der Traktionsumrichter (10) umfassend: ein quaderförmiges Gehäuse (12) aus einem Rahmen (16) und auf dem Rahmen befestigten Blechen (14), wobei der Rahmen (16) eine Mehrzahl von rechteckigen Rahmenelementen (18a, 18b, 18c, 18d) umfasst, die über in einer Längsrichtung verlaufende Rahmenelemente (20) miteinander verbunden sind und wobei das Gehäuse (12) durch ein mittleres rechteckiges Rahmenelement (18b) in ein erstes Abteil (26a) und ein zweites Abteil (26b) geteilt wird; eine Mehrzahl von Leistungshalbleitermodulen (44), die in dem zweiten Abteil (26b) aufgenommen sind; und einen Schwenkrahmen (32), der in dem ersten Abteil (26a) angeordnet ist, der um eine vertikale Achse aus dem ersten Abteil (26a) herausschwenkbar ist und auf dem Steuerungskomponenten (34) für die Leistungshalbleitermodule (44) angeordnet sind.

Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung betrifft das Gebiet der Hochleistungselektronik. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Traktionsumrichter.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Traktionsumrichter werden dazu verwendet, eine Wechsel- oder Gleichspannung in eine Wechselspannung einer anderen Frequenz und/oder Amplitude umzurichten, die beispielsweise einem Antriebsmotor eines Schienenfahrzeugs oder weiteren elektrischen Verbrauchern in dem Schienenfahrzeug zugeführt werden kann. Auch ist es möglich, dass der Traktionsumrichter eine Gleichspannung erzeugt, mit der beispielsweise eine Batterie des Schienenfahrzeugs geladen werden kann. Der Traktionsumrichter kann beispielsweise aus einem Oberleitungsnetzwerk oder von einem Generator innerhalb des Schienenfahrzeugs, der von einem Dieselmotor angetrieben wird, mit Spannung versorgt werden.
  • Abhängig vom Typ und der Funktionsweise des Traktionsumrichters kann dieser auf dem Dach, unter dem Boden oder innerhalb eines Maschinenraums des Schienenfahrzeugs angebracht sein.
  • In der Regel umfasst ein Traktionsumrichter ein Gehäuse, in dem die verschiedenen Komponenten des Umrichters angebracht sind und das in der Regel aus geschweißten und/oder vernieteten Aluminium- und/oder Stahlblechen hergestellt ist, die auf einem Rahmen befestigt sind.
  • Beispielsweise kann ein derartiges Gehäuse schwere und dichte Komponenten, wie etwa Induktivitäten und Transformatoren, als auch leichtere Komponenten, wie etwa Leistungshalbleitermodule und Steuerungskomponenten, enthalten. Die Steuerungskomponenten können beispielsweise Platinen mit darauf befindlichen ICs und Relais umfassen, die in gesonderten Steuerungsgehäusen untergebracht sind, um sie vor elektromagnetischen Störfeldern zu schützen. Weiter enthält das Umrichtergehäuse auch zusätzliche, passive Komponenten und Verbindungskabel.
  • Die Komponenten eines Traktionsumrichters werden normalerweise relativ kompakt in dem Gehäuse angeordnet, um möglichst wenig Bauraum des Schienenfahrzeugs zu verbrauchen. Um Kosten zu sparen, ist es notwendig, die Wartungszeit eines Schienenfahrzeugs möglichst kurz zu halten. Dazu trägt auch eine kurze Wartungszeit für den Traktionsumrichter bei. Eine kompakte Bauweise kann jedoch den Zugang zu bestimmten Komponenten erschweren und deren Wartung zeitaufwendig gestalten.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, einen platzsparenden Traktionsumrichter bereitzustellen, der einfach und schnell zu warten ist.
  • Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Weitere Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und aus der folgenden Beschreibung.
  • Die Erfindung betrifft einen Traktionsumrichter zum Einbau in ein Schienenfahrzeug, beispielsweise einer Elektrolok oder einer Tram.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Traktionsumrichter ein quaderförmiges Gehäuse aus einem Rahmen und auf dem Rahmen befestigten Blechen, wobei der Rahmen eine Mehrzahl von rechteckigen Rahmenelementen umfasst, die über in einer Längsrichtung verlaufende Rahmenelemente miteinander verbunden sind und wobei ein mittleres rechteckiges Rahmenelement beispielsweise eine Zwischenwand trägt, die das Gehäuse in ein erstes Abteil und ein zweites Abteil trennt; eine Mehrzahl von Leistungshalbleitermodulen, die in dem zweiten Abteil aufgenommen sind; und einen Schwenkrahmen, der in dem ersten Abteil angeordnet ist, der um eine vertikale Achse aus dem ersten Abteil herausschwenkbar ist und auf dem Steuerungskomponenten für die Leistungshalbleitermodule angeordnet sind.
  • Der Traktionsumrichter weist ein quaderförmiges Gehäuse auf, das in der Längsrichtung mindestens dreimal so lang sein kann, wie es breit und/oder hoch ist. Auch kann das Gehäuse breiter als hoch sein. Insgesamt ist das Gehäuse dazu geeignet, unter dem Boden eines Schienenfahrzeugs befestigt zu werden.
  • Das Gehäuse ist aus beispielsweise vier rechteckigen Rahmenelementen gebildet, die über weitere Rahmenelemente miteinander verbunden sind, so dass sich eine käfigartige Grundstruktur ergibt. Ein rechteckiges Rahmenelement kann aus vier miteinander an den Enden verbundenen Winkelprofilen bestehen. Auch die weiteren Rahmenelemente können Winkelprofile sein, die an ihren Enden mit den rechteckigen Rahmenelementen verbunden sind.
  • Zumindest ein Teil der rechteckigen Öffnungen der Grundstruktur aus den Rahmenelementen kann mit vernieteten bzw. verschweißten Blechen verschlossen sein.
  • Aufgrund des Rahmens und der Bleche weist der Traktionsumrichter einen hohen Widerstand gegenüber Vibrationen und Stößen auf. Auch kann der Traktionsumrichter auf einfache Art und Weise zusammengebaut werden, was dessen Fertigungsqualität und Wartbarkeit erhöhen kann.
  • Bei einem mittleren rechteckigen Rahmenelement kann die entsprechende Öffnung mit einer Zwischenwand (in etwa einem weiteren Blech) verschlossen sein, so dass im Inneren des Gehäuses zwei Abteile gebildet sind. In dem zweiten Abteil sind Leistungshalbleitermodule angeordnet, die einen Gleichrichter und einen Wechselrichter bilden können. In dem ersten Abteil ist ein Schwenkrahmen angebracht, der Steuerungskomponenten insbesondere für die Leistungshalbleiter des Wechselrichters umfasst. Durch die Anordnung der Steuerungskomponenten im ersten Abteil getrennt von den Leistungshalbleitermodulen werden die von den Leistungshalbleitern erzeugten Störfelder gut gegenüber den Steuerungskomponenten abgeschirmt.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der Schwenkrahmen an einem mittleren rechteckigen Rahmenelement befestigt, beispielsweise das Rahmenelement, das auch die Zwischenwand trägt. Der Schwenkrahmen kann in einer Betriebsstellung eine rechteckige Öffnung der Grundstruktur aus den Rahmenelementen verschließen und/oder in dieser aufgenommen sein. Die Steuerungskomponenten können sich an der Außenseite des Schwenkrahmens befinden.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist das erste Abteil von zwei benachbarten rechteckigen Rahmenelementen gebildet. Das erste Abteil, das ein kleineres Volumen als das zweite Abteil aufweisen kann, kann lediglich durch einen Abschnitt der Grundstruktur gebildet sein. Ein Abschnitt der Grundstruktur ist dabei aus zwei aufeinander abfolgenden bzw. benachbarten rechteckigen Rahmenelementen gebildet.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist das zweite Abteil von drei rechteckigen Rahmenelementen gebildet. Das zweite Abteil kann von zwei Abschnitten der Grundstruktur gebildet sein.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist das zweite Abteil länger als das erste Abteil. Jedoch kann das zweite Abteil zwischen zwei begrenzenden rechteckigen Rahmenelementen noch ein weiteres Rahmenelement aufweisen, so dass die in Längsrichtung verlaufenden Rahmenelemente des zweiten Abteils kürzer als die des ersten Abteils sein können.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Traktionsumrichter weiter seitliche Abdeckungen, die an zwei benachbarten rechteckigen Rahmenelementen und zwei in Längsrichtung verlaufenden Rahmenelementen befestigt sind. Die Abdeckungen können beispielsweise mit Schrauben mit dem Rahmen verbunden sein und durch Lösen der Schrauben abgenommen werden. Auch die Abdeckungen können aus Blech gefertigt sein. Die anderen Wände des Umrichters können fest (unlösbar) mit dem Rahmen verbunden sein.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist das erste Abteil über eine seitliche Abdeckung zugänglich. Hinter dieser Abdeckung kann sich auch der Schwenkrahmen befinden.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist ein Innenraum des ersten Abteils durch den Schwenkrahmen und eine seitliche Abdeckung verdeckt. Der Innenraum ist durch Entfernen der seitlichen Abdeckung und Herausschwenken des Schwenkrahmens zugänglich.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist das zweite Abteil über zwei seitliche Abdeckungen zugänglich. Beispielsweise kann jede Abdeckung eine (einzige) durch die Rahmenelemente gebildete Öffnung überdecken. Nach dem Abnehmen der Abdeckungen sind die Leistungshalbleitermodule im zweiten Abteil zugänglich und können gewartet und/oder ausgetauscht werden. Ein Modul des Traktionsumrichters kann in weniger als 30 Minuten ausgetauscht werden, was die Wartungszeit erheblich verkürzen kann.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weisen die rechteckigen Rahmenelemente an seitlichen Enden Befestigungsösen auf, mit denen der Traktionsumrichter an einen Boden des Schienenfahrzeugs befestigbar ist. Der Traktionsumrichter kann unter dem Boden eines Schienenfahrzeugs installiert werden. Über die Befestigungsösen kann der Traktionsumrichter mit dem Schienenfahrzeug verschraubt werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind ein Lüfter, ein Trennschalter, ein Heizsystem, eine Vorladeschaltung und/oder ein Transducer in dem ersten Abteil angeordnet. Das erste Abteil kann die Hilfskomponenten des Traktionsumrichters enthalten.
  • Der interne Lüfter dient zur Luftkühlung des Inneren des Umrichters. Die Leistungshalbleitermodule können jedoch zusätzlich über eine Flüssigkeitskühlung gekühlt werden.
  • Mit Spannungs- und Strom-Transducern (Wandlern) können die Steuerungskomponenten im Schwenkrahmen die für die Steuerung notwendigen Messungen durchführen.
  • Durch das Heizsystem, das auch einen Heizkreislauf umfasst, kann der Umrichter beim Startvorgang beheizt werden und auch bei niedrigen Umgebungstemperaturen starten.
  • Mit dem Trennschalter kann der Umrichter von seiner Spannungsversorgung getrennt werden.
  • Die Vorladeschaltung dient zum Laden eines Zwischenkreises, d.h. von Zwischenkreis-Kondensatoren.
  • Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind in dem zweiten Abteil Kondensatoren für einen Zwischenkreis untergebracht. Das zweite Abteil kann die Leistungshalbleitermodule und die Zwischenkreis-Kondensatoren enthalten. Die Zwischenkreis-Kondensatoren können über horizontale und/oder vertikale Busschienen miteinander parallel geschaltet sein.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
  • Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung mit Bezug auf die beiliegenden Figuren detailliert beschrieben.
  • Die 1A zeigt eine perspektivische Ansicht eines Traktionsumrichters gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
  • Die 1B zeigt eine perspektivische Ansicht eines Traktionsumrichters gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
  • Die 2A zeigt den Traktionsumrichter aus der 1A aus einer anderen Richtung.
  • Die 2B zeigt den Traktionsumrichter aus der 1B aus einer anderen Richtung.
  • Die 3A zeigt den Traktionsumrichter aus der 1A aus einer weiteren Richtung.
  • Die 3B zeigt den Traktionsumrichter aus der 1B aus einer weiteren Richtung.
  • Die in den Figuren verwendeten Bezugszeichen und ihre Bedeutung sind in zusammenfassender Form in der Liste der Bezugszeichen aufgeführt. Grundsätzlich sind identische oder ähnliche Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
  • Die 1A zeigt einen Traktionsumrichter 10 mit einem Gehäuse 12, das aus speziell geformten, vernieteten und/oder verschweißten Blechen 14 bereitgestellt ist, die an einem gemeinsamen Rahmen 16 befestigt sind.
  • Der Rahmen 16 umfasst vier rechteckige Rahmenelemente 18a, 18b, 18c, 18d, die jeweils aus vier Winkelprofilen zusammengesetzt sind, die an ihren Enden miteinander verbunden sind. Die Rahmenelemente 18a, 18b, 18c, 18d sind an ihren Ecken mit weiteren in einer Längsrichtung verlaufenden Rahmenelementen 20 miteinander verbunden. Auch die Rahmenelemente 20 können Winkelprofile sein.
  • Der Rahmen 16 bildet eine Grundstruktur, an der die Bleche 14 als Wände, Boden und Decke des Traktionsumrichters 10 befestigt sind und mit der der Traktionsumrichter 10 an einen Boden eines Schienenfahrzeugs befestigt werden kann. Dazu weist jedes der Rahmenelemente 18a, 18b, 18c, 18d an seinen beiden oberen Ecken jeweils zwei Befestigungsösen 22 auf, durch die der Traktionsumrichter 10 mit dem Schienenfahrzeug verschraubt werden kann. Die Befestigungsösen 22 stehen dabei in einer seitlichen Richtung von den Rahmenelementen 18a, 18b, 18c, 18d ab.
  • Das mittlere Rahmenelement 18b weist eine Zwischenwand 24 auf (die auch aus Blech gefertigt sein kann), die das Innere des Traktionsumrichters 10 in ein erstes Abteil 26a und ein zweites Abteil 26b trennt.
  • An einer Seite weist der Traktionsumrichter 10 keine (unlösbar befestigten) Wände, sondern Abdeckungen 28 auf, die leicht (beispielsweise mittels Schrauben) von dem Rahmen 16 gelöst werden können. In der 1 ist die Abdeckung 28 für das erste Abteil 26a nicht dargestellt. Das zweite Abteil 26b weist zwei Abdeckungen 28 auf.
  • An seinen beiden Längsenden sind am Traktionsumrichter 10 noch Aufsätze 30 befestigt, die elektrische Anschlüsse (beispielsweise für eine mehrphasige Versorgungsspannung und/oder eine mehrphasige Ausgangsspannung) bereitstellen.
  • An dem Rahmenelement 18b ist ein Schwenkrahmen 32 angebracht, der um eine vertikale Achse aus dem ersten Abteil 26a herausgeschwenkt werden kann. An einer Außenseite des Schwenkrahmens 32 sind Steuerungskomponenten 34 des Traktionsumrichters 10 angebracht. In einer Betriebsstellung ist der Schwenkrahmen 32 in der Öffnung des ersten Abteils 26a aufgenommen. In der gezeigten Wartungsstellung ist der Schwenkrahmen nach außen geklappt und auf die Komponenten im Inneren des ersten Abteils 26a kann zugegriffen werden.
  • Im ersten Abteil 26a kann sich ein interner Lüfter 36 zur Luftkühlung, ein Trennschalter 38 zum Trennen des Traktionsumrichters 10 von einer Versorgungsspannung, ein Heizsystem 40, eine Vorladeschaltung 41 und mehrere Transducer 42 zur Strom- und Spannungsmessung befinden.
  • Die 2A zeigt eine weitere Ausführungsform eines Traktionsumrichters 10, der im Wesentlichen das gleiche Gehäuse 12, aber unterschiedliche Komponenten im Innenraum aufweist. Wie aus der 1B hervorgeht, können beispielsweise auch die Anschlüsse auf den Aufsätzen 30 anders angeordnet sein.
  • Der Traktionsumrichter 10 aus den 1A, 2A und 3A umfasst einen Drei-Level-Umrichter, während der aus den 1B, 2B und 3B einen Zwei-Level-Umrichter umfasst.
  • Bei den 2A und 2B sind auch die Abdeckungen 28 für das zweite Abteil 26b entfernt. Im Inneren des zweiten Abteils 26b befinden sich Leistungshalbleitermodule 44 mit Leistungshalbleitern für einen Gleichrichter und einen Wechselrichter, die über einen Gleichspannungs-Zwischenkreis miteinander verbunden sind. Die Leistungshalbleiter des Wechselrichters können durch die Steuerungskomponenten 34 gesteuert werden. Die Kondensatoren 45 für den Zwischenkreis sind hinter den Leistungshalbleitermodulen 44 in dem zweiten Abteil 26b angeordnet.
  • In den 3A und 3B ist zu erkennen, dass das Gehäuse 12 gegenüberliegend zu den Abdeckungen weitere Anschlüsse bereitstellen kann. Steuerungsanschlüsse 46 zum Verbinden mit einer übergeordneten Steuereinheit des Schienenfahrzeugs sind an einer Seitenwand des ersten Abteils 26a bereitgestellt.
  • Anschlüsse 48 für ein externes Flüssigkeitskühlsystem werden an den Seitenwänden des zweiten Abteils 26b bereitgestellt. Über die Anschlüsse 48 kann eine Kühlflüssigkeit durch die Leistungshalbleitermodule 44 gepumpt werden.
  • Unterhalb der Anschlüsse 48 können in den Seitenwänden Wartungsdeckel 50 vorhanden sein, über die bei der Wartung auf Drucksensoren zugegriffen werden kann.
  • Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass „umfassend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Traktionsumrichter
    12
    Gehäuse
    14
    Blech
    16
    Rahmen
    18a
    rechteckiges Rahmenelement
    18b
    rechteckiges Rahmenelement
    18c
    rechteckiges Rahmenelement
    18d
    rechteckiges Rahmenelement
    20
    Rahmenelement
    22
    Befestigungsöse
    24
    Zwischenwand
    26a
    erstes Abteil
    26b
    zweites Abteil
    28
    Abdeckung
    30
    Aufsatz mit Anschlüssen
    32
    Schwenkrahmen
    34
    Steuerungskomponenten
    36
    Lüfter
    38
    Trennschalter
    40
    Heizsystem
    41
    Vorladeschaltung
    42
    Transducer
    44
    Leistungshalbleitermodul
    45
    Kondensator
    46
    Steuerungsanschluss
    48
    Kühlmittelanschluss
    50
    Wartungsdeckel

Claims (10)

  1. Traktionsumrichter (10) zum Einbau in ein Schienenfahrzeug, der Traktionsumrichter (10) umfassend: ein quaderförmiges Gehäuse (12) aus einem Rahmen (16) und auf dem Rahmen befestigten Blechen (14), wobei der Rahmen (16) eine Mehrzahl von rechteckigen Rahmenelementen (18a, 18b, 18c, 18d) umfasst, die über in einer Längsrichtung verlaufende Rahmenelemente (20) miteinander verbunden sind und wobei das Gehäuse (12) durch ein mittleres rechteckiges Rahmenelement (18b) in ein erstes Abteil (26a) und ein zweites Abteil (26b) geteilt wird; eine Mehrzahl von Leistungshalbleitermodulen (44), die in dem zweiten Abteil (26b) aufgenommen sind; und einen Schwenkrahmen (32), der in dem ersten Abteil (26a) angeordnet ist, der um eine vertikale Achse aus dem ersten Abteil (26a) herausschwenkbar ist und auf dem Steuerungskomponenten (34) für die Leistungshalbleitermodule (44) angeordnet sind.
  2. Traktionsumrichter (10) nach Anspruch 1, wobei der Schwenkrahmen (32) an einem mittleren rechteckigen Rahmenelement (18b) befestigt ist.
  3. Traktionsumrichter (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das erste Abteil (26a) von zwei benachbarten rechteckigen Rahmenelementen (18a, 18b) gebildet ist; und/oder wobei das zweite Abteil (26b) von drei rechteckigen Rahmenelementen (18b, 18c, 18d) gebildet ist.
  4. Traktionsumrichter (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zweite Abteil (26b) länger als das erste Abteil (26a) ist.
  5. Traktionsumrichter (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend: seitliche Abdeckungen (28), die an zwei benachbarten rechteckigen Rahmenelementen (18a, 18b, 18c, 18d) und zwei in Längsrichtung verlaufenden Rahmenelementen (20) befestigt sind.
  6. Traktionsumrichter (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Abteil (26a) über eine seitliche Abdeckung (28) zugänglich ist; und/oder wobei das zweite Abteil (26b) über zwei seitlichen Abdeckungen (28) zugänglich ist.
  7. Traktionsumrichter (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Innenraum des ersten Abteils (26a) durch den Schwenkrahmen (32) und eine seitliche Abdeckung (28) verdeckt ist und der Innenraum durch Entfernen der seitlichen Abdeckung (28) und Herausschwenken des Schwenkrahmens (32) zugänglich ist.
  8. Traktionsumrichter (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die rechteckigen Rahmenelemente (18a, 18b, 18c, 18d) an seitlichen Enden Befestigungsösen (22) aufweisen, mit denen der Traktionsumrichter (10) an einen Boden des Schienenfahrzeugs befestigbar ist.
  9. Traktionsumrichter (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Lüfter (36), ein Trennschalter (38), ein Heizsystem (40), eine Vorladeschaltung (41) und/oder ein Transducer (42) in dem ersten Abteil (26a) angeordnet sind.
  10. Traktionsumrichter (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in dem zweiten Abteil (26b) Kondensatoren (45) für einen Zwischenkreis untergebracht sind.
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