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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft das Gebiet der Hochleistungselektronik. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Traktionsumrichter.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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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. Der Traktionsumrichter kann beispielsweise von einem Generator innerhalb des Schienenfahrzeugs, der von einem Verbrennungsmotor angetrieben wird, mit Spannung versorgt werden.
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Abhängig vom Typ und der Funktionsweise des Traktionsumrichters kann dieser auf dem Dach, unter dem Fahrzeugboden oder innerhalb eines Maschinenraums des Schienenfahrzeugs angebracht sein.
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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.
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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.
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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.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es ist Aufgabe der Erfindung, einen platzsparenden Traktionsumrichter bereitzustellen, der einfach und schnell zu warten ist.
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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.
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Die Erfindung betrifft einen Traktionsumrichter zum Einbau in ein Schienenfahrzeug, beispielsweise einer Elektrolok. Mit dem Traktionsumrichter kann eine dreiphasige Wechselspannung, die von einem mit einem Verbrennungsmotor angetriebenen Generator stammt, zu mehreren dreiphasigen Wechselspannungen für Antriebsmotoren umgewandelt werden. Beispielsweise können vier dreiphasige Wechselspannungen für vier unabhängig angetriebene Antriebsmotoren, beispielsweise Asynchronmotoren, bereitgestellt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Traktionsumrichter einen ersten Umrichter zum Umrichten einer Spannung von einem ersten Generator in eine Spannung zum Versorgen wenigstens eines ersten Antriebsmotors des Schienenfahrzeugs und einen zweiten Umrichter zum Umrichten einer Spannung von einem zweiten Generator in eine Spannung zum Versorgen wenigstens eines zweiten Antriebsmotors des Schienenfahrzeugs. Die beiden Umrichter können gleichartig aufgebaut sein, d.h. die gleiche Anzahl an Wechselrichtern aufweisen.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Traktionsumrichter ein quaderförmiges Gehäuse, das in ein linkes Abteil, ein mittleres Abteil und ein rechtes Abteil unterteilt ist. Auch die Abteile können quaderförmig sein und im Wesentlichen die gleiche Größe aufweisen. Das Gehäuse ist in der Regel aus geschweißten und/oder vernieteten Aluminium- und/oder Stahlblechen hergestellt, die auf einem Rahmen befestigt sind. Das Gehäuse kann neben Seitenwänden auch Bodenplatten und Deckenplatten aufweisen. Der Traktionsumrichter kann beispielsweise in einem Maschinenraum des Schienenfahrzeugs aufgestellt sein.
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Jedes der Abteile kann an seiner Vorderseite mit einer Abdeckung bedeckt sein. Bei der Wartung des Traktionsumrichters kann ein Servicetechniker die Abdeckungen vor den Abteilen abnehmen und auf die dahinterliegenden Komponenten zugreifen.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung enthält das linke Abteil Leistungselektronikmodule, Zwischenkreiskondensatoren und Steuerungskomponenten für den ersten Umrichter und das rechte Abteil Leistungselektronikmodule, Zwischenkreiskondensatoren und Steuerungskomponenten für den zweiten Umrichter. Die Leistungselektronikkomponenten der beiden Umrichter sind symmetrisch in dem Gehäuse verteilt. Die Leistungselektronikmodule umfassen Leistungshalbleiter, wie etwa IGBTs und Dioden, mit denen beispielsweise eine Spannung von dem jeweiligen Generator gleichgerichtet, in die Zwischenkreiskondensatoren eingespeist und anschließend für den jeweiligen Antrieb wieder wechselgerichtet wird.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung enthält das mittlere Abteil Lüfter zum Kühlen des Innenraums des linken Abteils und des rechten Abteils. Neben der Luftkühlung über die Lüfter können die Leistungselektronikmodule zusätzlich wassergekühlt sein. Insbesondere können sich im mittleren Abteil Komponenten befinden, die von beiden Umrichtern verwendet werden.
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Der Traktionsumrichter ist aufgrund seines Aufbaus besonders widerstandsfähig gegenüber Vibrationen und Stößen. Durch seinen Aufbau kann er leicht montiert und zusammengebaut werden.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind das linke Abteil und das rechte Abteil symmetrisch aufgebaut. Die beiden Abteile können die gleichen Abmessungen und/oder die gleiche Anzahl an Steckplätzen für die Leistungselektronikmodule aufweisen. Die beiden Abteile können auch so aufgebaut sein, dass sie gegenüber dem mittleren Abteil miteinander vertauscht werden können, was beispielsweise den Einbau des Traktionsumrichters in unterschiedlich ausgestalteten Schienenfahrzeugen erleichtern kann.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist das mittlere Abteil eine Klappe auf, durch die auf Trennschalter zum Trennen der Leistungselektronikmodule des ersten und des zweiten Umrichters von den Generatoren und/oder Antriebsmotoren und/oder auf einen den Erdungsschalter zugreifbar ist. Diese Klappe kann oberhalb einer Abdeckung für das mittlere Abteil angeordnet sein. Weiter kann die Klappe zum Zugriff auf die Schalter nach oben aufklappbar sein. Mit der Klappe kann auf die Schalter zugegriffen werden, ohne dass die Abdeckung abgenommen werden muss.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung enthält das mittlere Abteil einen Erdungsschalter, auf den durch die Klappe zugreifbar ist. Mit dem Erdungsschalter können alle im Betrieb unter Spannung stehenden Komponenten des Traktionsumrichters geerdet werden.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind die Steuerungskomponenten des linken Abteils auf einem linken Schwenkrahmen angeordnet, der aus dem linken Abteil um eine vertikale Schwenkachse herausschwenkbar ist. Die Steuerungskomponenten des rechten Abteils können auf einem rechten Schwenkrahmen angeordnet sein, der aus dem rechten Abteil um eine vertikale Schwenkachse herausschwenkbar ist. Die Steuerungskomponenten können die Gate-Signale für den ersten und den zweiten Umrichter erzeugen. Die Gate-Steuerungen für die Leistungshalbleiter können direkt auf den Leistungselektronikmodulen angeordnet sein.
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Durch die Schwenkrahmen kann besonders einfach auf die Leistungselektronikmodule zugegriffen werden. Nach Entfernen der zugehörigen Abdeckung auf dem linken bzw. rechten Abteil muss der Schwenkrahmen lediglich zur Seite geklappt werden, um an die dahinter liegenden Leistungselektronikmodule zu gelangen.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Schwenkachse des linken Schwenkrahmens bezüglich des Gehäuses spiegelsymmetrisch zu der Schwenkachse des rechten Schwenkrahmens angeordnet. Mit anderen Worten kann der linke Schwenkrahmen nach links (bzw. rechts) und der rechte Schwenkrahmen nach rechts (bzw. links) aus dem jeweiligen Abteil herausgeschwenkt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist jedes der Leistungselektronikmodule einzeln aus dem jeweiligen Abteil herausziehbar. Beispielsweise können die Leistungselektronikmodule auf horizontalen Schienen in dem linken und rechten Abteil gehalten sein. Jedes der horizontal angeordneten Leistungselektronikmodule kann somit in weniger als 30 Minuten ausgetauscht werden, was die Wartungszeit des Traktionsumrichters stark verkürzen kann.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind die Zwischenkreiskondensatoren hinter den Leistungselektronikmodulen des jeweiligen Umrichters angeordnet. Der Zwischenkreis des ersten bzw. des zweiten Umrichters kann aus identischen Kondensatoren aufgebaut sein, die hinter den Leistungselektronikmodulen des jeweiligen Umrichters in dem jeweiligen Abteil angeordnet sind. Auch die Zwischenkreiskondensatoren können leicht ausgetauscht werden.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfassen der erste Umrichter und der zweite Umrichter jeweils einen Gleichrichter zum Versorgen eines Zwischenkreises, und jeweils eine Mehrzahl von parallel mit dem Zwischenkreis verbundenen Wechselrichtern zum Versorgen einer Mehrzahl von Antriebsmotoren. Der Zwischenkreis ist aus den Zwischenkreiskondensatoren in dem jeweiligen Abteil gebildet. Der Gleichrichter und die Wechselrichter können jeweils von einem Leistungselektronikmodul bereitgestellt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfassen der erste Umrichter und der zweite Umrichter jeweils einen Wechselrichter, die mit einer externen Spannungsquelle verbindbar sind, um einen Zwischenkreis des jeweiligen Umrichters über die externe Spannungsquelle zu versorgen. Bei Wartungsarbeiten kann mit einem dieser Wechselrichter der Zwischenkreis des jeweiligen Umrichters geladen werden. Auf diese Weise kann das Schienenfahrzeug auch betrieben werden, ohne dass einer der Generatoren betrieben werden muss.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfassen der erste Umrichter und der zweite Umrichter jeweils einen Gleichspannungswandler, mit dem ein Bremswiderstand mit einem Zwischenkreis des jeweiligen Umrichters verbindbar ist. Damit können die Antriebsmotoren zum Bremsen des Schienenfahrzeugs verwendet werden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung mit Bezug auf die beiliegenden Figuren detailliert beschrieben.
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1 zeigt schematisch den elektrischen Aufbau eines Traktionsumrichters gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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2 zeigt eine Frontansicht eines Traktionsumrichters gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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3 zeigt den Traktionsumrichter aus der 1 mit entfernten Abdeckungen.
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4 zeigt den Traktionsumrichter aus der 1 mit entfernten Schwenkrahmen.
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5 zeigt den Traktionsumrichter aus der 1 mit entfernten Leistungselektronikmodulen.
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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.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELEN
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1 zeigt einen Traktionsumrichter 10 für ein Schienenfahrzeug, der über zwei jeweils dreiphasige Wechselstromeingänge 12 mit zwei Generatoren 14 verbunden ist. Jeder der Eingänge 12 ist über einen Unterbrecher 15 mit dem jeweiligen Generator 14 verbunden. Über einen weiteren Unterbrecher 16 können die beiden Eingänge 12 miteinander elektrisch verbunden werden, so dass beispielsweise lediglich einer der beiden Generatoren 14 beide Eingänge 12 mit Strom versorgen kann.
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Jeder der Generatoren 14 kann von einem Verbrennungsmotor angetrieben werden. Die Generatoren 14 und die Verbrennungsmotoren können auch in dem Schienenfahrzeug angeordnet sein.
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Der Traktionsumrichter umfasst zwei Umrichter 18a, 18b, die jeweils von einem der Eingänge 12 mit Wechselstrom versorgt werden können. Jeder der Umrichter 18a, 18b umfasst einen Gleichrichter 20, einen Zwischenkreis 22 und eine Mehrzahl von Wechselrichtern 24. Der Gleichrichter 20 erzeugt aus der Wechselspannung von dem Eingang 12 eine Gleichspannung, die in den Zwischenkreis 22 eingespeist wird. Jeder der Wechselrichter 24 kann aus der Gleichspannung im Zwischenkreis 22 eine dreiphasige Wechselspannung (mit anderer Frequenz) erzeugen, die an einem Wechselspannungsausgang 28 ausgegeben wird und mit der ein Antriebsmotor 26 des Schienenfahrzeugs betrieben werden kann.
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Weiter umfasst jeder der Umrichter einen weiteren Wechselrichter 30. Die Wechselrichter 30 können über einen weiteren Wechselstromeingang 32 versorgt werden, um Gleichspannung für den Zwischenkreis 22 zu erzeugen. Über einen Schalter 34 können die Wechselrichter mit einem der Eingänge 32 verbunden werden, die beispielsweise über einen Sinusfilter 36 und einen Transformator 38 mit dreiphasiger Netzspannung versorgt werden können. Dies kann beispielsweise dann geschehen, wenn das Schienenfahrzeug gewartet wird und die Verbrennungsmotoren nicht betrieben werden sollen.
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Weiter kann einer der Wechselrichter 30 dazu verwendet werden, eine Niederspannungs-Gleichstromversorgung 40 über einen der Transformatoren 38 mit Wechselstrom zu versorgen. Die durch den Transformator 38 heruntertransformierte Wechselspannung wird durch die Gleichstromversorgung in Gleichstrom umgewandelt, mit dem beispielsweise Steuerungskomponenten des Traktionsumrichters 10 und/oder elektrische Verbraucher im Schienenfahrzeug, wie etwa Lichter, Heizung usw., versorgt werden können. Dieser Gleichstrom wird an einem Gleichstromausgang 42 bereitgestellt.
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Außerdem umfasst jeder der Umrichter einen Gleichspannungswandler 44, der die Gleichspannung aus dem Zwischenkreis 22 in eine Gleichspannung umwandeln kann, die über einen Gleichstromausgang 46 durch einen Bremswiderstand 48 geleitet werden kann.
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Die Wechselrichter 24, der Wechselrichter 30 und der Gleichspannungswandler 44 jedes Umrichters 18a, 18b sind am Zwischenkreis 22 parallel geschaltet.
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2 zeigt den Traktionsumrichter 10 in einer Frontansicht. Der Traktionsumrichter 10 umfasst ein im Wesentlichen quaderförmiges Gehäuse 50, das in ein linkes Abteil 52a, ein mittleres Abteil 52b und ein rechtes Abteil 52c unterteilt ist. Das Gehäuse 50 kann aus geschweißten und/oder vernieteten Aluminium- und/oder Stahlblechen hergestellt sein, die auf einem Rahmen befestigt sind.
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Das linke Abteil 52a und das rechte Abteil 52c sind im Wesentlichen symmetrisch aufgebaut. Im linken Abteil 52a befinden sich im Wesentlichen die Leistungselektronikkomponenten des ersten Umrichters 18a. Im rechten Abteil 52c befinden sich im Wesentlichen die Leistungselektronikkomponenten des zweiten Umrichters 18b.
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Die Vorderseite jedes der Abteile 52a, 52b, 52c ist von einer Abdeckung 54 bedeckt, die entfernbar ist. Bei den beiden äußeren Abteilen 52a, 52c überdeckt die Abdeckung 54 die gesamte Vorderseite. Bei dem mittleren Abteil 52b überdeckt die Abdeckung 54 lediglich einen unteren Teil. In einem oberen Teil der Vorderseite befindet sich bei dem mittleren Abteil 52b eine Klappe 56, die nach oben geöffnet werden kann. Unterhalb der Klappe 56 befindet sich ein Service-Modul 62 mit einer Anzeige, auf der verschiedene Status des Traktionsumrichters 10 abgelesen werden können.
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Auf dem Dach des Gehäuses 50 befinden sich Steuerungsanschlüsse 58 für die Umrichter 18a, 18b, Kühlmittelanschlüsse 60, die Eingänge 12 und die Ausgänge 28, 32 und 46, die über dem Abteil 52b angeordnet sind.
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An der Seite des rechten Abteils 52c befinden sich weitere Anschlüsse für den Ausgang 42.
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Die 3 zeigt den Traktionsumrichter 10 mit entfernten Abdeckungen 54 und geöffneter Klappe 56.
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Hinter der Klappe 56 befindet sich ein Erdungsschalter 64 und mehrere Trennschalter 66, auf die durch Öffnen der Klappe 56 schnell zugegriffen werden kann. Die Trennschalter sind Motorschutzschalter, mit denen beispielsweise Motoren von Pumpen und/oder Lüftern 68 abgetrennt werden können.
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Darunter befinden sich im mittleren Abteil 52b zwei Lüfter 68 und Stromsensoren 70.
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Im linken Abteil 52a und im rechten Abteil 52c sind jeweils ein linker Schwenkrahmen 72a und ein rechter Schwenkrahmen 72b angebracht. Der linke Schwenkrahmen 72a kann um eine Schwenkachse an der linken Seite des Abteils 52a aus dem Abteil 52a herausgeschwenkt werden. Der rechte Schwenkrahmen 72b kann um eine Schwenkachse an der rechten Seite des Abteils 52c aus dem Abteil 52c herausgeschwenkt werden. Es ist auch möglich, dass die Schwenkachsen nicht außen sondern innen (d.h. auf der Seite des mittleren Abteils 52b) angebracht sind.
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Auf jedem Schwenkrahmen 72a, 72b befinden sich Steuerungskomponenten 74 für den jeweiligen Umrichter 18a, 18b und eine Stromversorgung 76 für diese Komponenten 74. Die Steuer- und Messsignale können über faseroptische Leitungen zu den Komponenten der jeweiligen Umrichter 18a, 18b hinter den Schwenkrahmen 72a, 72b übertragen werden. Die Steuerungskomponenten 74 sind über einen Bus („Multi Vehicle Bus“, MVB) mit einer übergeordneten Steuerung („Traction Control Management System“, TCMS) verbunden.
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Die 4 zeigt den Traktionsumrichter 10 mit entfernten Schwenkrahmen 72a, 72b. Hinter den Schwenkrahmen 72a, 72b befinden sich Leistungselektronikmodule 78, die die Gleichrichter 20, Wechselrichter 24, 30 und die Gleichspannungswandler 44 bereitstellen. In den beiden Abteilen 52a, 52c sind weiter induktive Komponenten der Umrichter 18a, 18b untergebracht. Am Boden des rechten Abteils 52c kann die Niederspannungsversorgung 40 angeordnet sein.
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Jedes der Leistungselektronikmodule 78 ist auf Schienen gelagert und kann auf einfache Weise aus dem jeweiligen Abteil 52a, 52c bei der Wartung herausgezogen bzw. hineingeschoben werden. Die Leistungselektronikmodule 78 werden im Wesentlichen mit Kühlmittel gekühlt, das über die Anschlüsse 60 durch die Leistungselektronikmodule 78 geleitet werden kann. Weiter können sich in den Abteilen 52a, 52c Luft-Kühlmittel-Wärmetauscher befinden.
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Die 5 zeigt den Traktionsumrichter 10 mit entfernten Leistungselektronikmodulen 78. Hinter den Leistungselektronikmodulen 78 sind Zwischenkreiskondensatoren 80 angeordnet, die die Zwischenkreise 22 der Umrichter 18a, 18b bilden.
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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.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Traktionsumrichter
- 12
- Wechselstromeingang
- 14
- Generator
- 15
- Unterbrecher
- 16
- Unterbrecher
- 18a
- erster Umrichter
- 18b
- zweiter Umrichter
- 20
- Gleichrichter
- 22
- Zwischenkreis
- 24
- Wechselrichter
- 26
- Antriebsmotor
- 28
- Wechselstromausgang
- 30
- Wechselrichter
- 32
- Wechselstromausgang
- 34
- Schalter
- 36
- Sinusfilter
- 38
- Transformator
- 40
- Niederspannungs-Gleichstromversorgung
- 42
- Gleichstromausgang
- 44
- Gleichspannungswandler
- 46
- Gleichstromausgang
- 48
- Bremswiderstand
- 50
- Gehäuse
- 52a
- linkes Abteil
- 52b
- mittleres Abteil
- 52c
- rechtes Abteil
- 54
- Abdeckung
- 56
- Klappe
- 58
- Steuerungsanschluss
- 60
- Kühlmittelanschluss
- 62
- Service-Modul
- 64
- Erdungsschalter
- 66
- Trennschalter
- 68
- Lüfter
- 70
- Stromsensoren
- 72a
- linker Schwenkrahmen
- 72b
- rechter Schwenkrahmen
- 74
- Steuerungskomponenten
- 76
- Stromversorgung
- 78
- Leistungselektronikmodul
- 80
- Zwischenkreiskondensator
