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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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Ein Traktionsumrichter wird dazu verwendet, eine Wechsel- oder Gleichspannung in eine Wechselspannung einer anderen Frequenz und/oder Amplitude umzurichten, die einem Antriebsmotor eines Schienenfahrzeugs oder weiteren elektrischen Verbrauchern in dem Schienenfahrzeug zugeführt werden kann. Der Traktionsumrichter kann beispielsweise von einem Generator im Schienenfahrzeug 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 untergebracht 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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Ein derartiges Gehäuse kann 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. Auch kann sich eine Kühlung der Komponenten komplizierter gestalten.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es ist Aufgabe der Erfindung, einen platzsparenden Traktionsumrichter bereitzustellen, der leicht zu warten ist und der eine effiziente Kühlung bereitstellt.
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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 einer dreiphasigen Wechselspannung für einen oder mehrere Antriebsmotoren, beispielsweise Asynchronmotoren, umgewandelt werden. Der Traktionsumrichter kann auch direkt aus einem Gleichstromnetz mit beispielsweise eine Spannung von 3 kV DC gespeist werden.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Traktionsumrichter ein quaderförmiges Gehäuse, das in ein erstes Abteil und ein zweites Abteil unterteilt ist, die durch eine vertikale Trennwand voneinander getrennt sind. 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. Mit dem Gehäuse kann der Traktionsumrichter beispielsweise in einem Maschinenraum des Schienenfahrzeugs aufgestellt werden.
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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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Der Traktionsumrichter ist aufgrund seines Aufbaus besonders widerstandsfähig gegenüber Vibrationen und Stößen und/oder kann leicht montiert und zusammengebaut werden.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Traktionsumrichter einen Generator-Umrichter, einen Motor-Umrichter und wenigstens einen Hilfsumrichter. Der Generator-Umrichter kann eine dreiphasige Wechselspannung, die von einem Generator stammt, gleichrichten und in einen Zwischenkreis einspeisen, während der Motor-Umrichter aus der Gleichspannung im Zwischenkreis eine dreiphasige Ausgangswechselspannung wechselrichten kann. Ein oder zwei Hilfsumrichter können aus der Gleichspannung im Zwischenkreis eine Wechselspannung mit niedriger Spannung erzeugen, mit der weitere Komponenten, wie etwa die Beleuchtung des Schienenfahrzeugs, versorgt werden kann.
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Weiter kann der Traktionsumrichter direkt mit einer Gleichspannung betrieben werden, die in den Zwischenkreis eingespeist wird und beispielsweise von einer Oberleitung stammen kann.
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Der Traktionsumrichter ist dazu ausgeführt, eine Mehrzahl von Antriebsmotoren zu versorgen, die in einem Gruppenantrieb zusammengefasst sind.
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Der Generator-Umrichter, der dazu ausgeführt ist, eine Wechselspannung von einem Generator in eine Gleichspannung für einen Zwischenkreis umzuwandeln, ist in dem ersten Abteil angeordnet, wobei der Generator-Umrichter auf eine Mehrzahl von Leistungselektronikmodulen verteilt ist, die horizontal in das erste Abteil eingeschoben sind.
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Auch der Motor-Umrichter, der dazu ausgeführt ist, die Gleichspannung aus dem Zwischenkreis in eine Wechselspannung für einen Motor umzuwandeln, ist in dem ersten Abteil angeordnet, wobei der Motor-Umrichter auf eine Mehrzahl von Leistungselektronikmodulen verteilt ist, die horizontal in das erste Abteil eingeschoben sind.
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Der oder die Hilfsumrichter, die dazu ausgeführt sind, eine Wechselspannung für Niederspannungskomponenten des Schienenfahrzeugs zu erzeugen, sind in dem zweiten Abteil angeordnet, wobei der Motor-Umrichter auf eine Mehrzahl von Leistungselektronikmodulen verteilt ist, die horizontal in das zweite Abteil eingeschoben sind. In dem zweiten Abteil können auch ein Netzeingang und/oder eine Spannungsbegrenzungseinheit angeordnet sein.
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Die Leistungselektronikmodule des Generator-Umrichters, Motor-Umrichters und des Hilfsumrichters umfassen Leistungshalbleiter, wie etwa IGBTs und Dioden und/oder können auf Drei-Niveau-Technik basieren.
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Jedes der Leistungselektronikmodule ist einzeln aus dem jeweiligen Abteil herausziehbar. Beispielsweise können die Leistungselektronikmodule auf horizontalen Schienen in den Abteilen 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 Leistungselektronikmodule für den Generator-Umrichter über den Leistungselektronikmodulen für den Motor-Umrichter angeordnet. Beispielsweise kann je Phase der Eingangswechselspannung und je Phase der Ausgangswechselspannung ein Leistungselektronikmodul vorhanden sein. Damit können im ersten Abteil drei Leistungselektronikmodule für den Generator-Umrichter und drei Leistungselektronikmodule für den Motor-Umrichter vorhanden sein.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind Kondensator-Module für den Zwischenkreis hinter den Leistungselektronikmodulen für den Generator-Umrichter und den Leistungselektronikmodulen für den Motor-Umrichter angeordnet. Der Zwischenkreis kann aus identischen Kondensator-Modulen aufgebaut sein, die hinter den Leistungselektronikmodulen der Umrichter in dem ersten Abteil angeordnet sind. Auch die Leistungselektronikmodule können leicht ausgetauscht werden, indem beispielsweise ein davor angeordnetes Leistungselektronikmodul aus dem Gehäuse gezogen wird und damit das dahinter liegende Kondensator-Modul frei zugänglich ist.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind Steuerungskomponenten für den Generator-Umrichter, Motor-Umrichter und den Hilfsumrichter auf einem Schwenkrahmen angeordnet, der aus dem ersten Abteil um eine vertikale Schwenkachse herausschwenkbar ist. Die Steuerungskomponenten auf dem Schwenkrahmen können die Gate-Signale für den Generator-Umrichter und den Motor-Umrichter erzeugen. Die Gate-Steuerungen für die Leistungshalbleiter auf den Leistungselektronikmodulen können direkt auf den Leistungselektronikmodulen angebracht sein.
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Durch die Schwenkrahmen kann besonders einfach auf die Leistungselektronikmodule im ersten Abteil zugegriffen werden. Nach Entfernen der zugehörigen Abdeckung auf dem linken 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 enthält das zweite Abteil einen Lüfter zum Kühlen des Innenraums des ersten Abteils und des zweiten Abteils. Der Lüfter kann dazu ausgeführt sein, Luft in einem geschlossenen Luftkreis innerhalb des Gehäuses umzuwälzen.
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Die Luft kann dabei durch einen Wärmetauscher geführt werden. Die Leistungselektronikmodule sind hauptsächlich wassergekühlt, wobei die die Gate Treiber der Leistungselektronikmodule luftgekühlt sein können.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der Lüfter am Boden des zweiten Abteils angeordnet.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind induktive Elemente des Hilfsumrichters im zweiten Abteil neben und/oder über dem Lüfter angeordnet. Die induktiven Elemente können beispielsweise ein Transformator und/oder Filterinduktoren sein. Weiter können die Leistungselektronikmodule für den Hilfsumrichter über den induktiven Elementen angeordnet sind. Bei dieser Anordnung strömt im zweiten Abteil noch kühle Innenluft zunächst durch die Leistungselektronikmodule und erst anschließend durch die robusteren induktiven Elemente, was zu einer effizienten Kühlung führt.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind induktive Elemente des Hilfsumrichters im ersten Abteil neben dem Lüfter angeordnet. Auch auf diese Weise strömt im ersten Abteil noch kühle Innenluft zunächst durch die Leistungselektronikmodule und erst anschließend durch die induktiven Elemente.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist ein Netzeingang für den Generator-Umrichter (zum Betrieb direkt mit einer Gleichspannung) und den Hilfsumrichter an einer Oberseite des zweiten Abteils angeordnet. Die entsprechenden Anschlüsse können sich auf der Oberseite des Gehäuses befinden.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind Komponenten einer Spannungsbegrenzungseinheit im zweiten Abteil zwischen dem Netzeingang und den Leistungselektronikmodulen für den Hilfsumrichter angeordnet. Diese Komponenten der Spannungsbegrenzungseinheit können über Anschlüsse auf der Oberseite des Gehäuses mit einem Bremswiderstand verbunden sein. Mit der Spannungsbegrenzungseinheit können Spannungsspitzen über den Bremswiderstand abgefangen 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 eine Frontansicht eines Traktionsumrichters gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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2 zeigt eine Seitenansicht des Traktionsumrichters aus der 1.
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3 zeigt den Traktionsumrichter aus der 1 von oben.
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4 zeigt den Traktionsumrichter aus der 1 mit entfernten Abdeckungen.
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5 zeigt den Traktionsumrichter aus der 1 mit entfernte, Schwenkrahmen. 6 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 in einer Frontansicht. Der Traktionsumrichter 10 umfasst ein im Wesentlichen quaderförmiges Gehäuse 12, das in ein linkes Abteil 14 und ein rechtes Abteil 16 unterteilt ist. Das Gehäuse 12 kann aus geschweißten und/oder vernieteten Aluminium- und/oder Stahlblechen hergestellt sein, die auf einem Rahmen befestigt sind.
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Die Vorderseite jedes der Abteile 14, 16 ist von einer Abdeckung 18 bedeckt, die entfernbar ist. Die Abdeckung 18 überdeckt im Wesentlichen die gesamte Vorderseite des jeweiligen Abteils 14, 16.
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Die 2 zeigt den Traktionsumrichter 10 von der Seite. Es ist zu erkennen, dass an einer Seitenwand 22 Schienen 20 angebracht sein können, an denen Komponenten des Schienenfahrzeugs befestigt werden können.
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Die 3 zeigt den Traktionsumrichter 10 von oben. An einer Deckenwand 24 sind mehrere Anschlüsse des Traktionsumrichters 10 bereitgestellt, wie etwa Kühlmittelanschlüsse 26, die mittig angeordnet sind. Weiter befinden sich ein Steuerungsanschluss 28, ein Leistungsanschluss 30 für den Generator-Umrichter, ein Gleichspannungsanschluss 32, ein Anschluss 34 für einen Bremswiderstand und Anschlüsse 36 für den Hilfsumrichter auf der Deckenwand 24.
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Die 4 zeigt den Traktionsumrichter 10 mit entfernten Abdeckungen 18. Es ist zu erkennen, dass die beiden Abteile 14 und 16 durch eine vertikale Trennwand 38 voneinander getrennt sind.
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Im linken Abteil 14 befindet sich ein Schwenkrahmen 40, der um eine vertikale Schwenkachse an der Trennwand 38 aus dem Abteil 14 herausgeschwenkt werden kann. Auf dem Schwenkrahmen 40 befinden sich Steuerungskomponenten 42 für den hinter dem Schwenkrahmen 40 angeordneten Generator-Umrichter 44 und den Motor-Umrichter 46 sowie den im zweiten Abteil 16 befindlichen Hilfsumrichter 48. Die Steuer- und Messsignale können über faseroptische Leitungen zu den Komponenten der jeweiligen Umrichter 44, 46, 48 übertragen werden. Messsignale können beispielsweise von einem Stromsensor 50 für eine Spannungsbegrenzereinheit 52, einen Stromsensor 54 für den Hilfsumrichter 48 und einen Stromsensor 56 für den Motor-Umrichter 46 erzeugt werden.
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Die Steuerungskomponenten 42 sind mit einem Bus mit den Anschlüssen 28 verbunden, über den sie mittels des CANopen-Protokolls mit einer übergeordneten Steuerung des Schienenfahrzeugs Informationen austauschen können.
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Die 5 zeigt den Traktionsumrichter 10 mit entferntem Schwenkrahmen 40. Hinter dem Schwenkrahmen 40 befinden sich im ersten Abteil 14 Leistungselektronikmodule 58 für den Generator-Umrichter 44 und den Motor-Umrichter 46. Im zweiten Abteil befinden sich drei Leistungselektronikmodule 58 für den Hilfsumrichter 48.
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Jedes der Leistungselektronikmodule 78 ist auf horizontalen Schienen gelagert und kann auf einfache Weise aus dem jeweiligen Abteil 14, 16 bei der Wartung herausgezogen bzw. hineingeschoben werden.
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Die Leistungselektronikmodule 58 tragen Leistungshalbleiter in der Form von IGBTs und Dioden und sind mit den zugehörigen Gate-Treibern ausgestattet, die von den Steuerungskomponenten 42 angesteuert werden können.
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Die Leistungselektronikmodule 58 werden im Wesentlichen mit Kühlmittel gekühlt, das über die Anschlüsse 26 durch die Leistungselektronikmodule 58 geleitet werden kann. Jedes der Leistungselektronikmodule 58 ist mit Schnellkopplern ausgestattet, um es einfach von der Kühlmittelleitung abtrennen zu können.
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Für jede Phase umfasst der Generator-Umrichter 44 und der Motor-Umrichter 46 jeweils ein Leistungselektronikmodul 58. Die drei Leistungselektronikmodule 58 des Generator-Umrichters 44 sind übereinander und über den Leistungselektronikmodulen 58 des Motor-Umrichters 46 angeordnet.
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Über den Leistungselektronikmodulen 58 des Hilfsumrichters 48 sind im rechten Abteil 16 ein Netzeingang 60 und die Spannungsbegrenzereinheit 52 angeordnet.
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Das Innere des Gehäuses 12 und insbesondere des ersten Abteils 14 und des zweiten Abteils 16 wird mit einem Lüfter 62 gekühlt, der Luft im Inneren des Gehäuses 12 in einem geschlossenen Luftkreislauf durch einen wassergekühlten Wärmetauscher bläst.
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Die 6 zeigt den Traktionsumrichter mit entfernten Leistungselektronikmodulen 58 und entferntem Lüfter 62.
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Über dem Lüfter 62 sind im zweiten Abteil 16 induktive Elemente 64 des Hilfsumrichters 48 angeordnet, wie etwa Filter-Induktoren. Auch im ersten Abteil 14 kann sich unterhalb der Leistungselektronikmodule 58 ein derartiges induktives Element 64 befinden. Hinter dem Lüfter 62 befinden sich Transformatoren 66 für den Hilfsumrichter 48. Auf diese Weise wird die von dem Lüfter 62 angesaugte Luft erst durch die wassergekühlten Leistungselektronikmodule 58 geführt, bevor sie durch die induktiven Elemente 64, 66 strömt.
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Weiter ist in der 6 zu sehen, dass hinter den Leistungselektronikmodulen 58 Kondensator-Module 68 für einen Zwischenkreis 70 der Umrichter 44, 46 angeordnet sind. Auch diese Kondensator-Module 68 sind analog den Leistungselektronikmodulen 58 austauschbar.
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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
- Gehäuse
- 14
- erstes Abteil
- 16
- zweites Abteil
- 18
- Abdeckung
- 20
- Schienen
- 22
- Seitenwand
- 24
- Deckenwand
- 26
- Kühlmittelanschluss
- 28
- Steuerungsanschluss
- 30
- Leistungsanschluss für den Generator-Umrichter
- 32
- Gleichspannungsanschluss
- 34
- Anschluss für Bremswiderstand
- 36
- Anschluss für Hilfsumrichter
- 38
- Trennwand
- 40
- Schwenkrahmen
- 42
- Steuerungskomponenten
- 44
- Generator-Umrichter
- 46
- Motor-Umrichter
- 48
- Hilfsumrichter
- 50
- Stromsensor für Spannungsbegrenzer
- 52
- Spannungsbegrenzereinheit
- 54
- Stromsensor für Hilfsumrichter
- 56
- Stromsensor für Motor-Umrichter
- 58
- Leistungselektronikmodul
- 60
- Netzeingang
- 62
- Lüfter
- 64
- induktives Element
- 66
- Transformator
- 68
- Kondensator-Modul
- 70
- Zwischenkreis
