DE20321400U1 - Stromrichteranordnung - Google Patents

Abstract

Stromrichteranordnung für Hochleistungsanwendungen, insbesondere für zumindest einen Antriebsmotor eines Schienenfahrzeugs, mit
– einer Mehrzahl von ein- und ausschaltbaren elektronischen Ventilen (21),
– einer Kühleinrichtung (3) zum Kühlen der Ventile (21) und
– Verbindungsmitteln zum elektrischen Verbinden der Ventile (21),
wobei ein erster Teil der Ventile (21) derart elektrisch verbunden ist, dass ein Stromrichterbetrieb möglich ist und wobei ein zweiter Teil der Ventile (21) derart elektrisch verbunden ist, dass in der Stromrichteranordnung vorhandene elektrische Energie zu einer Energie-Speichereinrichtung (20) zuführbar ist und in der Speichereinrichtung (20) gespeicherte Energie als elektrische Energie in der Stromrichteranordnung bereitgestellt und/oder genutzt werden kann, wobei die Kühleinrichtung (3) eine für eine Kühlung des ersten und des zweiten Teils der Ventile (21) gemeinsame Kühleinrichtung ist, wobei die Verbindungsmittel als elektrische Leistungsverschienung (6) ausgestaltet sind und wobei die Stromrichteranordnung als Stromrichtereinheit (1) ausgestaltet ist, in der die Ventile (21), die Kühleinrichtung (3) und die...

Description

• Die Neuerung betrifft eine Stromrichteranordnung für Hochleistungsanwendungen mit einer Mehrzahl von ein- und ausschaltbaren elektronischen Ventilen. Die Stromrichteranordnung dient insbesondere der Versorgung eines Antriebsmotors eines Schienenfahrzeuges oder eines an ein elektrisches Versorgungsnetz angeschlossenen Straßenfahrzeuges (z.B. sogenannter O-Bus) mit elektrischer Energie. Beispielsweise kann die Stromrichteranordnung elektrische Energie aus einem Gleichspannungsnetz oder einem Wechselspannungsnetz beziehen. Derartige Stromrichteranordnung werden aber auch bei Fahrzeugen mit dieselelektrischem Antriebssystem eingesetzt oder bei Fahrzeugen, in denen eine Brennstoffzelleneinrichtung elektrische Energie generiert.
• Wenn die Stromrichteranordnung eines Fahrzeugs an ein elektrisches Versorgungsnetz angeschlossenen ist, kann beim Bremsen bzw. im Schubbetrieb elektrische Energie in das Versorgungsnetz zurück gespeist werden. In diesem Fall generiert der Antriebsmotor des Fahrzeugs elektrische Energie, die über die Stromrichteranordnung gleichgerichtet wird. Abhängig von dem momentanen Betriebszustand ist das Versorgungsnetz aber unter Umständen nicht in der Lage, elektrische Energie aufzunehmen. Ist die Stromrichteranordnung nicht an ein Versorgungsnetz angeschlossen, besteht keine Möglichkeit der Rückspeisung. Die elektrische Energie kann dann über einen elektrischen Widerstand in Wärme umgewandelt werden und an die Umgebung abgeführt werden.
• Es ist wünschenswert, die durch Umwandlung der elektrischen Energie in Wärme entstehenden Energieverluste zu minimieren. Hierzu kann die von dem Antriebsmotor generierte elektrische Energie reversibel oder nicht reversibel gespeichert werden. Als reversible Speicher können insbesondere Systeme mit schnell rotierenden Massen und/oder Systeme zur kurzzeitigen Speicherung elektrischer und/oder elektrochemischer Energie eingesetzt werden. In den letzten Jahren wurden Kondensatoren mit hoher Speicherkapazität entwickelt, insbesondere Doppelschichtkondensatoren. Unter Doppelschicht-Kondensatoren werden Kondensatoren verstanden, bei denen im geladenen Zustand an zumindest einer Elektrode eine elektrische Doppelschicht aus der Elektrode und elektrisch entgegengesetzt geladenen angelagerten Teilchen ausgebildet ist. Bei einer bevorzugten Art von Doppelschicht-Kondensatoren mit besonders hoher erreichbarer Kapazität pro Volumeneinheit, auch Superkondensatoren genannt, befindet sich zwischen den Elektroden eine elektrisch isolierende, jedoch für Ionen durchlässige Membran.
• Um insbesondere für den Einsatz in Schienenfahrzeugen und Bussen ausreichend große Energiemengen aufnehmen zu können, sind eine Vielzahl parallel und/oder in Serie zueinander geschaltete Kondensatoren erforderlich. Ein derartiger Energiespeicher für eine Straßenbahn hat beispielsweise ein Gewicht von 450 Kilogramm und ein Volumen von 0,8 Kubikmeter. Weiterhin sind entsprechende Stell- und Steuereinrichtungen zum Aufladen und Entladen des Energiespeichers erforderlich. Auf Grund des Platzbedarfs der einzelnen Systemkomponenten (Energiespeicher, Stromrichter, elektrische Verbindungen sowie Stell- und Steuereinrichtungen) und auf Grund der Mehrzahl der beteiligten Systemkomponenten treten einerseits während des Betriebes elektrische Verluste auf und können andererseits elektromagnetische Schwingungen in dem System angeregt werden. Auch ist zu berücksichtigen, dass die in Wärme umgewandelte elektrische Verlustenergie in ausreichender Weise an die Umgebung abgeführt werden muss. Insbesondere entstehen beim Betrieb der Kondensatoren (sowohl der Speicherkondensatoren als auch der Kondensatoren des Stromrichters) und beim Betrieb der ein- und ausschaltbaren Ventile erhebliche Wärmemengen.
• Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Neuerung, eine Stromrichteranordnung der eingangs genannten Art anzugeben, die zum reversiblen Speichern elektrischer Energie geeignet ist, wobei bei möglichst geringen Kosten und Platzbedarf ein effektiver störungsfreier Stromrichterbetrieb gewährleistet sein soll.
• Es wird eine Stromrichteranordnung für Hochleistungsanwendungen vorgeschlagen, die eine Mehrzahl von ein- und ausschaltbaren elektronischen Ventilen, eine Kühleinrichtung zum Kühlen der Ventile und Verbindungsmittel zum elektrischen Verbinden der Ventile aufweist. Ein erster Teil der Ventile ist derart elektrisch verbunden, dass ein Stromrichterbetrieb möglich ist und ein zweiter Teil der Ventile ist derart elektrisch verbunden, dass in der Stromrichteranordnung vorhandene elektrische Energie zu einer Energie-Speichereinrichtung zuführbar ist und in der Speichereinrichtung gespeicherte Energie als elektrische Energie in der Stromrichteranordnung bereitgestellt und/oder genutzt werden kann. Die Kühleinrichtung ist eine für eine Kühlung des ersten und des zweiten Teils der Ventile gemeinsame Kühleinrichtung. Die Verbindungsmittel sind als elektrische Leistungsverschienung ausgestaltet und die Stromrichteranordnung ist als Stromrichtereinheit ausgestaltet, in der die Ventile, die Kühleinrichtung und die Leistungsverschienung mechanisch miteinander verbunden sind.
• Die Stromrichtereinheit kann insbesondere wie in der DE 198 13 365 A1 beschrieben ausgeführt sein, wobei jedoch ein Teil der in der Schrift genannten Halbleiterventile als der zweite Teil der Ventile ausgestaltet ist und somit für die Beladung und Entladung des Energiespeichers eingesetzt werden kann. Bezüglich der mechanischen und elektrischen Verbindung der einzelnen Baugruppen und Bauteile des in der Schrift beschriebenen Stromrichters wird auf die dort gemachten Ausführungen Bezug genommen, die hiermit vollinhaltlich in die vorliegende Beschreibung aufgenommen werden. Jedoch sind im Rahmen der Neuerung auch andere Ausgestaltungen der Stromrichtereinheit möglich.
• Insbesondere ist der erste Teil der Ventile als Baugruppe für den Umrichterbetrieb eines Asynchronmotors ausgestaltet. Die Speichereinrichtung kann wie bereits im Zusammenhang mit der reversiblen Speicherung von elektrischer Energie beschrieben ausgestaltet sein.
• Insbesondere bei der in der DE 198 13 365 A1 beschriebenen Konstruktion einer Stromrichtereinheit werden einstückige Module verwendet, die jeweils zumindest eines der Ventile aufweisen. Außer den Ventilen können noch weitere elektronische Bauteile in den Modulen vorgesehen sein, beispielsweise jeweils eine antiparallel zu einem der Ventile geschaltete Diode. Es wird nun vorgeschlagen, zwei elektronische Ventile des zweiten Teils der Ventile in Reihe zu schalten und über die Reihenschaltung eine erste und eine zweite Gleichspannungsleitung eines Gleichspannungskreises miteinander zu verbinden. Die Reihenschaltung (mit ggf. weiteren elektronischen Bauteilen) kann als einstückiges Modul ausgestaltet sein. Insbesondere hat die Reihenschaltung drei elektrische Anschlüsse, einen an einem ersten Ende der Reihenschaltung, der mit der ersten Gleichspannungsleitung verbunden ist, einen zweiten an dem anderen Ende der Reihenschaltung, der mit der zweiten Gleichspannungsleitung verbunden ist, und einen dritten zwischen den Ventilen. Der dritte Anschluss wird zum Aufladen und Entladen mit der Speichereinrichtung verbunden, insbesondere über eine Drossel (Induktivität).
• Die Verwendung eines derartigen Moduls hat den Vorteil, dass existierende Stromrichter auf einfache Weise umgerüstet werden können, indem ein anderes Modul, das für die Auskopplung elektrischer Energie und die Zuführung der elektrischen Energie zu einem elektrischen Widerstand (Bremswiderstand) ausgestaltet ist, durch das Modul mit der Reihenschaltung ersetzt wird. Der Stromrichter kann daher lediglich durch die Ersetzung des Moduls für die reversible Energiespeicherung tauglich gemacht werden. Auch kann der vorhandene Stromrichter leicht von vornherein wie beschrieben hergestellt werden. Somit werden Entwicklungskosten für die Entwicklung einer neuen kompakten Stromrichtereinheit oder für die Entwicklung einer separaten bautechnischen Einheit mit dem zweiten Teil der Ventile gespart. Angesichts der in der Praxis für Schienenfahrzeuge hohen Stromrichter-Entwicklungskosten ermöglicht dies einen wirtschaftlich lohnenden Einstieg in die Rückgewinnung von Bremsenergie.
• Die Ventile der genannten Reihenschaltung sind vorzugsweise mit einer Steuereinrichtung der Stromrichtereinheit kombiniert, wobei die Steuereinrichtung ausgestaltet ist, durch Steuern eines Lade- und Entladebetriebes der Reihenschaltung elektrische Energie der Speichereinrichtung zuzuführen und/oder aus der Speichereinrichtung in den Gleichspannungskreis einzuspeisen. Insbesondere ist die Steuereinrichtung über Lichtleiter zur Übertragung von Schaltsignalen mit den Ventilen der Reihenschaltung verbunden.
• Bei einer Weiterbildung der Stromrichteranordnung sind zwei der Reihenschaltungen vorgesehen, wobei jede der Reihenschaltungen mit einer Steuereinrichtung kombiniert ist, sodass durch Steuern eines Lade- und Entladebetriebes der Ventile der Reihenschaltungen elektrische Energie zu der Speichereinrichtung zuführbar und aus der Speichereinrichtung in den Gleichspannungskreis einspeisbar ist. In diesem Fall kann z. B. die selbe Speichereinrichtung über beide Reihenschaltungen bei der doppelten Lade- und/oder Entladeleistung betrieben werden. Alternativ können zwei separate Speichereinrichtungen betrieben werden. Insbesondere kann bei einer vorhandenen Stromrichtereinheit ein weiteres für den Betrieb eines Bremswiderstandes ausgelegtes Modul gegen ein Modul mit der Reihenschaltung ausgetauscht werden.
• Es ist jedoch auch möglich, sowohl einen Bremswiderstand als auch einen reversiblen Energiespeicher gleichzeitig an dem selben Stromrichtern zu betreiben. Insbesondere für diesen Fall wird vorgeschlagen, dass zumindest eines der Ventile der Stromrichteranordnung derart elektrisch verbunden und betreibbar ist, dass elektrische Energie der Stromrichteranordnung über einen Widerstand in Wärme umwandelbar ist.
• Der neuerungsgemäße kompakte Aufbau der Stromrichteranordnung als Stromrichtereinheit mit gemeinsamer Kühlung und Leistungsverschienung minimiert den Platzbedarf und ermöglicht eine besonders niederinduktive elektrische Verbindung aller Ventile. Die Leistungsverschienung kann eine Mehrzahl von elektrisch leitenden, gegeneinander isolierten Schichten aufweisen, über die die jeweils erforderlichen elektrischen Verbindungen hergestellt sind. Gegenüber einer Stromrichteranordnung, in der der erste Teil der Ventile und der zweite Teil der Ventile in getrennten bautechnischen Einheiten angeordnet sind, kann somit eine kostengünstigere und auch niederinduktivere Verschienung erzielt werden, sodass störende elektromagnetische Schwingungen zwischen den durch den ersten und den zweiten Teil der Ventile gebildeten Schaltungseinheiten vermieden werden. Abgesehen davon, dass derartige Schwingungen den Betrieb des Stromrichters selbst stören können, werden auch die Vorschriften hinsichtlich der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) und ggf. hinsichtlich des Betriebs von Stromrichtern an elektrischen Versorgungsnetzen sicher eingehalten. Die Leistungsverschienung ist insbesondere einstückig ausgestaltet.
• Auch ist der Aufwand für die Kühlung sämtlicher Ventile auf Grund der Verwendung einer gemeinsamen Kühleinrichtung minimiert. Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Kühleinrichtung einen Kühlkörper auf, an dessen Oberfläche die Ventile befestigt sind. Z. B. kann die Kühleinrichtung (etwa ein Wasserkühler oder Luftkühler) derart ausgestaltet sein, dass sie das Gewicht zumindest der Ventile und der Leistungsverschienung trägt. Durch den mechanischen Verbund dieser Baugruppen der Stromrichteranordnung kann eine besonders stabile und insbesondere selbst tragende Stromrichtereinheit erreicht werden. Die Stromrichtereinheit kann daher zunächst vollständig montiert werden und muss dann am Einsatzort lediglich noch mit den anderen bautechnischen Einheiten verbunden werden, etwa mit der Speichereinrichtung, einem Stromabnehmer und einem Antriebsmotor.
• Insbesondere sind die Ventile des ersten Teils anders ausgestaltet als die Ventile des zweiten Teils. Z. B. sind die eigentlichen Stromrichterventile (der erste Teil) insbesondere bei Motorstromrichtern größer und/oder für größere Stromstärken und/oder für höhere Schaltfrequenzen ausgelegt. Auch weist die Stromrichtereinheit vorzugsweise eine Steuereinrichtung auf, die derart ausgestaltet und signaltechnisch mit dem zweiten Teil der Ventile verbunden ist, dass der zweite Teil der Ventile für die Auf- und Entladung der Speichereinrichtung einsetzbar ist. Wenn eine Systemsteuerung zur Steuerung des Betriebs des Stromrichters und der Auf- und Entladefunktion in die Stromrichtereinheit integriert ist, übernimmt die Systemsteuerung vorzugsweise sämtliche, auch stromrichterexterne Funktionen im Zusammenhang mit der Aufladung und Entladung der Speichereinrichtung.
• Die neuerungsgemäße Stromrichteranordnung erlaubt insbesondere folgende Verfahrensweise beim Betrieb eines Schienenfahrzeuges, z. B. einer Straßenbahn. Diesem Verfahren liegt das Problem zugrunde, dass es an bestimmten Orten, beispielsweise städtischen Plätzen mit denkmalgeschützten Gebäuden und/oder Sehenswürdigkeiten, unerwünscht ist, eine Oberleitung für Schienenfahrzeuge zu installieren oder zu betreiben. Andererseits ist der Aufwand für die Verlegung einer Stromschiene im Bodenbereich, an der das Schienenfahrzeug den benötigten Strom zum Betrieb des Antriebsmotors abnehmen kann, hoch. Es wird daher vorgeschlagen, eine Speichereinrichtung zum reversiblen Speichern elektrischer Energie vor einem Beginn eines Streckenabschnitts, in dem keine Möglichkeit einer Stromentnahme aus einem elektrischen Versorgungsnetz besteht, über die Stromrichteranordnung mit elektrischer Energie aufzuladen und die für die Fahrt in dem Streckenabschnitt benötigte elektrische Energie zumindest teilweise durch Entladen der Speichereinrichtung und Einspeisen elektrischer Energie in die Stromrichteranordnung bereitzustellen.
• Im Folgenden wird die Neuerung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, die in den Figuren schematisch dargestellt sind. Gleiche Bezugsziffern in den einzelnen Figuren bezeichnen dabei gleiche Elemente. Im Einzelnen zeigt:
• 1 eine Stromrichtereinheit in perspektivischer Explosionsdarstellung,
• 2 ein elektrisches Schaltbild eines Systems mit der Stromrichtereinheit nach 1 und mit einer Energie-Speichereinrichtung und
• 3 ein elektrisches Teil-Schaltbild einer Variante des Systems nach 2.
• Die 1 gezeigte Stromrichtereinheit 1 weist von unten nach oben auf einen Luftkühler 3 mit einem Kühlkörper 2, eine Gruppe von insgesamt acht einstückigen Halbleitermodulen 4, eine Leistungsverschienung 6, ein Kondensatormodul 8, ein Ventil-Steuerungsmodul 12 und eine Systemsteuerung 13.
• Der hohle Kühlkörper 2 ermöglicht den Abtransport von Wärme über ein gasförmiges Wärmeträgermedium (insbesondere Luft), das den Kühlkörper 2 durchströmt. Die acht Halbleitermodule 4 sind mit ihren Unterseiten vollflächig auf der ebenen Oberfläche des Kühlkörpers 2 befestigt. Somit besteht ein guter Wärmeübergang zwischen den Halbleitermodulen 4 und dem Kühlkörper 2. Alternativ zu dem Luftkühler 3 kann beispielsweise ein für ein flüssiges Kühlmedium geeigneter Flüssigkeitskühler verwendet werden. Dadurch dass die acht Halbleitermodule 4 dicht nebeneinander angeordnet sind, vorzugsweise ohne Abstand zueinander, kann die Stromrichtereinheit 1 insgesamt kompakte aufgebaut sein. Insbesondere ermöglicht diese Anordnung kurze Wege der elektrischen Verbindungen zwischen den Halbleitermodulen 4. Die Halbleitermodule 4 bilden zwei Reihen mit jeweils vier längsseitig in Reihe angeordneten gleich großen Halbleitermodulen.
• Sechs der Halbleitermodule 4 weisen jeweils einen IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) 21d bis 21i und eine antiparallel geschaltete Freilaufdiode auf. Eines der Halbleitermodule 4 stellt einen Bremssteller 16 dar, der eine Parallelschaltung eines IGBT 21a und einer antiparallelen Freilaufdiode 19b in Reihe zu einer weiteren Diode 19b aufweist. Dabei sind die Strom-Durchlassrichtungen des IGBT 21a und der Diode 19b entgegengesetzt auf einen Mittelanschluss zwischen dem IGBT 21a und der Diode 19b gerichtet. Das achte der Halbleitermodule 4 stellt einen Ladesteller 18 dar und weist zwei Parallelschaltungen eines IGBT 21b, 21c und einer antiparallelen Freilaufdiode 19c, 19d auf, wobei die Parallelschaltungen in Reihe zueinander geschaltet sind. Die Strom-Durchlassrichtungen der IGBT 21b, 21c sind gleichgerichtet, wobei der Ladesteller einen Mittelanschluss zwischen den IGBT 21b, 21c aufweist.
• Die Leistungsverschienung 6 ist unmittelbar an der Oberseite der acht Halbleitermodule 4 angeordnet und verbindet die Halbleitermodule 4 sowie weitere Bauteile des Stromrichters elektrisch wie in 2 dargestellt. Unmittelbar über der Leistungsverschienung 6 ist das Kondensatormodul 8 angeordnet, das sechs Kondensatoren 9 aufweist, die in Reihe nebeneinander angeordnet sind. Das Kondensatormodul 8 weist an seinen Stirnseiten senkrecht nach unten ragende Bleche 7 auf, die mechanisch mit dem Luftkühler 3 verbunden sind, um beim Betrieb der Kondensatoren 9 entstehende Wärme zum Luftkühler 3 abzuleiten.
• In Höhe der Kondensatoren 9 liegt ein Freiraum, in dem sich jedoch eine von einem Träger 11 getragene Steuereinheit 10 befindet. Die Steuereinheit 10 dient der Steuerung von Schalthandlungen (ein- und ausschalten) der IGBT 21b, 21c des Ladestellers 18. Die Steuereinheit 10 ist dort angeordnet, weil die in 1 dargestellte Stromrichtereinheit 1 ursprünglich nicht für die reversible Speicherung elektrischer Energie ausgestaltet war, jedoch entsprechend umgerüstet wurde. Für die Umrüstung wurde ein zweiter Bremssteller durch den Ladesteller 18 ersetzt und die Steuereinheit 10 hinzugefügt. Bei der Neu-Herstellung einer funktionsgleichen Stromrichtereinheit kann die Steuereinheit 10 in das Ventil-Steuerungsmodul 12 integriert werden. Das unmittelbar über dem Kondensatormodul 8 angeordnete Ventil-Steuerungsmodul 12 weist für die Steuerung von Schalthandlungen der IGBT 21a und 21d bis 21i ausgestaltete Steuerungseinheiten auf. Unmittelbar über dem Ventil-Steuerungsmodul 12 ist die Systemsteuerung 13 angeordnet, die durch Software betriebene Steuerungselektronik zur Steuerung des Stromrichterbetriebs und optional zur Steuerung externer Funktionen (wie z. B. Auswertung eines Ladezustandes eines Energie-Speichermoduls 20) aufweist.
• Das Kondensatormodul 8, das Ventil-Steuerungsmodul 12 und die Systemsteuerung 13 sind aneinander befestigt und werden – wie auch die acht Halbleitermodule 4 und die Verschienung 6 – von dem Kühlkörper 2 getragen. Die gesamte Stromrichtereinheit 1 ist selbsttragend, d. h. benötigt keine zusätzlichen Mittel zum Halten oder Tragen ihrer Bauteile und Module.
• 2 zeigt das elektrische Schaltbild der Stromrichtereinheit 1, eines externen Moduls 38 und des Speichermoduls 20. Weitere, nicht dargestellte Bauteile und Elemente können vorgesehen sein. Ein Gleichspannungszwischenkreis 28, über dem die Stromrichtereinheit 1 elektrisch an ein Stromversorgungsnetz angeschlossen werden kann (z. B. direkt oder über einen weiteren Stromrichter) weist eine erste 29 und eine zweite 30 Gleichspannungsleitung auf. Während des Betriebes befindet sich die zweite Gleichspannungsleitung 30 auf höherem elektrischen Potenzial als die erste Gleichspannungsleitung 29. Außerhalb der Stromrichtereinheit 1 ist in dem dargestellten Fall mit der zweiten Gleichspannungsleitung 30 verbunden eine Eingangsinduktivität 33, über die die Stromrichtereinheit 1 an ein 750 Volt Gleichspannungsnetz für den Betrieb von Straßenbahnen angeschlossen werden kann.
• Zwischen die erste 29 und die zweite 30 Gleichspannungsleitung sind die Kondensatoren 9 geschaltet, von denen in 2 einer stellvertretend dargestellt ist. Parallel zu den Kondensatoren neun ist ein Entladewiderstand 34 geschaltet.
• Ebenfalls zwischen die erste 29 und die zweite 30 Gleichspannungsleitung sind der Bremssteller 16, der Ladesteller 18 und drei Reihenschaltungen mit jeweils zwei der IGBT 21d bis 21i geschaltet. An jeweils einem Mittelanschluss der drei Reihenschaltungen zweigen drei Phasen einer Drehstromleitung zu einem Motor 36 ab, der insbesondere ein Asynchronmotor zum Antreiben der Bewegung eines Schienenfahrzeuges (z. B. Straßenbahn) ist.
• Das externe Modul 38 weist einen Bremswiderstand 31 auf, der an einer Seite mit dem Mittelanschluss des Bremssteller 16 und an der anderen Seite mit der ersten Gleichspannungsleitung 29 sowie mit einer ersten Verbindungsleitung 39 zu dem Speichermodul 20 verbunden ist. Weiterhin weist das externe Modul 38 eine Ladedrossel 24 auf, die an einer Seite mit dem Mittelanschluss des Ladestellers 18 und an der anderen Seite über einen Stromsensor 25 mit einer zweiten Verbindungsleitung 40 zu dem Speichermodul 20 verbunden ist. Der Stromsensor 25 dient der Steuerung des Lade- und Entladebetriebs des Speichermoduls 20, das eine Vielzahl von Speicherkondensatoren, insbesondere Doppelschichtkondensatoren, aufweist, von denen einer stellvertretend dargestellt und mit dem Bezugszeichen 23 bezeichnet ist. Zwischen die erste 39 und die zweite 40 Verbindungsleitung ist ein Spannungssensor 26 ebenfalls zur Steuerung des Lade- und Entladebetriebs des Speichermoduls 20 geschaltet. Eine elektrische Verbindung 27 verbindet die erste Verbindungsleitung 39 mit der ersten Gleichspannungsleitung 29.
• Während des Betriebes der Stromrichtereinheit 1 kann es vorkommen, dass der Motor 36 im generatorischen Betrieb elektrische Energie in den Gleichspannungszwischenkreis 28 einspeist. Mindestens ein Teil der generierten Energie (Bremsenergie) wird dazu verwendet, die Speicherkondensatoren 23 aufzuladen. Dies setzt allerdings voraus, dass die Speicherkondensatoren 23 noch Energie aufnehmen können bzw. dass die an den Kondensatoren anliegende Spannung nicht größer als die Spannung zwischen der ersten 29 und der zweiten 30 Gleichspannungsleitung wird. Andernfalls würde jedenfalls bei der gezeigten Schaltungsanordnung eine unkontrollierte Entladung der Speicherkondensatoren 23 über die Diode 19c in den Zwischenkreis stattfinden. Auch ist es möglich, die Speicherkondensatoren 23 mit elektrischer Energie aus dem Versorgungsnetz aufzuladen.
• Zur Speicherung wird der IGBT 21b wiederholt ein- und ausgeschaltet. Wenn der IGBT 21b eingeschaltet ist, fließt ein Strom von der zweiten Gleichspannungsleitung 30 über den IGBT 21b, die Ladedrossel 24 und die zweite Verbindungsleitung 40 in die Speicherkondensatoren 23 und zurück von den gegenüberliegenden Polen der Speicherkondensatoren 23 über die erste Verbindungsleitung 39 und über die elektrische Verbindung 27 zu der ersten Gleichspannungsleitung 29. Wenn der IGBT 21b ausgeschaltet ist, fließt ein Strom von der ersten Gleichspannungsleitung 29 über die Diode 19d, die Ladedrossel 24 und die zweite Verbindungsleitung 40 in die Speicherkondensatoren 23 und wiederum zurück von den gegenüberliegenden Polen der Speicherkondensatoren 23 über die erste Verbindungsleitung 39 und über die elektrische Verbindung 27 zu der ersten Gleichspannungsleitung 29.
• Zur Entladung der Speicherkondensatoren 23, d. h. zur Einspeisung elektrischer Energie in den Zwischenkreis wird der IGBT 21c wiederholt ein- und ausgeschaltet. Wenn der IGBT 21c eingeschaltet ist, fließt ein Strom von den Speicherkondensatoren 23 über die zweite Verbindungsleitung 40, die Ladedrossel 24 und den IGBT 21c in die erste Gleichspannungsleitung 29 und zurück über die elektrische Verbindung 27 und über die erste Verbindungsleitung 39 zu den gegenüberliegenden Polen der Speicherkondensatoren 23. Wenn der IGBT 21c ausgeschaltet ist, fließt ein Strom von den Speicherkondensatoren 23 über die zweite Verbindungsleitung 40, die Ladedrossel 24 und die Diode 19c in die zweite Gleichspannungsleitung 30 und ein Strom von der ersten Gleichspannungsleitung 29 über die elektrische Verbindung 27 und über die erste Verbindungsleitung 39 zu den gegenüberliegenden Polen der Speicherkondensatoren.
• Für den Fall, dass von dem Motor 36 erzeugte elektrische Energie weder in das Versorgungsnetz zurückgespeist werden kann, noch in den Speicherkondensatoren 23 gespeichert werden kann, wird die elektrische Energie über den Bremswiderstand 31 in Wärme umgewandelt. Hierzu wird der IGBT 21a wiederholt ein- und ausgeschaltet, sodass ein Stromfluss von der zweiten Gleichspannungsleitung 30 über den IGBT 21a zu dem Bremswiderstand 31 stattfindet, wenn der IGBT 21a eingeschaltet ist, und sodass ein Stromfluss von der ersten Gleichspannungsleitung 29 über die Diode 19b zu dem Bremswiderstand 31 stattfindet, wenn der IGBT 21a ausgeschaltet ist.
• Die in 3 dargestellte Variante des Systems nach 2 weist zwei der Ladesteller auf, die mit den Bezugszeichen 18a, 18b bezeichnet sind. Beide Ladesteller 18a, 18b sind wie der Ladesteller 18 gemäß 2 ausgestaltet und zwischen die erste 29 und die zweite 30 Gleichspannungsleitung geschaltet. Sie weisen jeweils einen Mittelanschluss auf, der mit einer Ladedrossel 24a bzw. 24b verbunden ist. Die Ladedrosseln 24a, 24b sind an der anderen Seite elektrisch miteinander verbunden, sodass über die Ladesteller 18a, 18b einzeln oder gleichzeitig eine Auf- und Entladung der Speicherkondensatoren 23 stattfinden kann. Es kann daher ein größerer Ladestrom oder Entladestrom fließen. Die entsprechende modifizierte Stromrichtereinheit ist in 3 mit dem Bezugszeichen 1a bezeichnet, das modifizierte externe Modul mit dem Bezugszeichen 38a.
• Bei einer weiteren Variante des Systems ist die Stromrichtereinheit wie anhand von 3 beschrieben ausgestaltet, können jedoch über die beiden Ladesteller 18a, 18b verschiedene Speichereinrichtungen auf- und entladen werden. Auch können der Bremssteller 16 und der Bremswiderstand 31 in dem in 2 dargestellten System weggelassen werden oder können die beiden Ladesteller 18a, 18b in 3 mit einer gemeinsamen Ladedrossel verbunden sein.
• Ein Vorteil der Möglichkeit zur Speicherung der elektrischen Energie besteht darin, dass der Bremswiderstand gegenüber herkömmlichen Stromrichtern verkleinert bzw. für geringere elektrische Leistungen ausgelegt werden kann oder ganz entfallen kann.

Claims (11)

1. Stromrichteranordnung für Hochleistungsanwendungen, insbesondere für zumindest einen Antriebsmotor eines Schienenfahrzeugs, mit – einer Mehrzahl von ein- und ausschaltbaren elektronischen Ventilen (21), – einer Kühleinrichtung (3) zum Kühlen der Ventile (21) und – Verbindungsmitteln zum elektrischen Verbinden der Ventile (21), wobei ein erster Teil der Ventile (21) derart elektrisch verbunden ist, dass ein Stromrichterbetrieb möglich ist und wobei ein zweiter Teil der Ventile (21) derart elektrisch verbunden ist, dass in der Stromrichteranordnung vorhandene elektrische Energie zu einer Energie-Speichereinrichtung (20) zuführbar ist und in der Speichereinrichtung (20) gespeicherte Energie als elektrische Energie in der Stromrichteranordnung bereitgestellt und/oder genutzt werden kann, wobei die Kühleinrichtung (3) eine für eine Kühlung des ersten und des zweiten Teils der Ventile (21) gemeinsame Kühleinrichtung ist, wobei die Verbindungsmittel als elektrische Leistungsverschienung (6) ausgestaltet sind und wobei die Stromrichteranordnung als Stromrichtereinheit (1) ausgestaltet ist, in der die Ventile (21), die Kühleinrichtung (3) und die Leistungsverschienung (6) mechanisch miteinander verbunden sind.
2. Stromrichteranordnung nach Anspruch 1, wobei die Leistungsverschienung (6) einen Gleichspannungskreis (28) mit einer ersten und einer zweiten Gleichspannungsleitung (29, 30) aufweist und wobei eine Reihenschaltung (18) mit zwei elektronischen Ventilen (21b, 21c) des zweiten Teils der Ventile (21) die erste und die zweite Gleichspannungsleitung (29, 30) elektrisch miteinander verbindet.
3. Stromrichteranordnung nach Anspruch 2, wobei die Reihenschaltung (18) als einstückiges Modul (4) ausgestaltet ist.
4. Stromrichteranordnung nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Ventile (21b, 21c) der Reihenschaltung (18) mit einer Steuereinrichtung kombiniert sind, sodass durch Steuern eines Lade- und Entladebetriebes der Reihenschaltung (18) elektrische Energie der Speichereinrichtung (20) zuführbar und aus der Speichereinrichtung (20) in den Gleichspannungskreis (28) einspeisbar ist.
5. Stromrichteranordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei zwei der Reihenschaltungen (18a, 18b) vorgesehen sind, wobei jede der Reihenschaltungen (18a, 18b) mit einer Steuereinrichtung kombiniert ist, sodass durch Steuern eines Lade- und Entladebetriebes der Ventile der Reihenschaltungen (18a, 18b) elektrische Energie zu der Speichereinrichtung zuführbar und aus der Speichereinrichtung in den Gleichspannungskreis (28a) einspeisbar ist.
6. Stromrichteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Kühleinrichtung (3) einen Kühlkörper (2) aufweist und wobei die Ventile (21) an der Oberfläche des Kühlkörpers (2) befestigt sind.
7. Stromrichteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Kühleinrichtung (3) die Ventile (21) und die Leistungsverschienung (6) trägt.
8. Stromrichteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei zumindest eines der Ventile (21a) derart elektrisch verbunden und betreibbar ist, dass elektrische Energie der Stromrichteranordnung über einen Widerstand (31) in Wärme umwandelbar ist.
9. System mit einer Stromrichteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 und mit der Speichereinrichtung (20), wobei die Speichereinrichtung (20) zumindest einen Speicherkondensator (23), insbesondere einen Doppelschichtkondensator, aufweist und wobei die Leistungsverschienung (6) elektrisch mit der Speichereinrichtung (20) verbunden ist.
10. System nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das System ein Modul (38) mit einem Bremswiderstand (31) und mit einer Ladedrossel (24) aufweist, wobei der Bremswiderstand (31) mit einem zwischen Gleichspannungsleitungen (29, 30) eines Gleichspannungskreises (28) der Stromrichteranordnung geschalteten Bremssteller (16) verbunden ist und wobei die Speichereinrichtung (20) über die Ladedrossel (24) mit einem zwischen die Gleichspannungsleitungen (29, 30) des Gleichspannungskreises (28) geschalteten Ladesteller (18) verbunden ist.
11. System nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Modul (38) einen Spannungssensor (26) zur Steuerung eines Lade- und Entladebetriebs der Speichereinrichtung (20) aufweist.