DE3817652A1 - Elektrisch betriebenes schienentriebfahrzeug mit mindestens zwei antriebsanlagen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein elektrisch betrie­ benes Schienentriebfahrzeug mit mindestens zwei An­ triebsanlagen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein solches elektrisch betriebenes Schienentriebfahrzeug mit mindestens zwei Antriebsanlagen ist aus Elektrische Bahnen, 1984, Heft 2, Seite 56 bis 65 bekannt. Das in Bild 2 auf Seite 57 dargestellte Schienentriebfahrzeug weist z.B. zwei Drehgestellkreise mit jeweils zwei An­ triebsanlagen und insgesamt vier Fahrmotoren auf.

Schienentriebfahrzeuge mit hoher Leistung und/oder Ge­ schwindigkeit mit besonderen Anforderungen an das Lauf­ verhalten werden fast ausschließlich mit Asynchronfahr­ motoren angetrieben, die von Pulswechselrichtern mit Gleichspannungszwischenkreis mit Drehstrom variabler Frequenz und Spannung gespeist werden. Die Energiezufuhr zum Zwischenkreis erfolgt bei Wechselstrombahnen mit 16²/₃Hz und 50Hz Speisefrequenz bevorzugt ebenfalls mit Pulswechselrichtern in Brückenschaltung, den sogenanmten Vierquadrantenstellern als Eingangsstellern (siehe z.B. Elektrische Bahnen, 45, (1974), Heft 6, Seite 135 bis 142).

Realisiert ist auch die Einspeisung des Zwischenkreises bei Gleichstrombahnen aus einer Fahrdrahtspannung, die niedriger als die Zwischenkreisspannung liegt, mittels Hochsetz-Gleichstromstellern, meist in Zweiquadranten­ schaltung. Der Zweiquadrantensteller kann vorteilhaft mit den gleichen Leistungsbausteinen wie der selbstge­ führte Wechselrichter ausgeführt werden (siehe z.B. BBC-Nachrichten 1978, Heft 4, Seite 135 bis 141).

Bei Hochleistungs-/Hochgeschwindigkeitsfahrzeugen ist eine Nenn-Zwischenkreisspannung von 2800 V üblich. Dieser Wert kann auch bei den selbstgeführten Wechselrichtern mit abschaltbaren Thyristoren (GTO-Thyristoren) beibe­ halten werden, zum einen wegen der Kompatabilität, zum anderen, da die Schalterfunktion mit einem der verfügba­ ren Höchstleistungselemente mit 4500 V Sperrspannung rea­ lisiert werden kann.

Diese Zwischenkreis-Nennspannung bietet bei Wechselspan­ nungs-Einspeisung sowie bei der bei verschiedenen Bahn­ verwaltungen vertretenen Fahrdrahtspannungen von 1500V Gleichspannung keine Schwierigkeiten, wohl aber bei dem in einigen Ländern eingeführten 3000V-Gleichspannungssy­ stem: Wegen des großen Eingangsspannungsbereichs von 2000V bis 4200V muß der Eingangssteller die beiden Funk­ tionen des Aufwärtsstellers (Fahrdrahtspannung ist klei­ ner als die Zwischenkreisnennspannung) und des Abwärts­ stellers (Fahrdrahtspannung ist größer als die Zwischen­ kreisnennspannung) beinhalten. Dies ist nicht nur im leistungselektronischen Teil aufwendig, nachteilig ist vor allem der durch die Kombination Abwärtssteller + Gleichspannungszwischenkreis doppelte Glättungsaufwand. Der beim GTO-Wechselrichter naheliegende Direktbetrieb am Fahrdraht (wie bei Nahverkehrsfahrzeugen an 750-V- bzw. 1500-V-Fahrdraht) ist nicht möglich, da die dafür benötigten 8000- . . . 9000-V-GTO-Thyristoren nicht zur Ver­ fügung stehen.

Der Erfindung liegt davon ausgehend die Aufgabe zugrun­ de, ein elektrisch betriebenes Schienentriebfahrzeug mit mindestens zwei Antriebsanlagen der eingangs genannten Art anzugeben, das als Mehrsystem-Triebfahrzeug univer­ sell sowohl mit Wechselspannung als auch mit Gleichspan­ nung unterschiedlicher Höhe betreibbar ist (Gleichstrom­ bahn, Wechselstrombahn).

Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffes erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen ins­ besondere darin, daß sämtliche für den Wechselspannungs­ betrieb erforderlichen Leistungsbausteine auch fur den Gleichspannungsbetrieb eingesetzt werden. Hierzu sind lediglich Umgruppierungen unter Zuhilfenahme von Schalt­ geräten notwendig, wobei die Tatsache ausgenutzt wird, daß bei den in Betracht gezogenen Schienentriebfahrzeu­ gen stets mindestens zwei Antriebsanlagen (je eine pro Drehgestell) vorhanden sind. Die Sekundärwicklungen des Transformators werden beim Gleichspannungsbetrieb vor­ teilhaft als Stellerdrosseln verwendet, wobei die Pri­ marwicklungen kurzgeschlossen sind.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeich­ nung dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Schienentriebfahrzeug mit Eingangssteller, Gleichspannungszwischenkreis und selbstgeführ­ tem Wechselrichter bei Speisung mit einphasi­ ger Wechselspannung,

Fig. 2 eine Variante zur Anordnung gemäß Fig. 1 bei Speisung mit Gleichspannung,

Fig. 3 eine Variante zur Anordnung gemäß Fig. 2 bei Speisung mit einer auf den halben Wert verrin­ gerten Gleichspannung,

Fig. 4 ein universell als Mehrsystem-Triebfahrzeug betreibbares Schienentriebfahrzeug.

In Fig. 1 ist ein Schienentriebfahrzeug mit Eingangs­ steller, Gleichspannungszwischenkreis und selbstgeführ­ tem Wechselrichter bei Speisung mit einphasiger Wechsel­ spannung dargestellt. Die in Fig. 1 sowie den weiteren Fig. 2, 3, 4 gezeigten Anordnungen eignen sich bei­ spielsweise für ein Mehrsystem-Triebfahrzeug mit hoher Leistung und/oder Geschwindigkeit. Das Schienentrieb­ fahrzeug ist über den Fahrdraht 1 und einen Hauptschal­ ter 2 sowie andererseits über das Rad/Schienensystem 7 mit Fahrdrahtspannung UF beaufschlagbar. Im Fall der Anordnung gemäß Fig. 1 wird einphasige Wechselspannung mit 16²/₃Hz oder 50Hz Frequenz eingespeist. Mit dem Hauptschalter 2 sind parallelgeschaltete Primärwicklun­ gen 3 und 5 eines Haupttransformators 4 verbunden. Ande­ rerseits liegen beide Primärwicklungen 3, 5 am Rad/- Schienensystem 7 des Schienentriebfahrzeuges.

Die Sekundärwicklung 8 des Transformators 4 ist mit ei­ nem ersten Vierquadrantensteller 9 verbunden. Bei diesem Eingangssteller handelt es sich um einen GTO-bestückten Pulswechselrichter in Brückenschaltung. Ausgangsseitig ist der Vierquadrantensteller 9 mit einem ersten Saug­ kreis, bestehend aus einer Saugkreisdrossel 10 und einem in Serie liegenden Saugkreiskondensator 11, beschaltet. Der Vierquadrantensteller 9 speist einen ersten Gleich­ spannungszwischenkreis mit Zwischenkreiskondensator 12. Mit dem Gleichspannungszwischenkreis ist ein selbstge­ führter Wechselrichter 13, vorzugsweise ein GTO-bestück­ ter Pulswechselrichter in Drehstrombrückenschaltung, verbunden. An den Drehspannungsausgang des Wechselrich­ ters 13 sind ein oder mehrere, im Beispiel zwei Fahrmo­ toren 14, 15, vorzugsweise Drehstrom-Asynchronmaschinen, angeschlossen (erster Drehgestellkreis).

Die Sekundärwicklung 16 des Transformators 4 ist mit einem zweiten Vierquadrantensteller 17 (Pulswechselrich­ ter in Brückenschaltung, GTO-Eingangssteller) verbunden. Ausgangsseitig ist der Vierquadrantensteller 17 mit ei­ nem zweiten Saugkreis, bestehend aus einer Saugkreis­ drossel 18 und einem in Serie liegenden Saugkreiskonden­ sator 19, beschaltet. Der Vierquadrantensteller 17 speist einen zweiten Gleichspannungszwischenkreis mit Zwischenkreiskondensator 20. Mit dem zweiten Gleichspan­ nungszwischenkreis ist ein selbstgeführter Wechselrich­ ter 21 (Pulswechselrichter in Drehstrombrückenschaltung, GTO-Wechselrichter) verbunden. An dem Drehspannungsein­ gang des Wechselrichters 21 sind zwei weitere Fahrmoto­ ren 22, 23 (Drehstrom-Asynchronmaschinen) für den An­ trieb des Schienentriebfahrzeuges angeschlossen (zweiter Drehgestellkreis).

Die Saugkreise 10, 11 und 18, 19 nehmen die mit doppel­ ter Netzfrequenz pendelnde Leistung des Einphasennetzes auf.

Die Darstellung ist insofern vereinfacht, als nur ein Vierquadrantensteller und eine Sekundärwicklung pro Drehgestellkreis dargestellt sind, meist sind aus Lei­ stungsgründen zwei Systeme pro Drehgestellkreis erfor­ derlich, wie z.B. auch aus der eingangs erwähnten Druckschrift "Elektrische Bahnen", 1984, Heft 2, Seite 57 ersichtlich ist. Gleichermaßen sind die erforderlichen Schaltgeräte zur Umgruppierung aus Gründen der Über­ sichtlichkeit nicht dargestellt.

In Fig. 2 ist eine Variante zur Anordnung gemäß Fig. 1 bei Speisung mit Gleichspannung dargestellt. Bei dieser Variante wird eine relativ hohe Gleichspannung von z.B. 3000 V als Fahrdrahtspannung UF eingespeist. Wie aus ei­ nem Vergleich der Schaltungsanordnungen gemäß Fig. 1 und 2 hervorgeht, werden bei Fig. 2 exakt die gleichen Lei­ stungsbausteine wie auch bei Fig. 1 eingesetzt, es fin­ det lediglich eine Umgruppierung einzelner Bausteine statt, so daß die Antriebsanlagen 9, 12, 13 und 17, 20, 21 eingangsseitig in Reihe geschaltet werden.

Gemäß Fig. 2 ist die Saugkreisdrossel 10 einserseits mit dem Hauptschalter 2, andererseits mit der Sekundärwick­ lung 8 des Transformators 4 verbunden. An die weitere Klemme der Sekundärwicklung 8 sind beide Wechselspan­ nungsanschlüsse des Vierquadrantenstellers 9 angeschlos­ sen. Der über die Saugkreisdrossel 10 fließende Ein­ gangsstrom ist mit IF bezeichnet. Der negative Gleich­ spannungsanschluß des Stellers 9 ist nicht nur mit dem ersten Gleichspannungszwischenkreis, sondern zusätzlich über den Saugkreiskondensator 11 und die Saugkreisdros­ sel 10 mit dem Fahrdraht 1 sowie über die Saugkreisdros­ sel 18 und den Saugkreiskondensator 19 mit dem Rad/- Schienensystem 7 verbunden. Die ausgangsseitige Beschal­ tung des Stellers 9 mit Gleichspannungszwischenkreis, Zwischenkreiskondensator 12 und Wechselrichter 13 ist wie unter Fig. 1 beschrieben, wobei jedoch der ungrup­ pierte erste Saugkreis als Filterkreis des ersten Gleichspannungszwischenkreises entfällt.

Die Sekundärwicklung 16 des Transformators 4 liegt ei­ nerseits am gemeinsamen Verbindungspunkt von Saugkreis­ drossel 18 und Saugkreiskondensator 19, andererseits sind an sie beide Wechselspannungsanschlüsse des Vier­ quadrantenstellers 17 angeschlossen. Der negative Gleichspannungsanschluß des Stellers 17 ist nicht nur mit dem zweiten Gleichspannungszwischenkreis, sondern zusätzlich mit dem Saugkreiskondensator 19 und dem Rad/- Schienensystem 7 verbunden. Die ausgangsseitige Beschal­ tung des Stellers 17 mit Gleichspannungszwischenkreis, Zwischenkreiskondensator 20 und Wechselrichter 21 ist wie unter Fig. 1 beschrieben, wobei jedoch auch der um­ gruppierte zweite Saugkreis als Filterkreis des zweiten Gleichspannungszwischenkreises entfällt.

Die an den in Reihe liegenden Saugkreiskondensatoren 11 und 19 anliegenden Teilfahrdrahtspannungen sind mit UF 1, UF 2 und die an den Zwischenkreiskondensatoren 12 und 20 anstehenden Zwischenkreisspannungen sind mit UZK 1, UZK 2 bezeichnet. Die in die Wechselrichter 13, 21 fließenden Zwischenkreisströme betragen IZK 1, IZK 2. Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, können beim Gleichspan­ nungsbetrieb die für den Wechselspannungsbetrieb erfor­ derlichen Saugkreise 10, 11 und 18, 19 vorteilhaft als Eingangsfilter nach Umgruppierung weiterverwendet wer­ den. Als Stellerdrosseln dienen die Sekundärwicklungen 8 und 16 des Haupttransformators 4, wobei die Primärwick­ lungen 3 und 5 kurzgeschlossen sind. Dies ist durch die starke Entkopplung der Sekundärwicklungen 8, 16 unter­ einander möglich. Ein Problem stellt die Stabilisierung der beiden Zwi­ schenkreisspannungen UZK 1 und UZK 2 bei schnellen Lastän­ derungen in nur einem Drehgestellantrieb dar, wie sie beim Einsatz eines hochwertigen Schleuder- und Gleit­ schutzsystems unvermeidlich sind. Durch das variable Aussteuerverhältnis der Steller 9, 17 lassen sich aber bei ungleichen Zwischenkreisströmen IZK 1, IZK 2 gleiche Zwischenkreisspannungen UZK 1, UZK 2 erreichen, wobei bei gleichem Eingangsstrom IF (der durch die Reihenschaltung erzwungen wird) die Teil-Eingangsspannungen sich wie die Zwischenkreisströme verhalten. Dies wird dadurch be­ grenzt, daß ein Steller die Spannungsstellgrenze er­ reicht.

In Fig. 3 ist eine Variante gemäß Fig. 2 bei Speisung mit einer auf den halben Wert verringerten Gleichspan­ nung dargestellt. Bei dieser Variante wird eine Gleich­ spannung von z.B. 1500 V als Fahrdrahtspannung UF einge­ speist. Wie aus einem Vergleich der Schaltungsanordnun­ gen gemäß Fig. 2 und 3 hervorgeht, werden bei Fig. 3 wiederum exakt die gleichen Leistungsbausteine wie auch bei Fig. 2 eingesetzt, es findet lediglich eine zusätz­ liche Umgruppierung einzelner Bausteine statt, so daß die Antriebsanlage 9, 12, 13 und 17, 20, 21 eingangssei­ tig parallelgeschaltet werden.

Gemäß Fig. 3 sind beide Saugkreisdrosseln 10 bzw. 18 ei­ nerseits mit dem Hauptschalter 2, andererseits mit der Sekundärwicklung 8 bzw. 16 und dem Saugkreiskondensator 11 bzw. 19 verbunden. An die weitere Klemme der Sekun­ därwicklung 8 bzw. 16 sind beide Wechselspannungsan­ schlüsse des Vierquadrantenstellers 9 bzw. 17 ange­ schlossen. Der negative Gleichspannungsanschluß des Stellers 9 bzw. 17 ist nicht nur mit dem entsprechenden Gleichspannungskreis, sondern zusätzlich mit dem Saug­ kreiskondensator 11 bzw. 19 und dem Rad/Schienen-System 7 verbunden. Die ausgangsseitige Beschaltung der Steller 9 bzw. 17 mit Gleichspannungszwischenkreis, Zwischen­ kreiskondensator 12 bzw. 20 und Wechselrichter 13 bzw. 21 ist wie unter Fig. 1 beschrieben, wobei jedoch die umgruppierten Saugkreise als Filterkreise der Gleich­ spannungszwischenkreise entfallen. Die Primärwicklungen 3, 5 sind wiederum kurzgeschlossen.

In Fig. 4 ist ein universell als Mehrsystem-Triebfahr­ zeug betreibbares Schienentriebfahrzeug dargestellt. In der Grundstruktur ist eine auch in Fig. 1 gezeigte Schaltungsanordnung mit Fahrdraht 1, Hauptschalter 2, Rad/Schienensystem 7, Transformator 4 (Primärwicklungen 3, 5, Sekundärwicklungen 8, 16), Vierquadrantensteller 9, 17, Saugkreisdrosseln 10, 18, Saugkreiskondensatoren 11, 19 und Zwischenkreiskondensatoren 12, 20 zu erken­ nen. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind die wie un­ ter Fig. 1 zu verschaltenden Wechselrichter 13, 21 und Fahrmotoren 14, 15, 22, 23 nicht dargestellt. Zusätzlich sind jedoch die zur Umgruppierung der Leistungsbausteine erforderlichen Schaltgeräte 30 bis 50 gezeigt.

Zwischen Hauptschalter 2 und Sekundärwicklung 8 sind zwei Schaltgeräte 30, 31 in Serie geschaltet, während ein Schaltgerät 32 zwischen Hauptschalter 2 und Primär­ wicklung 5 angeordnet ist. Die Primärwicklungen 3 bzw. 5 sind jeweils mittels Schaltgeräte 33 bzw. 34 überbrück­ bar. Die Primärwicklung 3 ist einerseits über ein Schaltgerät 35 an den Verbindungspunkt der Schaltgeräte 30/31 und andererseits über ein Schaltgerät 36 an das Rad/Schienensystem 7 schaltbar. Die Sekundärwicklung 8 ist über ein Schaltgerät 37 mit dem ersten Wechselspan­ nungsanschluß des Vierquadrantenstellers 9 verbunden. Die beiden Wechselspannungsanschlüsse des Vierquadran­ tenstellers 9 können über ein Schaltgerät 38 zusammenge­ schaltet werden.

Die Saugkreisdrosseln 10 des ersten Saugkreises ist über ein Schaltgerät 39 vom ersten Gleichspannungsanschluß des Vierquadrantenstellers 9 abtrennbar und über ein Schaltgerät 40 mit dem Hauptschalter 2 verbindbar. Zwi­ schen dem Verbindungspunkt von Saugkreisdrossel 10 und Saugkreiskondensator 11 und dem gemeinsamen Verbindungs­ punkt der Schaltgeräte 30, 31, 35 ist ein Schaltgerät 41 angeordnet. Der mit dem Saugkreiskondensator 11 verbun­ dene zweite Gleichspannungsanschluß des Vierquadranten­ stellers 9 ist über ein Schaltgerät 42 an die zweite Saugkreisdrossel 18 sowie über ein Schaltgerät 43 an das Rad/Schienensystem 7 schaltbar. Über ein Schaltgerät 44 ist die zweite Saugkreisdrossel 18 mit dem Hauptschalter 2 verbindbar sowie mittels eines Schaltgerätes 45 vom ersten Gleichspannungsanschluß des Vierquadrantenstel­ lers 17 abtrennbar. Zwischen dem Verbindungspunkt von zweiter Saugkreisdrossel 18/zweiter Saugkreiskondensator 19 und der Sekundärwicklung 16 ist ein Schaltgerät 46 angeordnet. Die Sekundärwicklung 16 ist über ein Schalt­ gerät 47 an den ersten Wechselspannungsanschluß des Vierquadrantenstellers 17 schaltbar. Die beiden Wechsel­ spannungsanschlüsse des Vierquadrantenstellers 17 können über ein Schaltgerät 48 miteinander verbunden werden. Der mit dem Saugkreiskondensator 19 verbundene zweite Gleichspannungsanschluß des Vierquadrantenstellers 17 ist über ein Schaltgerät 49 an das Rad/Schienensystem 7 schaltbar. Zwischen Primärwicklung 5 und Rad/Schienensy­ stem 7 ist ein Schaltgerät 50 vorgesehen.

Soll das Mehrsystem-Triebfahrzeug mit Wechselspannung gespeist werden, so sind die Schaltgeräte 30, 32, 35, 36, 37, 39, 45, 47, 50 zu schließen und die Schaltgeräte 31, 33, 34, 38, 40, 41, 42, 43, 44, 46, 48, 49 zu öff­ nen, womit eine Schaltungsanordnung gemäß Fig. 1 gebil­ det wird. Bei Speisung des Mehrsystem-Triebfahrzeuges mit relativ hoher Gleichspannung (z.B. 3000V) sind die Schaltgeräte 31, 33, 34, 38, 40, 41, 42, 46, 48, 49 zu schließen und die Schaltgeräte 30, 32, 35, 36, 37, 39, 43, 44, 45, 47, 50 zu öffnen, um eine Schaltungsanord­ nung gemäß Fig. 2 zu erzielen. Soll das Mehrsystem- Triebfahrzeug mit relativ niedriger Gleichspannung (z.B. 1500V) gespeist werden, so müssen die Schaltgeräte 31, 33, 34, 38, 40, 41, 43, 44, 46, 48, 49 geschlossen und die Schaltgeräte 30, 32, 35, 36, 37, 39, 42, 45, 47, 50 geöffnet werden, wodurch eine Schaltungsanordnung gemäß Fig. 3 gebildet wird.

Das Mehrsystem-Triebfahrzeug kann auch mit Schaltgeräten anderer Ausführungsform, insbesondere mit Umschaltern, ausgerüstet sein.

Claims (3)

1. Elektrisch betriebenes Schienentriebfahrzeug mit mindestens zwei Antriebsanlagen, die jeweils mindestens einen Vierquadrantensteller, einen Gleichspannungszwi­ schenkreis mit Zwischenkreiskondensator und einen selbstgeführten Wechselrichter zur Speisung mindestens eines Fahrmotors mit variabler Spannung und Frequenz aufweisen, wobei bei Wechselspannungs-Einspeisung jeder Vierquadrantensteller an einer eigenen Sekundärwicklung eines Transformators liegt, dadurch gekennzeichnet, daß die Vierquadrantensteller (9, 17) der Antriebsanlagen (9, 12, 13; 17, 20, 21) bei Einspeisung mit relativ ho­ her Gleichspannung über Schaltgeräte eingangsseitig in Reihe geschaltet und bei Einspeisung mit relativ niedri­ ger Gleichspannung über Schaltgeräte eingangsseitig pa­ rallelgeschaltet sind.

2. Schienentriebfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Gleichspannungs-Einspeisung je­ der Vierquadrantensteller (9, 17) über die Sekundärwick­ lung (8, 16) des Transformators (4) an den Fahrdraht (1) geschaltet ist, während die entsprechende Primärwicklung (3, 5) kurzgeschlossen ist.

3. Schienentriebfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die für den Wechselspannungsbetrieb erforderlichen Saugkreise (10, 11; 18, 19) bei Gleichspannungsbetrieb als Eingangsfil­ ter herangezogen werden, indem jedem Vierquadrantenstel­ ler (9, 17) über Schaltgerate eingangsseitig ein Saug­ kreiskondensator (11, 19) parallel und eine Saugkreis­ drossel (10, 18) in Reihe geschaltet wird.