EP1154910A1 - Transformatorlose einspeiseschaltung für bahnfahrzeuge - Google Patents

Transformatorlose einspeiseschaltung für bahnfahrzeuge

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Publication number
EP1154910A1
EP1154910A1 EP00912374A EP00912374A EP1154910A1 EP 1154910 A1 EP1154910 A1 EP 1154910A1 EP 00912374 A EP00912374 A EP 00912374A EP 00912374 A EP00912374 A EP 00912374A EP 1154910 A1 EP1154910 A1 EP 1154910A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
quadrant
series
transformerless
converter
circuit according
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP00912374A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Mark-Matthias Bakran
Johannes TEIGELKÖTTER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP1154910A1 publication Critical patent/EP1154910A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
    • H02M7/49—Combination of the output voltage waveforms of a plurality of converters
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L1/00—Supplying electric power to auxiliary equipment of vehicles
    • B60L1/02—Supplying electric power to auxiliary equipment of vehicles to electric heating circuits
    • B60L1/04—Supplying electric power to auxiliary equipment of vehicles to electric heating circuits fed by the power supply line
    • B60L1/10—Supplying electric power to auxiliary equipment of vehicles to electric heating circuits fed by the power supply line with provision for using different supplies
    • B60L1/12—Methods and devices for control or regulation
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L9/00—Electric propulsion with power supply external to the vehicle
    • B60L9/16—Electric propulsion with power supply external to the vehicle using ac induction motors
    • B60L9/30—Electric propulsion with power supply external to the vehicle using ac induction motors fed from different kinds of power-supply lines
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2200/00—Type of vehicles
    • B60L2200/26—Rail vehicles
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/10—Arrangements incorporating converting means for enabling loads to be operated at will from different kinds of power supplies, e.g. from ac or dc

Definitions

  • the present invention relates to a transformer solution
  • transformer-connected feeder circuits for rail vehicles, in which the energy from the contact wire is withdrawn in a single phase at 15 kV, 16 2/3 Hz or 25 kV, 50 Hz and fed to the main transformer via the path current collector and main switch.
  • the main transformer has four largely decoupled traction windings on the low voltage side.
  • the adjoining four-quadrant actuators as network actuators ensure that almost exclusively active power can be drawn from the network and electrical braking energy can also be fed back into the network as pure active power. Capacitors ensure sufficient smoothing of the DC link voltage.
  • a problem here is that in addition to weight and volume restrictions, there are high transformer costs and that the transformer also requires a large cooling system with heat exchangers for ambient air.
  • a transformerless feed circuit was developed, as described for example in EP 0 670 236 AI.
  • This feed-in circuit has a plurality of four-quadrant actuators electrically connected in series on the input side, each of which is followed by an intermediate circuit capacitor bank on the output side.
  • Each DC link capacitor battery supplies an inverter, which is connected on the output side to a primary winding of a medium-frequency transformer.
  • Each secondary winding of this medium-frequency transformer is connected to a four-quadrant the outputs of which are the DC link DC voltage for supplying the converter-powered traction motors of the AC vehicle.
  • the high contact wire voltage is divided into several partial AC voltages by means of the four-quadrant actuators connected in series, which are then rectified and converted into an AC voltage of medium frequency, for example several kHz.
  • This alternating voltage of medium frequency is electrically isolated by means of the transformer and then converted into the already mentioned intermediate circuit direct voltage.
  • the several four-quadrant actuators connected in series with the capacitor bank on the output side, the several inverters and the medium-frequency transformer with several primary and secondary windings replace the mains transformer of the transformer-connected feed circuit described above. It can be seen that the known transformerless feed circuit leads to a negative assessment in terms of cost and reliability.
  • the object of the present invention is therefore to create a comparatively simple transformerless feed-in circuit for rail vehicles.
  • the transformerless feed circuit according to the invention is particularly simple in construction because the motor windings, for example a three-phase asynchronous machine or other machines, are each directly connected to a line-side converter of a plurality of converters connected in series on the output side.
  • the motor trains are thus at different potentials with respect to earth.
  • a transformer is therefore completely eliminated and not only increased in frequency, as with known solutions.
  • 1 shows the circuit diagram of a transformerless feed circuit according to the present invention for driving a three-phase asynchronous machine
  • 2 shows the circuit diagram of a four-quadrant actuator with asymmetrically blocking power semiconductors
  • 3 shows a three-phase supply block, consisting of three converters connected in series
  • FIG. 4 shows the circuit diagram of a feed circuit for four traction motors and auxiliary operations
  • FIG. 8 shows the arrangement of short-circuit switches in a four-quadrant
  • FIG. 9 shows a feed circuit for a two-phase transverse flux or reluctance machine.
  • the present transformerless feed-in circuit consists of a plurality of converter circuits 1, 2, 3, each of which has a four-quadrant converter 11, 21, 31 on the network side for generating an intermediate circuit voltage on a capacitor 12, 22, 32 of an intermediate circuit circuit, which in each case leads to the output of the four-quadrant converter on the network side 11, 21, 31 is connected in parallel, and a four-quadrant actuator 13, 23, 33 on the motor side, which is connected in parallel to the capacitor 12, 22 and 33, respectively.
  • FIG. 1 the present transformerless feed-in circuit consists of a plurality of converter circuits 1, 2, 3, each of which has a four-quadrant converter 11, 21, 31 on the network side for generating an intermediate circuit voltage on a capacitor 12, 22, 32 of an intermediate circuit circuit, which in each case leads to the output of the four-quadrant converter on the network side 11, 21, 31 is connected in parallel, and a four-quadrant actuator 13, 23, 33 on the motor side, which is connected in parallel to the capacitor 12, 22 and 33, respectively.
  • each four-quadrant actuator 11, 21, 31 and each four-quadrant actuator 13, 23, 33 on the motor side which are preferably regenerative four-quadrant actuators with asymmetrical valves, each have a first bridge arm 14, 24, 34 and a second bridge arm in a manner known per se 15, 25, 35, each of which consists of two series-connected power semiconductor switches, each of which has a diode connected in anti-parallel.
  • These parallel connections are represented by crosses in various figures for the sake of simplicity.
  • the connecting points P1 and P2, at which the power semiconductor switches of the bridge branches 14, 24, 34 and 15, 25, 35 are connected to one another, provide the input connections of the network-side four-quadrant actuators 11, 21, 31 and the output connections of the motor-side four-quadrant actuators 13, 23, 33.
  • the input connections P1, P2 of the four-quadrant actuators 11, 21, 31 of the converters 1, 2, 3 on the network side are connected in series between the pantograph 20 contacting an AC contact wire 10 and ground M.
  • a phase winding 16, 26 and 36 for example a three-phase asynchronous machine, is connected between the output connections P1, P2 of the bridge branches 14, 15 of the four-quadrant actuators 13, 23, 33 on the motor side.
  • the four-quadrant actuators 13, 23, 33 on the motor side are used to generate an AC voltage with variable frequency and voltage at the phase windings 16, 26, 36.
  • the four-quadrant controllers are used in a manner known per se in pulse-width-modulated operation.
  • GTO or IGBT elements are preferably used as semiconductor switches.
  • the feed circuit When the feed circuit is started up, all intermediate circuits of the converters are charged by closing a main switch (not shown). This enables the converters to start up.
  • a main switch not shown.
  • the precharge can be carried out via a precharge resistor from the network.
  • the network-side series connection of the four-quadrant actuators 11, 21, 31 etc. can have a network-side four-quadrant actuator 111, preferably close to the mass M, which is part of a converter 100 for auxiliary power generation.
  • the converter 100 is constructed in accordance with the converters 1, 2, 3 etc. and therefore has a voltage intermediate circuit with a capacitor 112 between the four-quadrant controller 111 on the line side and the four-quadrant controller 113 on the motor side.
  • the output voltage at capacitor 112 can be tapped directly via lines 112 N 112 ′′.
  • connection points P1, P2 of the four-quadrant actuator 113 on the output side can be connected to a transformer 114, the auxiliary voltage being present at the output of the transformer 114.
  • the network-side series connection of the four-quadrant actuators 11, 21, 31 of the converters 1, 2, 3 on the network side can achieve any voltage level.
  • the number of series-connected four-quadrant dividers 11, 21, 31 connected in series can be adapted to the number of motors.
  • the series-connected converters 1, 2, 3 etc. must be able to represent at least the peak value of the maximum mains voltage occurring as the sum of all their intermediate circuit voltages.
  • three converters 1, 2, 3 with series-connected four-quadrant actuators 11, 21, 31 connected in series can be combined to form a unit or a three-phase feed block 30.
  • Such a three-phase supply block 30 can then be regarded as the basic unit of the line-side converter.
  • four three-phase asynchronous machines AI, A2, A3 and A4 are to be connected, four three-phase supply blocks 30 and, if appropriate, a converter 100 can be operated in series on the network side, as shown in FIG.
  • the feed blocks can also be designed in two phases.
  • converter blocks 30 and, if appropriate, a converter 100 by regrouping on the network side in such a way that their four-quadrant actuators on the network side when switches S-AC are closed and switches S-DC are opened in series and via a current collector 20 with an AC - Contact wire 10 to be connected.
  • the series-connected four-quadrant actuators of the feeder blocks 30 and the converter 100 which are connected in series, are each connected via a choke 40 in parallel to a DC contact wire 10 'and a connected pantograph 20' and ground M switched.
  • AC line voltage
  • To connect the same converter blocks 30 and the converter 100 to a mains voltage of, for example, AC 15 kV, only some of the converter blocks 30 are connected in series, while the remaining part is connected in parallel via chokes 40.
  • FIG. 7 shows that in the case of a feed-in circuit that is not regenerative, the network-side quadrant dividers can be designed as two-quadrant actuators, the power semiconductors of a bridge branch 15 being eliminated in comparison with FIG. 2.
  • a voltage reserve of the feed blocks 30 is appropriately held in series, so that e.g. with n four-quadrant controllers, n-2 blocks are sufficient to display the mains voltage.
  • the series connection can continue to be operated in the event of a four-quadrant actuator failure and short circuit. Falls e.g. part of a three-phase feed block 30, the other two can continue to operate in reactive power mode. The required
  • Short-circuit in the four-quadrant actuator in the event of a fault either occurs through alloying through the semiconductors (Fig. 8, left side), or it is reached after an error in a targeted manner by short-circuiting the respective four-quadrant actuator intermediate circuit with short-circuit switches KS (Fig. 8, right side).
  • FIG. 9 shows a feed circuit for a two-phase transverse flux or reluctance machine, in which two converters 1, 2, optionally designed as a uniform feed block 30, are used to excite two windings 16 and 26, the four-quadrant actuators 11, 21 of which are connected in series on the network side .
  • motors or machines in which the full mains voltage is insulated from ground can be driven by the present supply circuit.
  • the individual phases against each other require less isolation; the maximum voltage of three intermediate circuits occurs in series.
  • multi-phase asynchronous machines and analog synchronous machines can also be fed.

Landscapes

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine transformatorlose Einspeiseschaltung, insbesondere für Bahnfahrzeuge, bei der netzseitig mehrere Stromrichter (1, 2, 3) angeordnet sind, die jeweils einen netzseitigen Vierquadrantensteller (11, 21, 31), einen dazu parallel geschalteten Zwischenkreiskondensator (12, 22, 32) und einen motorseitigen Vierquadrantensteller (13, 23, 33) aufweisen, wobei die netzseitigen Vierquadrantensteller (11, 21, 31) in Reihe schaltbar sind. Die Motorwicklungen (16, 26, 36) einer Wechselstrommaschine sind jeweils direkt an die Ausgangsanschlüsse (P1, P2) eines motorseitigen Vierquadrantenstellers (13, 23, 33) angeschlossen.

Description

Beschreibung
Transformatorlose Einspeiseschaltung für Bahnfahrzeuge
Die vorliegende Erfindung betrifft eine transformatorlcse
Einspeiseschaltung für Bahnfahrzeuge nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Es sind trafobehaftete Einspeiseschaltungen für Bahnfahrzeuge bekannt, bei denen die Energie vom Fahrdraht einphasig mit 15 kV, 16 2/3 Hz bzw. 25 kV, 50 Hz entnommen und über den Weg- Stromabnehmer und Hauptschalter dem Haupttransformator zugeführt wird. Zur Gewährleistung eines autarken Betriebes jedes Drehgestelles des Bahnfahrzeuges besitzt der Haupttransforma- tor niederspannungsseitig vier weitgehend entkoppelte Traktionswicklungen. Die sich daran anschließenden Vierquadrantensteller als Netzsteller sorgen dafür, daß fast ausschließlich Wirkleistung aus dem Netz entnommen und auch elektrische Bremsenergie als reine Wirkleistung in das Netz zurückge- speist werden kann. Kondensatoren sorgen für eine ausreichende Glättung der Zwischenkreis-Gleichspannung.
Ein Problem besteht dabei darin, daß neben Gewichts- und Volumenbeschränkungen hohe Transformatorkosten anfallen und daß der Transformator zudem eine große Kühlanlage mit Wärmetauschern zur Umgebungsluft erfordert.
Aus diesem Grunde wurde eine trafolose Einspeiseschaltung entwickelt, wie sie beispielsweise in der EP 0 670 236 AI be- schrieben ist. Diese Einspeiseschaltung weist eingangsseitig mehrere elektrisch in Reihe geschaltete Vierquadrantensteller auf, denen jeweils ausgangsseitig eine Zwischenkreis-Kondensatorbatterie nachgeschaltet ist. Jede Zwischenkreis-Kondensatorbatterie versorgt einen Wechselrichter, der ausgangssei- tig mit einer Primärwicklung eines Mittelfrequenz-Übertragers verbunden ist. Jede Sekundärwicklung dieses Mittelfrequenz- Übertragers ist mit einem Vierquadrantensteller verbunden, an deren Ausgangen die Zwischenkreis-Gleichspannung für die Versorgung der stromrichtergespeisten Fahrmotoren des Wechselstromfahrzeuges anstehen. Bei dieser Einspeiseschaltung wird die hohe Fahrdrahtspannung mittels der in Reihe geschalteten Vierquadrantensteller in mehrere Teilwechselspannungen unterteilt, die anschließend gleicngerichtet und in eine Wechselspannung mittlerer Frequenz, beispielsweise mehrere kHz gewandelt werden. Mittels des Übertragers wird diese Wechselspannung mittlerer Frequenz potentialgetrennt und anschlie- ßend in die bereits genannte Zwischenkreis-Gleichspannung umgewandelt. Dies bedeutet, daß die mehreren elektrisch in Reihe geschalteten Vierquadrantensteller mit ausgangsseitiger Kondensatorbatterie, die mehreren Wechselrichter und der Mittelfrequenz-Ubertrager mit mehreren Primär- und Sekundarwick- lungen den Netztransformator der zuvor beschriebenen trafobehafteten Einspeiseschaltung ersetzen. Es ist erkennbar, daß die bekannte trafolose Einspeiseschaltung zu einer negativen Bewertung bezüglich der Kosten und der Zuverlässigkeit fuhrt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, eine vergleichsweise einfache transformatorlose Einspeiseschaltung für Bahnfahrzeuge zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch eine transformatorlose Einspeise- Schaltung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelost.
Der wesentliche Vorteil besteht darin, daß die erfmdungsge- maße transformatorlose Einspeiseschaltung besonders einfach aufgebaut ist, weil die Motorwicklungen, beispielsweise einer dreiphasigen Asynchronmaschine oder anderer Maschinen, jeweils direkt an einen netzseitigen Stromrichter mehrerer em- gangsseitig m Reihe geschalteter Stromrichter angeschlossen sind. Die Motorstrange befinden sich damit auf verschiedenen Potentialen gegenüber Erde. Ein Transformator entfallt damit völlig und wird nicht nur in der Frequenz erhöht, wie bei bekannten Losungen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Im folgenden werden die Erfindung und deren Ausgestaltungen im Zusammenhang mit den Figuren näher erläutert. Es zeigen:
FIG 1 das Schaltbild einer transformatorlosen Einspeiseschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung zum Antrieb einer dreiphasigen Asynchronmaschine; FIG 2 das Schaltbild eines Vierquadrantenstellers mit asymmetrisch sperrenden Leistungshalbleitern;
FIG 3 einen dreiphasigen Einspeiseblock, bestehend aus drei in Reihe geschalteten Stromrichtern;
FIG 4 das Schaltbild einer Einspeiseschaltung für vier Fahrmotoren und Hilfsbetriebe;
FIG 5 das Schaltbild einer Einspeiseschaltung für einen
Mehrsystembetrieb zur Anschaltung an einen DC-Fahr- draht und einen AC-Fahrdraht;
FIG 6 vergleichsweise Schaltbilder von Einspeiseschaltungen für AC-25 kV und AC-15 kV;
FIG 7 das Schaltbild eines nicht rückspeisefähigen Zweiquadrantenstellers;
FIG 8 die Anordnung von Kurzschlußschaltern in einem Vierquadrantensteller, und FIG 9 eine Einspeiseschaltung für eine zweiphasige Transversalfluß- oder Reluktanzmaschine.
Gemäß Figur 1 besteht die vorliegende transformatorlose Einspeiseschaltung aus mehreren Stromrichterschaltungen 1, 2, 3, die jeweils einen netzseitigen Vierquadrantensteller 11, 21, 31 zur Erzeugung einer Zwischenkreisspannung an einem Kondensator 12, 22, 32 einer Zwischenkreisschaltung, der jeweils zu dem Ausgang des netzseitigen Vierquadrantenstellers 11, 21, 31 parallel geschaltet ist, und einen motorseitigen Vierqua- drantensteller 13, 23, 33 aufv/eisen, der jeweils zu dem Kondensator 12, 22 bzw. 33 parallel geschaltet ist. Gemäß Figur 2 weist jeder netzsseitige Vierquadrantensteller 11, 21, 31 und jeder motorseitige Vierquadrantensteller 13, 23, 33, die vorzugsweise jeweils rückspeisefähige Vierquadrantensteller mit asymmetrischen Ventilen sind, in an sich bekannter Weise jeweils einen ersten Brückenzweig 14, 24, 34 und einen zweiten Brückenzweig 15, 25, 35 auf, von denen jeder aus zwei in Reihe geschalteten Leistungshalbleiterschaltern besteht, denen jeweils eine Diode antiparallel geschaltet ist. Diese Parallelschaltungen sind in verschiedenenen Figuren der Einfachheit halber durch Kreuze dargestellt.
Die Verbindungspunke Pl und P2, an denen die Leistungshalbleiterschalter der Brückenzweige 14, 24, 34 bzw. 15, 25, 35 miteinander verbunden sind, stellen die Eingangsanschlüsse der netzseitigen Vierquadrantensteller 11, 21, 31 bzw. die Ausgangsanschlüsse der motorseitigen Vierquadrantensteller 13, 23, 33 dar. Die Eingangsanschlüsse Pl, P2 der netzseitigen Vierquadrantensteller 11, 21, 31 der Stromrichter 1, 2, 3 sind zwischen dem einen AC-Fahrdraht 10 kontaktierenden Stromabnehmer 20 und Masse M in Reihe geschaltet.
Zwischen die Ausgangsanschlüsse Pl, P2 der Brückenzweige 14, 15 der motorseitigen Vierquadrantensteller 13, 23, 33 ist jeweils eine Phasenwicklung 16, 26 bzw. 36, beispielsweise ei- ner dreiphasigen Asynchronmaschine, geschaltet. Die motorseitigen Vierquadrantensteller 13, 23, 33 dienen zur Erzeugung einer Wechselspannung mit variabler Frequenz und Spannung an den Phasenwicklungen 16, 26, 36.
Die Vierquadrantensteller werden in an sich bekannter Weise im pulsbreitenmodulierten Betrieb verwendet. Als Halbleiterschalter dienen vorzugsweise GTO- oder IGBT-Elemente .
Bei Inbetriebnahme der Einspeiseschaltung werden durch Schließen eines nicht dargestellten Hauptschalters alle Zwi- schenkreise der Stromrichter aufgeladen. Damit ist ein Antak- ten der Stromrichter möglich. Vorteilhafterweise ist keine spezielle Vorladeeinrichtung für die Zwischenkreise aus der Fahrzeugbatterie erforderlich. Die Vorladung kann wie üblich über einen Vorladewiderstand vom Netz erfolgen.
Zur Erzeugung einer Hilfsenergie für z.B. Kühlanlagen, Steuerungen etc. von Bahnfahrzeugen kann die netzseitige Reihenschaltung der Vierquadrantensteller 11, 21, 31 etc. einen netzsseitigen Vierquadrantensteller 111, vorzugseise nahe der Masse M, aufweisen, der Bestandteil eines Stromrichters 100 zur Hilfsenergieerzeugung ist. Der Stromrichter 100 ist entsprechend den Stromrichtern 1, 2, 3 etc. aufgebaut und weist daher zwischen dem netzseitigen Vierquadrantensteller 111 und dem motorseitigen Vierquadrantensteller 113 einen Spannungszwischenkreis mit einem Kondensator 112 auf.
Zur Erzeugung einer Gleichspannung kann direkt die am Kondensator 112 liegende Ausgangsspannung über Leitungen 112 N 112'' abgegriffen werden.
Zur Erzeugung einer potentialgetrennten Wechselspannung als Hilfsenergie können die Verbindungspunkte Pl, P2 des aus- gangsseitigen Vierquadrantenstellers 113 mit einem Transformator 114 verbunden werden, wobei am Ausgang des Transformators 114 die Hilfsspannung anliegt.
Von Bedeutung ist es, daß durch die netzseitige Serienschaltung der Vierquadrantensteller 11, 21, 31 der Stromrichter 1, 2, 3 netzseitig jede beliebige Spannungshöhe erreicht werden kann. Die Anzahl der in Serie geschalteten netzseitigen Vier- quadrantensteiler 11, 21, 31 kann der Motorenzahl angepaßt werden .
Die in Serie geschalteten Stromrichter 1, 2, 3 etc. müssen als Summe aller ihrer Zwischenkreisspannungen mindestens den Spitzenwert der maximal auftretenden Netzspannung darstellen können. Gemäß Figur 3 können zur Ansteuerung einer dreiphasigen Asynchronmaschine oder dergleichen drei Stromrichter 1, 2, 3 mit in Reihe geschalteten netzseitigen Vierquadrantenstellern 11, 21, 31 zu einer Einheit bzw. zu einem dreiphasigen Einspeise- block 30 zusammengefaßt werden. Ein solcher dreiphasiger Einspeiseblock 30 kann dann als Grundeinheit des netzseitigen Stromrichters betrachtet werden. Sollen z.B. vier dreiphasige Asynchronmaschinen AI, A2, A3 und A4 angeschlossen werden, so können netzseitig vier dreiphasige Einspeiseblöcke 30 und gegebenenfalls ein Stromrichter 100 in Serie betrieben werden, wie dies in Figur 4 dargestellt ist.
Für Transversalfluß- oder Reluktanzmaschinen können die Einspeiseblöcke auch zweiphasig ausgebildet sein.
Gemäß Figur 5 ist es denkbar, Stromrichterblöcke 30 und gegebenenfalls einen Stromrichter 100 durch Umgruppieren netzseitig so anzuordnen, daß ihre netzseitigen Vierquadrantensteller beim Schließen von Schaltern S-AC und Öffnen von Schal- tern S-DC in Reihe und über einen Stromabnehmer 20 mit einem AC-Fahrdraht 10 verbunden werden. Beim Öffnen der Schalter S- AC und Schließen von Schaltern S-DC werden die in Reihe geschalteten netzseitigen Vierquadrantensteller der Einspeiseblöcke 30 und des Stromrichters 100 jeweils über eine Drossel 40 parallel zu einem DC-Fahrdraht 10' und einen damit verbundenen Stromabnehmer 20' und Masse M geschaltet.
Gemäß Figur 6 ist es denkbar, dieselben netzsseitigen Stromrichterblöcke 30 und den Stromrichter 100 wahlweise so zu gruppieren, daß sie dann, wenn sie alle in Reihe geschaltet sind (Figur 6 linke Seite) z.B. an eine Netzspannung AC = 25 kV angeschaltet werden. Zur Anschaltung derselben Stromrichterblöcke 30 und des Stromrichters 100 an eine Netzspannung von z.B. AC = 15 kV wird nur ein Teil der Stromrichterblöcke 30 in Serie geschaltet, während der restliche Teil über Drosseln 40 parallel geschaltet wird. Beispielsweise sind gemäß Figur 6, rechte Seite, von oben gesehen der erste und dritte Stromrichterblock 30 und der Stromrichter 100 zwischen AC = 15 kV und Masse M in Reihe geschaltet, während der zweite und vierte Stromrichterblock 30 parallel zum ersten Stromrichterblock 30 bzw. zum dritten Stromrichterblock 30 geschaltet ist.
Figur 7 zeigt, daß bei einer nicht rückspeisefähigen Einspeiseschaltung die netzseitigen Quadrantensteiler als Zweiqua- drantensteller ausgebildet sein können, wobei im Vergleich zur Figur 2 die Leistungshalbleiter eines Brückenzweiges 15 entfallen.
Gemäß Figur 8 wird sinnvollerweise eine Spannungsreserve der Einspeiseblöcke 30 in Reihe vorgehalten, so daß z.B. bei n Vierquadrantensteller n-2 Blöcke zur Darstellung der Netzspannung ausreichen. Damit kann dann bei Ausfall und Kurzschluß eines Vierquadrantenstellers die Serienschaltung weiter betrieben werden. Fällt z.B. ein Teil eines dreiphasigen Einspeiseblockes 30 aus, so können die anderen beiden im Blindleistungsbetrieb weiter arbeiten. Der erforderliche
Kurzschluß im Vierquadrantensteller im Fehlerfall kommt entweder durch Durchlegieren der Halbleiter zustande (Fig. 8, linke Seite) , oder er wird nach einem Fehlerfall gezielt durch Kurzschließen des jeweiligen Vierquadrantenstellerzwi- schenkreises mit Kurzschlußschaltern KS erreicht (Fig. 8, rechte Seite) .
Schließlich zeigt die Figur 9 eine Einspeiseschaltung für eine zweiphasige Transversalfluß- oder Reluktanzmaschine, bei der zur Erregung zweier Wicklungen 16 und 26 zwei Stromrichter 1, 2, gegebenenfalls als einheitlicher Einspeiseblock 30 ausgebildet, verwendet werden, deren netzseitige Vierquadrantensteller 11, 21 in Reihe geschaltet sind.
Durch die vorliegende Speiseschaltung sind allgemein gesagt Motoren bzw. Maschinen antreibbar, bei denen die volle Netzspannung gegen Masse isoliert ist. Die einzelnen Phasen ge- geneinander verlangen eine geringere Isolation; maximal tritt die Spannung von drei Zwischenkreisen in Reihe auf. Es können, wie beschrieben, mehrphasige Asynchronmaschinen und analog auch Synchronmaschinen gespeist werden.

Claims

Patentansprüche
1. Transformatorlose Einspeiseschaltung, insbesondere für Bahnfahrzeuge, bei der netzseitig mehrere Stromrichter (1, 2, 3) angeordnet sind, die jeweils einen netzseitigen Vierquadrantensteller (11, 21, 31) , einen dazu parallel geschalteten Zwischenkreiskondensator (12, 22, 32) und einen motorseitigen Vierquadrantensteller (13, 23, 33) aufweisen, wobei die netzseitigen Vierquadrantensteller (11, 21, 31) in Reihe schalt- bar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Motorwicklungen (16, 26, 36) einer Wechselstrommaschine jeweils direkt an die Ausgangsanschlüsse (Pl, P2) eines motorseitigen Vierquadrantenstellers (13, 23, 33) ange- schlössen sind.
2. Transformatorlose Einspeiseschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Antrieb einer dreiphasigen Asynchronmaschine die netzseitigen Vierquadrantensteller (11, 21, 31) dreier Stromrichter (1, 2, 3) in Reihe geschaltet sind.
3. Transformatorlose Einspeiseschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die drei Stromrichter (1, 2, 3) zu einer Einheit (30) zusammengefaßt sind.
4. Transformatorlose Einspeiseschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zum Antrieb von Transversalfluß- oder Reluktanzmaschinen zwei Stromrichter (1, 2) in Reihe geschaltet sind.
5. Transformatorlose Einspeiseschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Stromrichter (1, 2) zu einer Einheit (20) zusammengefaßt sind.
6. Transformatorlose Einspeiseschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihenschaltung der netzsseitigen Vierquadrantensteller (11, 21, 31) einen netzsseitigen Vierquadrantensteller (111) eines Hilfsbetriebsstromrichters (100) umfaßt, an dessen Zwischenkreis Kondensator (112) eine Hilfsbetriebs- Gleichspannung abgreifbar ist oder bei dem mit den Ausgangs- anschlüssen (Pl, P2) seines motorseitigen Vierquadrantenstellers (113) ein Transformator (114) verbunden ist, an dem außenseitig eine Hilfsbetriebs-Wechselspannung abgreifbar ist.
7. Transformatorlose Einspeiseschaltung nach einem der An- sprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Schalter (S-AC, S-DC) vorgesehen und derart betätigbar sind, daß dann, wenn die Schalter (S-DC) geöffnet und die Schalter (S-AC) geschlossen sind, die netzseitigen Vierqua- drantensteller von mehreren Stromrichterblöcken (30) zwischen einem mit einem AC-Fahrdraht (10) verbundenen Stromabnehmer (20) und Masse (M) in Reihe geschaltet sind, und dann, wenn die Schalter (S-DC) geschlossen und die Schalter (S-AC) geöffnet sind, die netzseitig in Reihe geschalteten Vierqua- drantensteller jedes Stromrichters (30) über eine Drossel
(40) parallel zu einem mit einem DC-Fahrdraht (10') verbundenen Stromabnehmer (20') und Masse (M) geschaltet sind.
8. Transformatorlose Einspeiseschaltung nach einem der An- sprüche 3 bis 6, dadurch geke nzeichnet, daß zur wahlweisen Speisung von mehreren Stromrichterblöcken
(30) mit unterschiedlichen Wechselspannungen die Stromrichterblöcke (30) zwischen einem mit einem Fahrdraht (10) ver- bundenen Stromabnehmer (20) und Masse (M) so gruppierbar sind, daß die netzseitigen Vierquadrantensteller eines Teiles
(1, 3, 100) der Stromrichterblöcke (30) in Reihe geschaltet sind und die netzseitigen Vierquadrantensteller weiterer Stromrichterblöcke (30) zu anderen Stromrichterblöcken (30) der in Reihe geschalteten Stromrichterblöcke (30) des Teiles der Stromrichterblöcke (30) über eine Drossel (40) parallel geschaltet sind.
9. Transformatorlose Einspeiseschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß netzseitig mehr als zur Darstellung der Netzspannung erforderliche Stromrichter in Reihe geschaltet sind, so daß bei Kurzschluß eines Stromrichters die Reihenschaltung weiter betreibbar ist.
10. Transformatorlose Einspeiseschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Vierquadrantensteller durch Zweiquadrantensteller ersetzt sind.
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