WO2007101739A1 - Dieselelektrisches antriebssystem mit einem permanent erregten synchrongenerator - Google Patents

Dieselelektrisches antriebssystem mit einem permanent erregten synchrongenerator Download PDF

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WO2007101739A1
WO2007101739A1 PCT/EP2007/050446 EP2007050446W WO2007101739A1 WO 2007101739 A1 WO2007101739 A1 WO 2007101739A1 EP 2007050446 W EP2007050446 W EP 2007050446W WO 2007101739 A1 WO2007101739 A1 WO 2007101739A1
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converter
diesel
generator
self
drive system
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PCT/EP2007/050446
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Andreas Fuchs
Olaf KÖRNER
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • B60L2220/10—Electrical machine types
    • B60L2220/14—Synchronous machines

Definitions

  • the invention relates to a diesel-electric on ⁇ drive system according to the preamble of claim 1.
  • a generic propulsion system is the publication entitled “Energy Efficient Drive System for a Diesel Electric Shunting Locomotive,” by Olaf Koerner, Jens Brand, and Karsten Rechenberg, reprinted in the conference volume “EPE'2005,” the EPE conference in Dresden, Germany 11.-14.09.2005.
  • two diesel-electric drive systems with a permanently excited Syn ⁇ chrongenerator are placed opposite each other. These two drive systems differ only in that the generator-side converter of the voltage source inverter is once a diode rectifier and the other time a self-commutated pulse-controlled converter.
  • the self-commutated pulse-controlled converter is referred to as IGBT rectifier.
  • a braking resistor can be connected to the intermediate circuit of the voltage inter-circuit converter.
  • a turn-off thyristor is provided, which is also referred to as a gate turn-off thyristor (GTO thyristor).
  • GTO thyristor gate turn-off thyristor
  • a disadvantage is that for the brake divider, a further power converter bridge branch must be used and the additional bus bar of this brake actuator must be made with the DC link busbar . Care should be taken that the brake divider should be connected low inductively. Depending on the braking torque, it may happen that further converter bridge branches must be used for the brake divider, which are electrically connected in parallel. In addition, a control device for the turn-off thyristor is required. Furthermore, the turn-off thyristor used as a brake divider has an elaborate Bescharisnetz- work that requires space accordingly.
  • This permanent magnet synchronous generator has two polyphase stator winding systems differently in their turns ⁇ leads are.
  • the one winding system is connected to a controlled rectifier, eg an IGBT rectifier.
  • This controlled rectifier has the task to regulate the permanently excited synchronous generator with respect to power output and thus speed. For this purpose, current flows in the range of low speeds, and thus the electrical power flows exclusively via this winding system and thus via the controlled rectifier, which is connected to a DC voltage intermediate circuit.
  • the second winding system is connected to an uncontrolled rectifier, for example a multi-pulse diode bridge, which is also connected to the same DC link as the controlled rectifier.
  • a current can flow in the second winding system, which is rectified via the uncontrolled rectifier to the DC link.
  • the current in the second winding system can be influenced by the magnetic coupling between the first and second winding system by the current in the first winding system, which is controlled by the active rectifier (controlled rectifier), in amplitude and phase. This means that with the help of the controlled rectifier, the current in the winding system of the uncontrolled DC can be regulated to a certain extent.
  • the effective power transmission of this device is taken CARDINAL ⁇ Lich from uncontrolled rectifier, so that the controlled rectifier defined dimensioned small in power, and is thus inexpensive.
  • this controlled rectifier which is also commonly referred to as a self-commutated pulse-controlled converter, the greatly overexcited operation of the permanently excited synchronous generator is avoided.
  • harmonics in the generator torque caused by the uncontrolled rectifier are compensated.
  • the invention is based on the object to improve the generic diesel-electric drive system to the effect that can be dispensed with an additional brake divider.
  • the voltage intermediate converter has a further self-commutated pulse converter on the generator side, which is connected on the DC voltage side to the DC voltage intermediate circuit of the voltage intermediate circuit converter, these two generator side self-commutated pulse converter are each connected to a connection of a first and second throttle on the alternating voltage side in which a second connection of each first throttle is connected to the braking resistor by means of the switching device and ner further switching device and a stator-side connection of the permanently excited synchronous generator are linked, and wherein a second terminal of each second throttle is connected to a stator-side terminal of the permanently excited synchronous generator.
  • the permanently excited synchronous generator, two separate stator winding systems and the voltage source inverter on the generator side two self-commutated pulse converter whose AC-side terminals are each linked to a stator-side An ⁇ circuit of one of the two stator winding systems.
  • one of these two generator-side self-commutated pulse-controlled converters of the voltage source converter is linked to a braking resistor by means of a switching device.
  • Figure 1 shows an equivalent circuit diagram of a generic diesel-electric drive system, in the
  • FIG. 2 shows an equivalent circuit diagram of a first embodiment of a diesel-electric drive system according to the invention, which
  • FIG. 3 shows an equivalent circuit diagram of a converter
  • FIG. 2 shows an equivalent circuit diagram of a second embodiment of a diesel-electric drive system according to the invention, in which
  • Figure 5 is an equivalent circuit diagram of a double-converter bridge arm module of a generator-side self-commutated pulse-controlled inverter of a voltage intermediate circuit converter according to Figure 4 and in the
  • FIG. 6 shows an equivalent circuit diagram of a third embodiment of a diesel-electric drive system according to the invention.
  • FIG. 1 which shows an equivalent circuit diagram of a generic diesel-electric drive system
  • 2 designates a diesel engine, 4 a permanently excited synchronous generator, 6 a voltage source inverter, 8 multiple induction machines, in particular 3-phase asynchronous motors, and 10 a brake chopper
  • the voltage source inverter has a generator and load side self-commutated pulse converter 12 and 14, which by means of of a DC bus capacitor 16 having intermediate circuit 18 are DC side connected elekt ⁇ electrically conductive.
  • the brake chopper 10 is connected, which has a braking resistor 20 and a brake divider 22, for example a turn-off thyristor, which are electrically connected in series.
  • a capacitor bank 24 in particular of supercaps, constructed, a DC / DC converter 26 and a Hilfswech- funnel 28 shown.
  • this DC / DC converter 26 is connected to the capacitor bank 24 and on the output side to the DC voltage side terminals of the auxiliary inverter 28.
  • the DC / DC converter 26 is electrically connected on the output side to the intermediate circuit 18 of the voltage intermediate circuit converter 6.
  • auxiliary drives are connected, which are not explicitly shown here.
  • the diesel engine 2 and the permanent-magnet synchronous generator 4 are mechanically coupled to each other on the rotor side, this permanently excited synchronous generator 4 being linked on the stator side to AC side terminals of the generator-side self-commutated pulse-controlled converter 12 of the voltage intermediate-circuit converter 6.
  • this equivalent circuit is an equivalent circuit of a diesel-electric shunting locomotive, 30 denotes a traction container, which takes the converter electronics on ⁇ . Outside of this traction container 30, the braking resistor and the diesel-driven permanent-magnet synchronous generator 4 are arranged.
  • the four three-phase asynchronous motors 8 are the motors of the two bogies of a diesel-electric shunting locomotive.
  • the turn-off thyristor 22 is in the realization of a power converter bridge branch module, in which instead of a second turn-off Thyristor only the associated freewheeling diode is used.
  • This power converter bridge branch module also includes a wiring network for the turn-off thyristor and a so-called gate unit.
  • FIG. 2 schematically shows an equivalent circuit diagram of a first embodiment of a diesel-electric drive system according to the invention. Because the overview ⁇ friendliness of the load-side self-commutated pulse-controlled converter 14 of the voltage intermediate-circuit converter 6 and the AC asynchronous motors 8, as in the Figure 1 are shown, not shown.
  • the alternating-voltage-side connections R, S and T of the generator-side self-commutated pulse-controlled converter 12 of the voltage intermediate-circuit converter 6 are on the one hand by means of a switching device 32 with a braking resistor 34, 36 and 38 and on the other hand by means of a Lei ⁇ tion switch 40 with a stator-side terminal 42, 44th and 46 of the permanently excited synchronous generator 4 bar ⁇ bar.
  • thyristors By thyristors are used, which are electrically connected in delta and the Bremswi ⁇ resistors 34, 36 and 38 each with two electrically series-connected thyristors are electrically conductively connected.
  • the generator-side self-commutated pulse-controlled converter 12 of the voltage intermediate-circuit converter 6 is in this exporting ⁇ approximate shape of the diesel-electric drive system by means of converter bridge arm modules realized 48th
  • An equivalent circuit diagram of these converter bridge branch modules 48 is shown in more detail in FIG.
  • the direct-voltage side terminals 50 and 52 of each converter bridge branch module 48 of the generator-side self-commutated pulse-controlled converter 12 are each electrically connected to a potential of the intermediate circuit 18 of the voltage intermediate-circuit converter 6.
  • the DC voltage side terminals 50 of the three converter bridge branch modules 48 of the self-commutated pulse converter 12 are each connected to a positive potential P of the intermediate circuit 18, whereas the DC side terminals 52 of these three converter bridge branch modules 48 each associated with a negative potential N of the DC link 18 are.
  • the power converter bridge branch module 48 has two bridge branch modules 54, which are electrically connected in parallel.
  • Each bridge branch module 54 has two switchable semiconductor switches 56 and 58 connected electrically in series, in particular two Insulated Gate Bipolar Transistors (IGBT), which are each provided with a corresponding free-wheeling diode 60 or 62.
  • IGBT Insulated Gate Bipolar Transistors
  • traction converters are built as modularly as possible, with a bridge branch module 54 being used as the smallest unit.
  • the parallel connection of two bridge branch modules 54 results in a power converter bridge branch module 48 for high power.
  • FIG. 4 shows an equivalent circuit diagram of a second embodiment of the diesel-electric drive system according to the invention.
  • this embodiment has a self-commutated pulse ⁇ two power converters constructed generator-side self-commutated pulse-controlled converters on 12th
  • this Self-commutated pulse-controlled converter 12 realized by its individual Dop- compel converter bridge branch modules 64.
  • An equivalent circuit diagram of such a double-converter bridge branching module 64 is shown in greater detail in FIG.
  • the DC-side connections 50 of the three double-converter bridge branch modules 64 are electrically connected to the positive potential P of the intermediate circuit 18 of the voltage intermediate-circuit converter 6, whereas the DC-side connections 52 of this double-current converter Bridge branch modules 64 are each connected to the negative potential N of the intermediate circuit 18 of the voltage source inverter 6.
  • the AC-side terminals R, S, and T or R ', S' and T 'of the two generator-side self-commutated pulse-controlled converters are linked, respectively with a throttle 66 and 68, ver ⁇ .
  • the AC-side terminals R ', S' and T 'of a self-commutated pulse converter are connected by means of the circuit breaker 40 with the stator-side terminals 42, 44 and 46 of the stator winding system of the permanently excited synchronous generator 4.
  • the chokes 66 are the AC-side terminals R, S and T of the other self-commutated PuIs- power converter on the one hand by means of the switching device 32 with the braking resistors 34, 36 and 38 and on the other hand by means of another switching device 70 with the stator-side terminals 42, 44 and 46 of the stator winding system the permanently excited synchronous motor 4 linked.
  • the DC voltage side ver same intermediate circuit 18 ⁇ are linked, as a generator-side self-commutated pulse-controlled converter 12 of the voltage intermediate-circuit converter 6 and the associated chokes 66 and 68 is an engine brake in the diesel engine 2 as possible in a commercial vehicle.
  • the double-converter bridge arm module 64 according to FIG 5 has also as the converter bridge arm module 48 ge ⁇ Gurss Figure 3, two bridge arm modules 54 which are connected DC-voltage side electrically in parallel. AC voltage side, the connections, such as R and R 'remain separated.
  • three Doppelstromrichter- bridge arm modules 64 according to Figure 5 form two three-phase self-commutated pulse converter with the AC-side terminals R, S, T and R ', S', T '. On the DC voltage side, these two self-commutated pulse-controlled converters feed a DC link 18 of the DC link converter 6.
  • FIG. 6 shows an equivalent circuit diagram of a third embodiment of a diesel-electric drive system according to the invention is shown schematically.
  • This third embodiment differs from the second embodiment of the diesel-electric drive system according to FIG. 4 in that a permanently excited synchronous generator 72 with two winding systems 74 and 76 is provided as the permanently excited synchronous generator 4.
  • stator-side terminals 78, 80, 82 of the winding system 74 can be connected to AC side terminals R, S and T of a self-commutated pulse-controlled converter by means of a circuit breaker 40, whereas the stator-side terminals 84, 86 and 88 of the second stator winding system 76 are connected by means of a further circuit breaker 90 with alternating-current-side terminals R ', S' and T 'of the other self-commutated pulse-controlled converter of the generator-side, self-commutated pulse-controlled converter 12 of the voltage-source converter 6 of the diesel-electric converter
  • Braking resistors 34, 36 and 38 can be reduced accordingly. As a result, these braking resistors 34, 36 and 38 require a correspondingly smaller slot.

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein dieselelektrisches Antriebssystem mit einem permanent erregten Synchrongenerator (4), der läuferseitig mit einem Dieselmotor (2) mechanisch gekoppelt und ständerseitig mit einem Spannungszwischenkreis-Umrichter (6) elektrisch leitend verbunden ist, der generator- und lastseitig jeweils einen selbstgeführten Pulsstromrichter (12, 14) aufweist, die gleichspannungsseitig mittels eines Gleichspannungs-Zwischenkreises (18) miteinander verknüpft sind, und mit einem Bremswiderstand (20), der mit diesem Gleichspannungs-Zwischenkreis (18) elektrisch leitend verbindbar ist. Erfindungsgemäß sind jeder generatorseitige Anschluss (R, S, T) des generatorseitigen selbstgeführten Stromrichters (12) des Spannungszwischenkreis-Umrichters (6) jeweils mittels einer Schaltvorrichtung (32) mit einem Bremswiderstand (34, 36, 38) elektrisch leitend verbindbar, die untereinander elektrisch leitend verbunden sind. Somit erhält man ein dieselelektrisches Antriebssystem, bei dem ein zusätzlicher Bremssteller nicht mehr benötigt wird.

Description

Beschreibung
Dieselelektrisches Antriebssystem mit einem permanent erreg¬ ten Synchrongenerator
Die Erfindung bezieht sich auf ein dieselelektrisches An¬ triebssystem gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein gattungsgemäßes Antriebssystem ist der Veröffentlichung mit dem Titel "Energy Efficient Drive System for a Diesel E- lectric Shunting Locomotive", von Olaf Koerner, Jens Brand und Karsten Rechenberg, abgedruckt im Konferenzband "EPE'2005", der EPE-Konferenz in Dresden vom 11.-14.09.2005 zu entnehmen. In dieser Veröffentlichung werden zwei diesel- elektrische Antriebssysteme mit einem permanent erregten Syn¬ chrongenerator einander gegenüber gestellt. Diese beiden Antriebssysteme unterscheiden sich nur darin, dass der genera- torseitige Stromrichter des Spannungszwischenkreis-Umrichters einmal ein Diodengleichrichter und das andere Mal ein selbst- geführter Pulsstromrichter ist. In dieser Veröffentlichung wird der selbstgeführte Pulsstromrichter als IGBT-Gleich- richter bezeichnet. Bei beiden Antriebssystemen ist ein Bremswiderstand mit dem Zwischenkreis des Spannungszwischen¬ kreis-Umrichters verbindbar. Dazu ist ein abschaltbarer Thy- ristor vorgesehen, der auch als Gate Turn Off-Thyristor (GTO- Thyristor) bezeichnet wird. Mittels diesem Pulswiderstand wird die Gleichspannung im Zwischenkreis des Spannungszwischenkreis-Umrichters im Bremsbetrieb, das heißt, die Last, insbesondere eine Drehfeldmaschine, liefert Energie in den Zwischenkreis, dafür gesorgt, dass eine maximal zulässige Zwischenkreis-Spannung nicht überschritten wird. Ein Teil dieser Bremsleistung wird dazu verwendet, das Schleppmoment des leer laufenden Dieselmotors auszugleichen. Nachteilig wirkt sich aus, dass für den Bremssteiler ein weiterer Strom- richter-Brückenzweig verwendet werden muss und die zusätzli¬ che Verschienung dieses Bremsstellers mit der Zwischenkreis- Verschienung erfolgen muss. Dabei ist darauf zu achten, dass der Bremssteiler niederinduktiv angeschlossen werden sollte. In Abhängigkeit des Bremsmoments kann es vorkommen, dass weitere Stromrichter-Brückenzweige für den Bremssteiler verwendet werden müssen, die elektrisch parallel geschaltet werden. Außerdem wird eine Steuervorrichtung für den abschaltbaren Thyristor benötigt. Ferner weist der als Bremssteiler verwendete abschaltbare Thyristor ein aufwändiges Beschaltungsnetz- werk auf, das entsprechend Platz benötigt.
Aus der DE 102 10 164 Al ist eine Vorrichtung zur mehrfachen Gleichrichtereinspeisung eines permanent erregten Synchronmotors in einer Kraftanlage bekannt. Dieser permanent erregte Synchrongenerator weist zwei mehrphasige Ständerwicklungssysteme auf, die in ihrer Windungszahl unterschiedlich ausge¬ führt sind. Das eine Wicklungssystem ist an einem gesteuerten Gleichrichter, z.B. einem IGBT-Gleichrichter, angeschlossen. Dieser gesteuerte Gleichrichter hat die Aufgabe, den permanent erregten Synchrongenerator bezüglich Leistungsabgabe und somit Drehzahl zu regeln. Dazu fließt im Bereich kleiner Drehzahlen Strom und somit die elektrische Leistung aus- schließlich über dieses Wicklungssystem und damit über den gesteuerten Gleichrichter, der an einem Gleichspannungszwischenkreis angeschlossen ist. Das zweite Wicklungssystem ist an einem ungesteuerten Gleichrichter, beispielsweise einer mehrpulsigen Diodenbrücke, angeschlossen, der ebenfalls an den gleichen Gleichspannungszwischenkreis wie der gesteuerte Gleichrichter angeschlossen ist. Ist die verkettete (d.h. Phase zu Phase) Rotationsspannung (auch als Polradspannung bezeichnet) größer als die Zwischenkreisspannung des Gleichspannungszwischenkreises, kann im zweiten Wicklungssystem ein Strom fließen, der über den ungesteuerten Gleichrichter auf den Gleichspannungszwischenkreis gleichgerichtet wird. Dabei kann durch die magnetische Kopplung zwischen dem ersten und zweiten Wicklungssystem der Strom im zweiten Wicklungssystem durch den Strom im ersten Wicklungssystem, der durch den ak- tiven Gleichrichter (gesteuerter Gleichrichter) geregelt wird, in Amplitude und Phasenlage beeinflusst werden. Dies bedeutet, dass mit Hilfe des gesteuerten Gleichrichters auch der Strom in dem Wicklungssystem des ungesteuerten Gleich- richters zu einem gewissen Grad geregelt werden kann. Die Wirkleistungsübertragung dieser Vorrichtung wird hauptsäch¬ lich vom ungesteuerten Gleichrichter übernommen, damit der gesteuerte Gleichrichter in seiner Leistung klein dimensio- niert und damit kostengünstig wird. Mit Hilfe dieses gesteuerten Gleichrichters, der allgemein auch als selbstgeführter Pulsstromrichter bezeichnet wird, wird der stark übererregte Betrieb des permanent erregten Synchrongenerators vermieden. Außerdem werden Harmonische im Generatormoment, die durch den ungesteuerten Gleichrichter verursacht werden, kompensiert.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, das gattungsgemäße dieselelektrische Antriebssystem dahingehend zu verbessern, dass auf einen zusätzlichen Bremssteiler verzichtet werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 in Verbindung mit den Merkmalen seines Oberbegriffs gelöst.
Dadurch, dass an jedem generatorseitigen Anschluss des gene- ratorseitigen selbstgeführten Pulsstromrichters des Span¬ nungszwischenkreis-Umrichters mittels einer Schaltvorrichtung ein Bremswiderstand elektrisch leitend verbindbar ist, über- nimmt dieser selbstgeführte Pulsstromrichter zusätzlich die
Aufgabe der Bremsstromregelung. Somit entfällt der Bremssteiler am Zwischenkreis des Spannungszwischenkreis-Umrichters.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform dieses elektrischen Antriebssystems weist der Spannungszwischenkreis-Umrichter generatorseitig einen weiteren selbstgeführten Pulsstromrichter auf, der gleichspannungsseitig zum Gleichspannungs- Zwischenkreis des Spannungszwischenkreis-Umrichters geschaltet ist, wobei diese beiden generatorseitigen selbstgeführten Pulsstromrichter wechselspannungsseitig jeweils mit einem Anschluss einer ersten und zweiten Drossel verknüpft sind, wobei ein zweiter Anschluss einer jeden ersten Drossel mittels der Schaltvorrichtung mit dem Bremswiderstand und mittels ei- ner weiteren Schaltvorrichtung und einem ständerseitigen An- schluss des permanent erregten Synchrongenerators verknüpft sind, und wobei ein zweiter Anschluss einer jeden zweiten Drossel mit einem ständerseitigen Anschluss der permanent er- regten Synchrongenerators verbunden ist. Durch die Verwendung eines weiteren generatorseitigen Pulsstromrichters und von ersten und zweiten Drosseln bei dem dieselelektrischen Antriebssystem ist im Bremsbetrieb eine Motorbremse beim Die¬ selmotor wie bei einem Nutzfahrzeug möglich, wodurch ein Teil der Leistung im elektrischen Bremsen über den Dieselmotor dissipiert wird. Dadurch kann bei gleicher Leistung der Bremswiderstand entsprechend verkleinert werden. Im Genera¬ torbetrieb sind die beiden generatorseitig parallel geschalteten mehrphasigen selbstgeführten Pulsstromrichter durch diese ersten und zweiten Drosseln eingangsseitig entkoppelt.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des dieselelektrischen Antriebssystems weisen der permanent erregte Synchrongenerator zwei getrennte Ständerwicklungssysteme und der Spannungszwischenkreis-Umrichter generatorseitig zwei selbstgeführte Pulsstromrichter auf, deren wechselspannungs- seitige Anschlüsse jeweils mit einem ständerseitigen An¬ schluss eines der beiden Ständerwicklungssysteme verknüpft sind. Dadurch sind die Ständerwicklungen der beiden Wick- lungssysteme des permanent erregten Synchrongenerators je¬ weils mit einem generatorseitigen selbstgeführten Pulsstromrichter des Spannungszwischenkreis-Umrichters verbunden, die gleichspannungsseitig gemeinsam mit einem Zwischenkreis des Spannungszwischenkreis-Umrichters verbunden sind. Wechsel- spannungsseitig ist einer von diesen beiden generatorseitigen selbstgeführten Pulsstromrichtern des Spannungszwischenkreis- Umrichters mittels einer Schaltvorrichtung mit einem Bremswiderstand verknüpft. Auch mit dieser erfindungsgemäßen Ausführung des dieselelektrischen Antriebssystems ist eine Motor- bremse beim Dieselmotor wie bei Nutzfahrzeugen möglich, so dass ein Teil der Leistung in elektrischen Bremsen über den Dieselmotor dissipiert werden kann. Dadurch kann der Bremswiderstand entsprechend verkleinert werden. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des dieselelektrischen Antriebssystems sind den Unteransprüchen 4 bis 8 zu entnehmen .
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der mehrere Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen dieselelektrischen Antriebssystems schematisch veranschaulicht sind.
Figur 1 zeigt ein Ersatzschaltbild eines gattungsgemäßen dieselelektrischen Antriebssystems, in der
Figur 2 ist ein Ersatzschaltbild einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen dieselelektrischen An- triebssystems dargestellt, die
Figur 3 zeigt ein Ersatzschaltbild eines Stromrichter-
Brückenzweigmoduls eines generatorseitigen selbstgeführten Pulsstromrichters eines Spannungszwi¬ schenkreis-Umrichters nach Figur 2, die Figur 4 zeigt ein Ersatzschaltbild einer zweiten Ausführungsform eines dieselelektrischen Antriebssystems nach der Erfindung, in der
Figur 5 ist ein Ersatzschaltbild eines Doppelstromrichter- Brückenzweigmoduls eines generatorseitigen selbst- geführten Pulsstromrichters eines Spannungszwi¬ schenkreis-Umrichters nach Figur 4 und in der
Figur 6 ist ein Ersatzschaltbild einer dritten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen dieselelektrischen Antriebssystems dargestellt.
In der Figur 1, die ein Ersatzschaltbild eines gattungsgemäßen dieselelektrischen Antriebssystems zeigt, sind mit 2 ein Dieselmotor, mit 4 ein permanent erregter Synchrongenerator, mit 6 ein Spannungszwischenkreis-Umrichter, mit 8 mehrere Drehfeldmaschinen, insbesondere Drehstrom-Asynchronmotoren, und mit 10 einen Bremschopper versehen. Der Spannungszwischenkreis-Umrichter weist einen generator- und lastseitigen selbstgeführten Pulsstromrichter 12 und 14 auf, die mittels eines eine Zwischenkreis-Kondensatorbatterie 16 aufweisenden Zwischenkreises 18 gleichspannungsseitig miteinander elekt¬ risch leitend verbunden sind. Elektrisch parallel zu diesem Zwischenkreis 18 ist der Bremschopper 10 geschaltet, der ei- nen Bremswiderstand 20 und einen Bremssteiler 22, beispielsweise einen abschaltbaren Thyristor, aufweist, die elektrisch in Reihe geschaltet sind. Außerdem sind in diesem Ersatz¬ schaltbild eine Kondensatorbatterie 24, insbesondere aus Su- percaps, aufgebaut, ein DC/DC-Wandler 26 und ein Hilfswech- selrichter 28 dargestellt. Eingangsseitig ist dieser DC/DC- Wandler 26 mit der Kondensatorbatterie 24 und ausgangsseitig mit den gleichspannungsseitigen Anschlüssen des Hilfswechsel- richters 28 verknüpft. Außerdem ist der DC/DC-Wandler 26 ausgangsseitig elektrisch zum Zwischenkreis 18 des Spannungszwi- schenkreis-Umrichters 6 geschaltet. An den wechselspannungs- seitigen Anschlüssen des Hilfswechselrichters 28 sind Hilfs- antriebe angeschlossen, die hier nicht explizit dargestellt sind. Der Dieselmotor 2 und der permanent erregte Synchrongenerator 4 sind läuferseitig mechanisch miteinander gekoppelt, wobei dieser permanent erregte Synchrongenerator 4 ständer- seitig mit wechselspannungsseitigen Anschlüssen des genera- torseitigen selbstgeführten Pulsstromrichters 12 des Spannungszwischenkreis-Umrichters 6 verknüpft ist.
Da dieses Ersatzschaltbild ein Ersatzschaltbild einer dieselelektrischen Rangierlokomotive ist, ist mit 30 ein Traktionscontainer bezeichnet, der die Stromrichterelektronik auf¬ nimmt. Außerhalb dieses Traktionscontainers 30 sind der Bremswiderstand und der dieselangetriebene permanent erregte Synchrongenerator 4 angeordnet. Die vier Drehstrom-Asynchronmotoren 8 sind die Motoren der beiden Drehgestelle einer dieselelektrischen Rangierlokomotive .
Der Bremswiderstand 20, der in diesem Ersatzschaltbild als ein Widerstand ausgeführt ist, kann auch aus in Reihe ge¬ schalteten Widerständen aufgebaut sein. Der abschaltbare Thyristor 22 ist in der Realisierung ein Stromrichter-Brücken- zweigmodul, bei dem an Stelle eines zweiten abschaltbaren Thyristors nur die zugehörige Freilaufdiode verwendet wird. Zu diesem Stromrichter-Brückenzweigmodul gehört außerdem ein Beschaltungsnetzwerk für den abschaltbaren Thyristor und eine so genannte Gate-Unit .
In der Figur 2 ist ein Ersatzschaltbild einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen dieselelektrischen Antriebssystems schematisch dargestellt. Wegen der Übersicht¬ lichkeit sind der lastseitige selbstgeführte Pulsstromrichter 14 des Spannungszwischenkreis-Umrichters 6 und die Drehstrom- Asynchronmotoren 8, wie in der Figur 1 gezeigt, nicht mehr dargestellt. Die wechselspannungsseitigen Anschlüsse R, S und T des generatorseitigen selbstgeführten Pulsstromrichters 12 des Spannungszwischenkreis-Umrichters 6 sind jeweils einer- seits mittels einer Schaltvorrichtung 32 mit einem Bremswiderstand 34, 36 und 38 und andererseits mittels eines Leis¬ tungsschalters 40 mit einem ständerseitigen Anschluss 42, 44 und 46 des permanent erregten Synchrongenerators 4 verbind¬ bar. In dieser Darstellung sind von diesem permanent erregten Synchrongenerator 4 außerdem sein Ständerwicklungssystem dargestellt. In dieser Darstellung sind die Schaltvorrichtungen einer jeden Phase des Antriebssystems durch eine Schaltvor¬ richtung 32 symbolisiert. Das gleiche gilt für den Leistungsschalter 40. Bremswiderstände 34, 36 und 38 sind in dieser Darstellung elektrisch in Stern geschaltet, und entsprechen wertmäßig dem Bremswiderstand 20 der Ausführungsform gemäß Figur 1. Diese Bremswiderstände 34, 36 und 38 können auch e- lektrisch in Dreieck geschaltet werden. Als Schaltvorrichtung 32 ist ein dreiphasiger Trenner vorgesehen. Ein derartiger Trenner wird stromlos geöffnet. Der Leistungsschalter 40 ist zum Schutz des selbstgeführten Pulsstromrichters 12 vorgesehen. An Stelle einer elektrisch mechanischen Schaltvorrichtung 32 kann auch eine rein elektrische Schaltvorrichtung 32 vorgesehen sein. Dazu werden Thyristoren verwendet, die e- lektrisch in Dreieck geschaltet sind und wobei die Bremswi¬ derstände 34, 36 und 38 jeweils mit zwei elektrisch in Reihe geschalteten Thyristoren elektrisch leitend verbunden sind. Der generatorseitige selbstgeführte Pulsstromrichter 12 des Spannungszwischenkreis-Umrichters 6 wird in dieser Ausfüh¬ rungsform des dieselelektrischen Antriebssystems mittels Stromrichter-Brückenzweigmodule 48 realisiert. Ein Ersatz- Schaltbild dieser Stromrichter-Brückenzweigmodule 48 ist in der Figur 3 näher dargestellt. Die gleichspannungsseitigen Anschlüsse 50 und 52 eines jeden Stromrichter-Brückenzweig- moduls 48 des generatorseitigen selbstgeführten Pulsstromrichters 12 sind jeweils mit einem Potential des Zwischen- kreises 18 des Spannungszwischenkreis-Umrichters 6 elektrisch leitend verbunden. Dabei sind die gleichspannungsseitigen Anschlüsse 50 der drei Stromrichter-Brückenzweigmodule 48 des selbstgeführten Pulsstromrichters 12 jeweils mit einem positiven Potential P des Zwischenkreises 18 verbunden, wogegen die gleichspannungsseitigen Anschlüsse 52 dieser drei Strom- richter-Brückenzweigmodule 48 jeweils mit einem negativen Potential N des Zwischenkreises 18 verknüpft sind.
Gemäß diesem Ersatzschaltbild nach Figur 3 weist das Strom- richter-Brückenzweigmodul 48 zwei Brückenzweigmodule 54 auf, die elektrisch parallel geschaltet sind. Jedes Brückenzweig- modul 54 weist zwei elektrisch in Reihe geschaltete abschaltbare Halbleiterschalter 56 und 58, insbesondere zwei Insula- ted Gate Bipolar Transistoren (IGBT), auf, die jeweils mit einer korrespondierenden Freilaufdiode 60 bzw. 62 versehen sind. In der Traktionstechnik werden Traktionsumrichter möglichst modular aufgebaut, wobei als kleinste Einheit ein Brü- ckenzweigmodul 54 verwendet wird. In der Darstellung gemäß Figur 3 erhält man durch die Parallelschaltung zweier Brü- ckenzweigmodule 54 ein Stromrichter-Brückenzweigmodul 48 für eine hohe Leistung.
Die Figur 4 zeigt ein Ersatzschaltbild einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen dieselelektrischen Antriebs- Systems. Gegenüber der Ausführungsform gemäß Figur 2 weist diese Ausführungsform einen aus zwei selbstgeführten Puls¬ stromrichtern aufgebauten generatorseitigen selbstgeführten Pulsstromrichter 12 auf. In dieser Darstellung ist dieser selbstgeführte Pulsstromrichter 12 durch seine einzelnen Dop- pelstromrichter-Brückenzweigmodule 64 realisiert. Ein Ersatzschaltbild eines derartigen Doppelstromrichter-Brückenzweig- moduls 64 ist in der Figur 5 näher dargestellt. Auch bei die- ser Ausgestaltung des selbstgeführten Pulsstromrichters 12 sind die gleichspannungsseitigen Anschlüsse 50 der drei Dop- pelstromrichter-Brückenzweigmodule 64 jeweils mit dem positiven Potential P des Zwischenkreises 18 des Spannungszwischenkreis-Umrichters 6 elektrisch leitend verbunden, wogegen die gleichspannungsseitigen Anschlüsse 52 dieser Doppelstromrich- ter-Brückenzweigmodule 64 jeweils mit dem negativen Potential N des Zwischenkreises 18 des Spannungszwischenkreis-Umrichters 6 verbunden sind.
Die wechselspannungsseitigen Anschlüsse R, S, und T bzw. R', S' und T' der beiden generatorseitigen selbstgeführten Pulsstromrichter sind jeweils mit einer Drossel 66 bzw. 68 ver¬ knüpft. Mittels der Drosseln 68 sind die wechselspannungsseitigen Anschlüsse R' , S' und T' des einen selbstgeführten Pulsstromrichters mittels des Leistungsschalters 40 mit den ständerseitigen Anschlüssen 42, 44 und 46 des Ständerwicklungssystems des permanent erregten Synchrongenerators 4 verknüpft. Mittels der Drosseln 66 sind die wechselspannungsseitigen Anschlüsse R, S und T des anderen selbstgeführten PuIs- Stromrichters einerseits mittels der Schaltvorrichtung 32 mit den Bremswiderständen 34, 36 und 38 und andererseits mittels einer weiteren Schaltvorrichtung 70 mit den ständerseitigen Anschlüssen 42, 44 und 46 des Ständerwicklungssystems des permanent erregten Synchronmotors 4 verknüpft. Durch die Ver- wendung von zwei selbstgeführten Pulsstromrichtern, die gleichspannungsseitig mit demselben Zwischenkreis 18 ver¬ knüpft sind, als generatorseitigen selbstgeführten Pulsstromrichter 12 des Spannungszwischenkreis-Umrichters 6 und den zugeordneten Drosseln 66 und 68 ist eine Motorbremse beim Dieselmotor 2 wie bei einem Nutzfahrzeug möglich. Dadurch wird ein Teil der Leistung im elektrischen Bremsen über den Dieselmotor 2 dissipiert. Dadurch können die Bremswiderstände 34, 36 und 38 entsprechend verkleinert werden. Das Doppelstromrichter-Brückenzweigmodul 64 gemäß Figur 5 weist ebenfalls wie das Stromrichter-Brückenzweigmodul 48 ge¬ mäß Figur 3 zwei Brückenzweigmodule 54 auf, die gleichspan- nungsseitig elektrisch parallel geschaltet sind. Wechselspan- nungsseitig bleiben die Anschlüsse, beispielsweise R und R' , voneinander getrennt. Somit bilden drei Doppelstromrichter- Brückenzweigmodule 64 gemäß Figur 5 zwei dreiphasige selbstgeführte Pulsstromrichter mit den wechselspannungsseitigen Anschlüssen R, S, T und R' , S' , T' . Gleichspannungsseitig speisen diese beiden selbstgeführten Pulsstromrichter einen Zwischenkreis 18 des Spannungszwischenkreis-Umrichters 6.
In der Figur 6 ist ein Ersatzschaltbild einer dritten Ausfüh- rungsform eines dieselelektrischen Antriebssystems nach der Erfindung schematisch dargestellt. Diese dritte Ausführungsform unterscheidet sich von der zweiten Ausführungsform des dieselelektrischen Antriebssystems gemäß Figur 4 dadurch, dass als permanent erregter Synchrongenerator 4 ein permanent erregter Synchrongenerator 72 mit zwei Wicklungssystemen 74 und 76 vorgesehen ist. Die ständerseitigen Anschlüsse 78, 80, 82 des Wicklungssystems 74 sind mittels eines Leistungsschalters 40 mit wechselspannungsseitigen Anschlüssen R, S und T des einen selbstgeführten Pulsstromrichters verbindbar, woge- gen die ständerseitigen Anschlüsse 84, 86 und 88 des zweiten Ständerwicklungssystems 76 mittels eines weiteren Leistungsschalters 90 mit wechselspannungsseitigen Anschlüssen R' , S' und T' des anderen selbstgeführten Pulsstromrichters des ge- neratorseitigen selbstgeführten Pulsstromrichters 12 des Spannungszwischenkreis-Umrichters 6 des dieselelektrischen
Antriebssystems verbindbar sind. Die wechselspannungsseitigen Anschlüsse R, S und T des einen selbstgeführten Pulsstromrichters des generatorseitigen selbstgeführten Pulsstromrichters 12 des Spannungszwischenkreis-Umrichters 6 sind außerdem mittels der Schaltvorrichtung 32 mit den Bremswiderständen 34, 36 und 38 elektrisch leitend verbindbar. Durch die Ver¬ wendung eines permanent erregten Synchrongenerators 72 mit zwei Ständerwicklungssystemen 74 und 76 an Stelle eines per- manent erregten Synchrongenerators 4 mit einem Ständerwick¬ lungssystem werden gegenüber der Ausführungsform des dieselelektrischen Antriebssystems nach Figur 4 die sechs Drosseln 66 und 68 und deren Verschaltung eingespart. Demgegenüber un- terscheiden sich diese beiden Ausführungsformen nicht in ihrer Funktion. Das heißt, auch bei dieser dritten Ausführungsform ist eine Motorbremse beim Dieselmotor 2 wie bei einem Nutzfahrzeug möglich. Dadurch wird ein Teil der Bremsleistung über den Dieselmotor 2 dissipiert, wodurch bei unveränderter Bremsleistung des dieselelektrischen Antriebssystems die
Bremswiderstände 34, 36 und 38 entsprechend verkleinert werden können. Dadurch beanspruchen diese Bremswiderstände 34, 36 und 38 einen entsprechend geringeren Einbauplatz.

Claims

Patentansprüche
1. Dieselelektrisches Antriebssystem mit einem permanent erregten Synchrongenerator (4), der läuferseitig mit einem Die- selmotor (2) mechanisch gekoppelt und ständerseitig mit einem Spannungszwischenkreis-Umrichter (6) elektrisch leitend verbunden ist, der generator- und lastseitig jeweils einen selbstgeführten Pulsstromrichter (12, 14) aufweist, die gleichspannungsseitig mittels eines Gleichspannungs-Zwi- schenkreises (18) miteinander verknüpft sind, und mit einem Bremswiderstand (20), der mit diesem Gleichspannungs-Zwi- schenkreis (18) elektrisch leitend verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass jeder generatorseitige Anschluss (R, S, T) des generatorseitigen selbstgeführten Pulsstromrichters (12) des Spannungszwischenkreis-Umrichters (6) jeweils mit¬ tels einer Schaltvorrichtung (32) mit einem Bremswiderstand (34, 36, 38) elektrisch leitend verbindbar sind, die unter¬ einander elektrisch leitend verbunden sind.
2. Dieselelektrisches Antriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der generatorseitige selbstgeführte Pulsstromrichter (12) des Spannungszwischenkreis-Umrichters (6) einen weiteren selbstgeführten Pulsstromrichter aufweist, der gleichspannungsseitig zum Gleichspannungs-Zwischenkreis (18) des Spannungszwischenkreis-Umrichters (6) geschaltet ist, wobei die beiden selbstgeführten Pulsstromrichter des generatorseitigen selbstgeführten Pulsstromrichters (12) des Spannungszwischenkreis-Umrichters (6) wechselspannungsseitig jeweils mit einem Anschluss einer ersten und zweiten Drossel (66, 68) elektrisch leitend verbunden sind, dass ein zweiter Anschluss einer jeden ersten Drossel (66) mittels der Schaltvorrichtung (32) mit einem Bremswiderstand (34, 36, 38) und mittels einer weiteren Schaltvorrichtung (70) mit ständersei- tigen Anschlüssen (42, 44, 46) des permanent erregten Syn- chrongenerators (4) verknüpft sind, und dass ein zweiter Anschluss einer jeden zweiten Drossel (68) mit einem ständer- seitigen Anschluss (42, 44, 46) des permanent erregten Syn¬ chrongenerators (4) verbunden ist.
3. Dieselelektrisches Antriebssystem mit einem permanent erregten Synchrongenerator (72) mit zwei getrennten Ständerwicklungssystemen (74, 76) nach Anspruch 1, dadurch gekenn- zeichnet, dass der generatorseitige selbstgeführte Pulsstromrichter (12) des Spannungszwischenkreis-Umrichters (6) zwei selbstgeführte Pulsstromrichter aufweist, die gleichspan- nungsseitig jeweils mit dem Zwischenkreis (18) des Spannungszwischenkreis-Umrichters (6) elektrisch leitend verbunden sind, dass jeweils ein wechselspannungsseitiger Anschluss (R, S, T) des einen selbstgeführten Pulsstromrichters mittels der Schaltvorrichtung (32) mit einem Bremswiderstand (34, 36, 38) und mit ständerseitigen Anschlüssen (78, 80, 82) des ersten Ständerwicklungssystems (74) des permanent erregten Synchron- generators (72) verknüpft sind, dass jeweils ein wechselspannungsseitiger Anschluss (R' , S' , T' ) des anderen selbstge¬ führten Pulsstromrichters des generatorseitigen selbstgeführten Pulsstromrichters (12) des Spannungszwischenkreis- Umrichters (6) mit ständerseitigen Anschlüssen (84, 86, 88) des zweiten Ständerwicklungssystems (76) des permanent erregten Synchrongenerators (72) verbunden sind.
4. Dieselelektrisches Antriebssystem nach einem der vorge¬ nannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass den ständer- seitigen Anschlüssen (42, 44, 46; 78, 80, 82; 84, 86, 88) des permanent erregten Synchrongenerators (4, 72) jeweils ein Leistungsschalter (40, 90) nachgeschaltet sind.
5. Dieselelektrisches Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Schaltvorrichtung
(32, 70) jeweils ein Trenner vorgesehen ist.
6. Dieselelektrisches Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Schaltvorrichtung (32, 70) jeweils ein Thyristor vorgesehen ist, die elektrisch in Reihe geschaltet sind.
7. Dieselelektrisches Antriebssystem nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremswiderstände (32, 34, 36) elektrisch in Stern geschaltet sind.
8. Dieselelektrisches Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremswiderstände (32, 34, 36) elektrisch in Reihe geschaltet sind.
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