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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Dämpfungselement.
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Traktionsstromrichter
für elektrische
Lokomotiven weisen häufig
Stromrichter mit mehreren verteilten Spannungszwischenkreisen auf.
Ein Ersatzschaltbild eines derartigen Traktionsstromrichters ist
in der 1 näher
dargestellt. In diesem Ersatzschaltbild weist jeder Stromrichter 2 bzw. 4 einen netzseitigen
und einen lastseitigen Stromrichter 6 und 8 auf.
Als netzseitiger Stromrichter 6 ist ein so genannter Vierquadrantensteller
(4QS) vorgesehen, wobei als lastseitiger Stromrichter 8 ein
selbstgeführter
Pulsstromrichter vorgesehen ist. Gleichspannungsseitig sind diese
beiden Stromrichter 6 und 8 eines jeden Stromrichters 2 bzw. 4 des
Traktionsstromrichters mittels eines Zwischenkreiskondensators 10 bzw. 12,
der aus einer Vielzahl von Kondensatoren aufgebaut sein kann, elektrisch
parallel geschaltet. Diese Zwischenkreiskondensatoren 10 und 12 des
Traktionsstromrichters sind mittels elektrischer Verbindungen 14 und 16,
insbesondere Stromschienen, elektrisch untereinander und mit gleichspannungsseitigen
Anschlüssen
eines jeden Stromrichters 2 und 4 des Traktionsstromrichters
verbunden. Elektrisch parallel zu diesen Zwischenkreiskondensatoren 10 und 12 ist
ein Hilfsbetriebe-Umrichter 18 elektrisch parallel geschaltet.
Dazu befindet sich in einer Verbindungsleitung 20 des Hilfsbetriebe-Umrichters 18 ein
Leistungsschalter 22. Elektrisch parallel zu den gleichspannungsseitigen
Anschlüssen
des Hilfsbetriebe-Umrichters 18 ist ein Kondensator 24 geschaltet.
Ebenfalls ist elektrisch parallel zu den Zwischenkreiskondensatoren 10 und 12 der
Stromrichter 6 und 8 ein Saugkreis 26 geschaltet,
der als Reihenschwingkreis aufgebaut und auf die Oberwellen des
Zwischenkreises abgestimmt ist. Dazu weist dieser Saugkreis 26 unter
anderem einen Kondensator 28 auf. Diesem Ersatzschaltbild
ist ebenfalls zu entnehmen, dass die Verbindung 14 zwischen
den beiden Stromrichtern 2 und 4 des Traktionsstrom richters
derart getrennt werden kann, dass elektrisch parallel zum Kondensator 10 bzw. 12 des
Stromrichters 2 bzw. 4 der Saugkreis 26 geschaltet
bleibt. Deshalb sind in der Verbindung 14 zwei Leistungsschalter 30 und 32 angeordnet.
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Über die
elektrischen Verbindungen 14 und 16, insbesondere
Stromschienen, fließt
ein Gleichstrom zur Energieübertragung
zwischen den Spannungszwischenkreisen der beiden Stromrichter 2 und 4 des
Traktionsstromrichters. Da der netzseitige Stromrichter 6 eines
jeden Stromrichters 2 und 4 des Traktionsstromrichters
einphasig ausgebildet ist, fließt
in den elektrischen Verbindungen 14 und 16 zusätzlich ein
Strom mit doppelter Netzfrequenz. Durch die Streu-Induktivitäten der
elektrischen Verbindungen 14 und 16 entsteht in
Verbindung mit den Zwischenkreiskondensatoren 10 und 12 und
den Kondensatoren 24 und 28 ein Schwingkreis höherer Ordnung.
Dieser Schwingkreis wird bei jedem Schaltvorgang eines Stromrichterventils
eines Stromrichters 2 bzw. 4 am Spannungszwischenkreis
des Traktionsstromrichters angeregt und führt zu schwachgedämpften und
hochfrequenten Strömen
zwischen den Spannungszwischenkreisen. Diese Ströme führen zu einer thermischen Zusatzbelastung
der Zwischenkreiskondensatoren 10 und 12 und des
Kondensators 24 des Hilfsbetriebe-Umrichters 18.
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In
der 2 sind in einem Diagramm über der Frequenz einzelne Kondensatorströme iC2, iC4, iCH und iCS dargestellt.
Dieser Darstellung kann entnommen werden, dass bei allen Kondensatoren 10, 12, 24 und 28 der
Stromrichter 2, 4 und 18 und des Saugkreises 26 eine
Stromverstärkung
bei einer Anregung des Schwingkreises höherer Ordnung stattfindet.
Bei einer Frequenz kleiner einer Resonanzfrequenz werden die Frequenzanteile
auf diese Kondensatoren 10, 12, 14 und 28 gleich
aufgeteilt. Bei der Resonanzfrequenz werden die Kondensatorströme iC2, iC4, iCH und iCS verstärkt, wobei
bei einer Frequenz größer der
Resonanzfrequenz die Kondensatorströme iC2, iC4, iCH und iCS unterschiedlich von der Anregung betroffen
sind.
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Aus
der
EP 1 450 475 A1 ist
eine Maßnahme bekannt,
mit der Schwingungen im Spannungszwischenkreis eines Spannungszwischenkreis-Umrichters
gedämpft
werden können.
Diese Maßnahme
ist ein Dämpfungsnetzwerk,
das elektrisch parallel zu jedem Energiespeicher dieses Spannungszwischenkreis-Umrichters
geschaltet ist. Dieses Dämpfungsnetzwerk
besteht aus einem Kondensator und einem zu diesem Kondensator in
Serie geschalteten Widerstand. Um eine gute Wirkung dieses Dämpfungsnetzwerkes
zu erreichen, sind die Verbindungen zum Zwischenkreiskondensator
niederinduktiv ausgebildet. Zur Abführung einer Verlustleistung
verfügt
der Widerstand dieses Dämpfungsnetzwerkes
vorzugsweise über
ein eigenständiges
Widerstandskühlsystem.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn der Wert des Kondensators des Dämpfungsnetzwerkes
in der Größenordnung
1,5 bis 50-fach
größer als
der Wert des Kondensators des Spannungszwischenkreises ist. Mittels
dieses Dämpfungsnetzwerkes
kann die Schwingung des Stromes im Oszillationspfad vermindert werden,
sowie die elektrische und thermische Belastung der Kondensatoren
und weiterer Komponenten des Spannungszwischenkreis-Umrichters vermindert werden.
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In
der
3 ist das Ersatzschaltbild des Traktionsstromrichters
gemäß
1 mit
zwei Dämpfungsnetzwerken
34 und
36 der
EP 1 450 475 A1 näher dargestellt.
Gemäß der
EP 1 450 475 A1 ist
ein Dämpfungsnetzwerk
34 bzw.
36 elektrisch
parallel zum Zwischenkreis-Kondensator eines Spannungszwischenkreis-Umrichters
zu schalten. Zum Kondensator
10 bzw. 12 ist das Dämpfungsnetzwerk
34 bzw.
36 elektrisch
parallel geschaltet. Das Dämpfungsnetzwerk
34 bzw.
36 weist
einen Kondensator
38 bzw.
40 und einen Widerstand
42 bzw.
44 auf,
die elektrisch in Reihe geschaltet sind.
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In
der 4 sind in einem Diagramm über der Frequenz f die Kondensatorströme iC2, iC4, iCH und iCS dargestellt.
Um die Wirkung der beiden Dämpfungsnetzwerke 34 und 36 erkennen
zu können,
sind die Stromverläufe
der 2 und die gedämpften Stromverläufe gemeinsam
in diesem Diagramm dargestellt. Die gestrichelten Verläufe veranschaulichen die
Stromverläufe iC2, iC4, iCH und iCS mit Dämpfung. Bei
Frequenzen f unterhalb der Resonanzfrequenz zeigen diese Dämpfungsnetzwerke 34 und 36 keine Wirkung.
Auch bei der Resonanzfrequenz ist die Wirkung von Dämpfungsnetzwerken 34 und 36 begrenzt.
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Der
Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, den bekannten Stromrichter
mit mehreren verteilten Spannungszwischenkreisen derart weiterzubilden,
dass einerseits hochfrequente Ströme gedämpft werden, aber die Verlustleistung
geringer ausfällt.
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Diese
Aufgabe wird dadurch gelöst,
dass ein erfindungsgemäßes Dämpfungselement
in den bekannten Stromrichter mit mehreren verteilten Spannungszwischenkreisen
eingebaut wird.
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Dadurch,
dass das erfindungsgemäße Dämpfungselement
zwei Strompfade aufweist, nämlich
einen für
die hochfrequente Stromkomponente und einen für den Gleichstrom und einer
doppelt frequenten Stromkomponente, kann jeder Strompfad unabhängig voneinander
optimiert werden. Der Strompfad für die hochfrequente Stromkomponente ist
niederinduktiv, aber mit einem höheren
elektrischen Widerstand ausgestattet, wogegen der Strompfad für den Gleichstrom
und der doppelt frequenten Stromkomponente höherinduktiv ist und mit einem geringeren
elektrischen Widerstand versehen ist. Dadurch wird einerseits die
hochfrequente Stromkomponente gedämpft und andererseits wird
der Gleichstrom und die doppelt frequente Stromkomponente nur minimal
begrenzt, wodurch die Verlustleistung im Spannungszwischenkreis
des bekannten Stromrichters mit mehreren verteilten Spannungszwischenkreisen
nur minimal ansteigt.
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Um
zwei Strompfade mit diesen unterschiedlichen Bedingungen zu realisieren,
wird für
den ersten Strompfad ein elektrisch nicht gut leitendes Material
und für
den zweiten Strompfad ein elektrisch gut leitendes Material gewählt. Als
elektrisch nicht gut leitendes Material wird Edelstahl und als elektrisch
gut leitendes Material wird Kupfer vorgesehen. Damit der erste Pfad
möglichst
niederinduktiv ist, werden erfindungsgemäß zwei Schienenstücke vorgesehen,
die räumlich
pa rallel mit minimalem Abstand zueinander verlaufen. Demgegenüber besteht
der zweite Strompfad aus zwei Leitungsstücken, die jeweils einem Schienenstück elektrisch
parallel geschaltet sind.
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Da
dieses erfindungsgemäße Dämpfungselement
zwei räumlich
parallel mit minimalem Abstand verlaufende Schienenstücke aufweist,
kann dieses ohne großen
Aufwand in eine Verschienung eines Spannungszwischenkreises eines
Spannungszwischenkreis-Umrichters
mit verteilten Spannungszwischenkreisen integriert werden.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen des Dämpfungselementes nach der Erfindung
sind den Unteransprüchen
zu entnehmen.
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Zur
weiteren Erläuterung
der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der eine Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Dämpfungselementes
schematisch veranschaulicht ist.
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1 zeigt
ein Ersatzschaltbild eines Stromrichters mit verteilten Spannungszwischenkreisen,
in der
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2 sind
in einem Diagramm über
der Frequenz verschiedene Kondensatorströme des Stromrichters nach 1 dargestellt,
die
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3 zeigt
ein Ersatzschaltbild des Stromrichters nach 1 mit bekannten
Dämpfungsnetzwerken,
wobei in der
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4 in
einem Diagramm über
der Frequenz verschiedene Kondensatorströme des Stromrichters nach 3 veranschaulicht
sind, die
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5 zeigt
ein Dämpfungselement
nach der Erfindung, die
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6 zeigt
ein Ersatzschaltbild des Stromrichters nach 1 mit einem
Dämpfungselement nach 5 und
in der
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7 sind
in einem Diagramm über
der Frequenz die Kondensatorströme
des Stromrichters nach 6 veranschaulicht.
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Gemäß der 5 weist
ein Dämpfungselement
nach der Erfindung zwei Schienenstücke 46 und 48 und
zwei Leitungsstücke 50 und 52 auf,
wobei jeweils ein Schienenstück 46 bzw. 48 und
ein Leitungsstück 50 bzw. 52 elektrisch
parallel geschaltet sind. Diese beiden Schienenstücke 46 und 48 sind räumlich parallel
mit minimalem Abstand zueinander angeordnet. Der Wert dieses Abstandes
wird bestimmt von den Grenzwerten für Luft- und Kriechstrecken. Jeweils ein Schienenstück 46 bzw. 48 und
ein Leitungsstück 50 bzw. 52 sind
elektrisch parallel geschaltet. In Abhängigkeit eines gewünschten
Wertes für
die Induktivität
des Leitungsstückes 50 bzw. 52 und
damit für
den zweiten Strompfad ist dieses Leitungsstück 50 bzw. 52 als
Spule mit wenigstens einer Windung, insbesondere als Luftspule,
ausgebildet. Jedes Ende eines Leitungsstückes 50 bzw. 52 weist ein
Anschlussstück 54, 56 bzw. 58, 60 auf,
die elektrisch mit den Schienenstücken 46 bzw. 48 elektrisch leitend
verbunden sind. Die Schienenstücke 46 und 48 sind
jeweils aus Edelstahl, wodurch der Strompfad durch diese Schienenstücke 46 und 48 einen
höheren
elektrischen Widerstandswert aufweist. Der Abstand dieser beiden
Schienenstücke 46 und 48 zueinander
bestimmt den Induktivitätswert
des Strompfades durch diese Schienenstücke 46 und 48.
Für die
Leitungsstücke 50 und 52 sind
Kupferleitungen, insbesondere Bandleiter aus Kupfer, vorgesehen. Dadurch
weist der Strompfad durch diese Leitungsstücke 50 und 52 einen
geringeren Widerstandswert auf. Durch diese Gestaltung des Dämpfungselementes
erhält
man zwei Strompfade, wobei ein erster Strompfad niederinduktiv ist
und einen höheren
elektrischen Widerstandsstand aufweist, und wobei ein zweiter Strompfad
höher induktiv
ist und einen geringeren elektrischen Widerstand aufweist.
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Durch
die Ausgestaltung des Dämpfungselementes
fließt
der hochfrequente Stromanteil des Zwischenstromkreises durch den
ersten Strompfad, wogegen der Gleichstromanteil und der doppelt
netzfrequente Stromanteil des Zwischenkreisstromes durch den zweiten
Strompfad fließt.
Da nur der erste Strompfad einen höheren elektrischen Widerstand
aufweist, wird nur der durch diesen Strompfad fließende Stromanteil
gedämpft.
Der Stromanteil, der zur Energieübertragung
zwischen den beiden Spannungszwischenkreisen des Stromrichters mit
mehreren verteilten Spannungszwischenkreisen fließt, bleibt
davon unberührt,
da dieser durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Dämpfungselementes
nur im zweiten Strompfad fließt.
Durch die Verwendung von Schienenstücken 46 und 48 für einen
Strompfad des Dämpfungselementes
nach der Erfindung, kann dieses Dämpfungselement ohne großen Aufwand
in eine Verschienung des Spannungszwischenkreis-Umrichters mit mehreren
verteilten Spannungszwischenkreisen integriert werden, wobei die
elektrischen Anschlussstücke 54, 58 und 56, 60 jeweils
die elektrische Verbindung zwischen den Schienenstücken 46 und 48 und
korrespondierenden Stromschienen der Verschienung eines Spannungszwischenkreis-Umrichters
mit verteilten Spannungszwischenkreisen herstellen.
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Ein
Ersatzschaltbild eines Stromrichters mit zwei verteilten Spannungszwischenkreisen
und eines erfindungsgemäßen Dämpfungselementes
ist in der 6 näher dargestellt. In diesem
Ersatzschaltbild sind die beiden Strompfade des Dämpfungselementes
nach der Erfindung einzeln dargestellt. Der Strompfad 62 mit
dem kleineren Widerstand und der höheren Induktivität ist für Ströme mit niedrigen
Frequenzen passierbar, wogegen der Strompfad 64 mit dem
größeren Widerstand
und der niedrigeren Induktivität
nur für
Ströme
mit höheren
Frequenzen passierbar ist. Dadurch wird nur der Stromanteil mit
höheren
Frequenzen gedämpft.
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In
der 7 sind in einem Diagramm über der Frequenz f die Kondensatorströme iC2, iC4, iCH und iCS eines
Stromrichters mit einem erfindungsgemäßen Dämpfungselement veranschaulicht.
Die gedämpften
Stromverläufe
der Kondensatorströme
iC2, iC4, iCH und iCS sind gestrichelt
eingetragen. Gegenüber
einer Ausführungsform
eines Stromrichters mit zwei verteilten Spannungszwischenkreisen
und zwei Dämpfungsnetzwerken 34 und 36 wird
bei der Ausführungsform
dieses Stromrichters mit einem erfindungsgemäßen Dämpfungselement der Stromanteil mit
einer höheren
Frequenz wesentlich mehr gedämpft.
Dadurch werden die Kondensatoren 10, 12, 24 und 28 wesentlich
weniger thermisch zusätzlich belastet,
wodurch jeweils die Kapazitäten
der Kondensatoren 10, 12, 24 und 28 in
Bezug auf den Effektivstrom des Spannungszwischenkreises des Stromrichters
mit zwei verteilten Spannungszwischenkreisen nicht mehr überdimensioniert
werden müssen.