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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines Antriebssystems eines Schienenfahrzeugs, ein entsprechendes Antriebssystem sowie ein Schienenfahrzeug mit zumindest einem entsprechenden Antriebssystem.
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Antriebssysteme von Schienenfahrzeugen müssen vielfältige Anforderungen erfüllen. Neben einem zuverlässigen Betrieb über die typische Einsatzzeit eines Schienenfahrzeugs von bis zu über dreißig Jahren werden zunehmend höhere Anforderungen an eine hohe Energieeffizienz gestellt, um den Energieverbrauch des Schienenfahrzeugs reduzieren zu können.
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Neben technologischen Fortschritten auf dem Gebiet der Ansteuerung von Antriebsmotoren des Schienenfahrzeugs, beispielsweise durch Einsatz von Leistungshalbleiterschaltern auf Basis von Siliziumcarbid (SiC) in den die Antriebsmotoren speisenden Stromrichtern werden zunehmend Drehstrom-Synchronmaschinen, speziell permanentmagneterregte Drehstrom-Synchronmaschinen, als Antriebsmotoren eingesetzt. Diese erzielen gegenüber Drehstrom-Asynchronmaschinen, insbesondere aufgrund reduzierter Rotorverluste, in einem Teillast und Volllastbetrieb einen höheren Wirkungsgrad und können dadurch energieeffizienter betrieben werden.
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Nachteilig gegenüber einer Asynchronmaschine kann eine permanentmagneterregte Synchronmaschine aufgrund der in dem Rotor angeordneten Permanentmagnete jedoch nicht vollständig abgekoppelt werden, um beispielsweise während einer Rollphase des Schienenfahrzeugs verlustfrei geschaltet zu werden, wie es bei Asynchronmaschinen mittels einer Taktsperre des speisenden Stromrichters möglich ist. Eine Taktsperre, auch als Kommutierungssperre bezeichnet, bei welcher eine Steuerung der Leistungshalbleiterschalter des speisenden Stromrichters ausgesetzt wird, bewirkt dabei, dass sowohl im Antriebsmotor als auch im Stromrichter keine elektromagnetischen Verluste mehr auftreten.
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Vielmehr führt ein Mitlaufen des Radsatzes aufgrund der bei Schienenfahrzeugen üblichen kraftschlüssigen Verbindung der Radsatzwelle mit der Motorwelle und ein damit erzwungenes Mitdrehen des Rotors der permanentmagneterregten Synchronmaschine während einer Rollphase dazu, dass der rotierende Permanentmagnetfluss weiterhin Wirbelstrom- und Hysterese-Verluste hervorruft. Ferner treten aufgrund eines Stromflusses von dem Stromrichter zu dem Antriebsmotors auf den durch die Taktung der Leistungshalbleiterschalter des Stromrichters verursachten Harmonischen bzw. Oberschwingungen Eisenverluste, Ständerkupferverluste sowie Magnetverluste auf. Ferner muss bei Übersteigen einer bestimmten Spannung an den Motorklemmen, insbesondere in einer Rollphase ohne Antriebs- oder Bremsmoment bzw. in einem Leerlaufbetrieb ein feldschwächender Strom von dem Stromrichter in die Wicklung des jeweiligen Antriebsmotors gespeist werden, um ein ungesteuertes Rückspeisen über antiparallel zu den Leistungshalbleiterschaltern geschaltete Freilaufdioden in dem Stromrichter in den Gleichspannungszwischenkreis zu verhindern.
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Eine Rollphase stellt dabei eine von vier Bewegungsphasen dar, wie sie während des Betriebs eines Schienenfahrzeugs auf einer zu befahrenden Strecke zwischen beispielsweise zwei Haltestationen auftreten. Diese vier Bewegungsphasen sind in Beschleunigen, Beharren, Rollen bzw. Auslaufen, sowie Bremsen bzw. Verzögern unterteilt. Das Zusammenspiel dieser Phasen auf der Strecke wird auch als Fahrspiel bezeichnet. Die Beschleunigungsphase, welche typischerweise auf einen Halt des Schienenfahrzeugs an einer Haltestation folgt, dient einer Beschleunigung des Schienenfahrzeugs mittels einer hohen Zugkraft des Antriebssystems bis zu einer gewünschten Geschwindigkeit. Die Antriebsmotoren befinden sich in dieser Phase in einem Motorbetrieb. In einer typischerweise nachfolgenden Beharrungsphase wird die Zugkraft so weit reduziert, dass sie der Fahrwiderstandskraft entspricht, wodurch die erreichte Fahrgeschwindigkeit konstant gehalten wird. Die Antriebsmotoren befinden sich dann weiterhin in einem Motorbetrieb, können sich beispielsweise bei Befahren eines Streckenabschnitts mit Gefälle jedoch gegebenenfalls auch in einem Generatorbetrieb befinden. In Annäherung an eine Haltestation für den nächsten Halt wird die Zugkraft des Antriebssystems auf null reduziert, sodass das Schienenfahrzeug in eine Rollphase übergeht, in welcher sich die Fahrgeschwindigkeit aufgrund der dann größeren Fahrwiderstandskraft verringert. Die Antriebsmotoren befinden sich dann in einem Leerlaufbetrieb, in welchem sie weder Antriebs- noch Bremsmomente generieren. Vor Erreichen der Haltestation geht die Rollphase dann in eine Bremsphase über, in welcher zusätzliche Bremskräfte zur weiteren Reduzierung der Fahrgeschwindigkeit eingesetzt werden. Die zusätzliche Bremskraft wird dabei vorzugsweise durch einen Generatorbetrieb der Antriebsmotoren, auch als regeneratives Bremsen bezeichnet, sowie gegebenenfalls durch Einsatz von auf Radsatzwellen oder Räder wirkenden Reibungsbremsen erzeugt. Abhängig von der Topologie der zu befahrenden Strecke kann das Fahrspiel eines Schienenfahrzeugs auch keine Beharrungs- oder Rollphase aufweisen.
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Dies ist insbesondere bei Nahverkehrs-Schienenfahrzeugen wie U-Bahnen bzw. Metros der Fall, deren Fahrspiel aufgrund kurzer Distanzen zwischen Haltestationen hauptsächlich durch Beschleunigungs- und Rollphasen geprägt ist, wobei das Schienenfahrzeug im Anschluss an die Beschleunigungsphase beispielsweise nahezu unmittelbar in eine Rollphase übergeht und erst bei Erreichen der Haltestation in die Bremsphase übergeht. Während in der Beschleunigungsphase aufgrund der höheren Effizienz permanentmagneterregter Synchronmaschinen gegenüber Asynchronmaschinen vorteilhaft eine Reduzierung des Energieverbrauchs des Antriebssystems des Schienenfahrzeugs erzielt werden kann, wird diese Reduzierung in der nachfolgenden Rollphase aufgrund der genannten Verluste sowie des Erfordernisses des aktiven Betriebs des speisenden Stromrichters nachteilig zum Teil wieder kompensiert.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren, ein Antriebssystem sowie ein Schienenfahrzeug anzugeben, welche die Energieeffizienz eines Antriebssystems mit permanentmagneterregten Synchronmaschinen als Antriebsmotoren weiter erhöhen. Diese Aufgabe wird durch die jeweiligen Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
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Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern eines Antriebssystems eines Schienenfahrzeugs, wobei das Antriebssystem zumindest einen Gleichspannungszwischenkreis mit zumindest einem Zwischenkreiskondensator, an welchem im Betrieb des Antriebssystem eine Zwischenkreisspannung anliegt, einen mit dem Gleichspannungszwischenkreis verbundenen Stromrichter mit einer Mehrzahl Leistungshalbleiterschalter, einen mit dem Stromrichter verbundenen Antriebsmotor, welcher als eine permanentmagneterregte Drehstrom-Synchronmaschine ausgestaltet ist, und eine Steuereinrichtung zum Steuern der Leistungshalbleiterschalter des Stromrichters umfasst, wobei in einem Motorbetrieb und in einem Generatorbetrieb des Antriebsmotors die Leistungshalbleiterschalter von der Steuereinrichtung derart gesteuert werden, dass die Zwischenkreisspannung in eine mehrphasige Wechselspannung gewandelt wird. Kennzeichnend wird in einem momentenlosen Leerlaufbetrieb des Antriebsmotors die Steuerung der Leistungshalbleiterschalter abhängig von einer von dem Antriebsmotor in den Stromrichter induzierten Spannung ausgesetzt.
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Nach der Erfindung wird somit, entsprechend einer bereits bei Asynchronmaschinen als Antriebsmotoren umgesetzten Taktsperre, der Betrieb des Stromrichters in einer bestimmten Betriebsphase während eines Leerlaufbetriebs eines als permanentmagneterregte Synchronmaschine ausgestalteten Antriebsmotors ausgesetzt. Hierdurch kann einerseits für den Betrieb des Stromrichters erforderliche elektrische Energie eingespart werden, andererseits können bei einer aktiven Steuerung aufgrund eines Stromflusses von dem Stromrichter zu dem Antriebsmotors auf Harmonischen bzw. Oberschwingungen auftretende Eisenverluste, Ständerkupferverluste sowie Magnetverluste in dem Antriebsmotor vermieden werden, wodurch der Energieverbrauch des Antriebssystems und damit dessen Effizienz vorteilhaft erhöht wird.
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Eine Taktsperre ist für permanentmagneterregte Synchronmaschinen als Antriebsmotoren eines Antriebssystems eines Schienenfahrzeugs bislang nicht umgesetzt worden mit der Begründung, dass bei hohen Drehzahlen des Rotors bzw. hohen Geschwindigkeiten des Schienenfahrzeugs die im Leerlaufbetrieb induzierte und über Freilaufdioden des Stromrichters gleichgerichtete Spannung an den Motorklemmen die Zwischenkreisspannung übersteigen kann. Einer solchen höheren induzierten Spannung wurde entsprechend einem Generatorbetrieb mittels eines von dem Stromrichter durch geeignetes Steuern der Leistungshalbleiter generierten feldschwächenden Stroms, auch als d-Strom bezeichnet, begegnet. Der feldschwächende Strom wird als negativer Strom in die mehrphasige Statorwicklung eingeprägt, wodurch eine Gegenspannung induziert wird, welche eine Angleichung der resultierenden induzierten Spannung an den Motorklemmen an die Zwischenkreisspannung bzw. an eine Spannung der Grundfrequenz des Stromrichters bewirkt. Ein fehlender feldschwächender Strom würde bei einer die Zwischenkreisspannung übersteigenden induzierten Spannung zu einer Ableitung des von der permanentmagneterregten Synchronmaschine generierten Stroms über Freilaufdioden in den Gleichspannungszwischenkreis führen, wodurch nachteilig Verluste sowie ungewollte Bremsmomente in dem Antriebssystem generiert werden können. Zudem könnte ein durch die induzierte Spannung erzwungener Anstieg der Zwischenkreisspannung aufgrund des in den Gleichspannungszwischenkreis fließenden Stroms nachteilig zu einer möglichen Beschädigung von mit dem Gleichspannungszwischenkreis verbundenen Halbleiterelementen führen.
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Ein feldschwächender Strom wird ebenso in einer bestimmten Betriebsphase des Motorbetriebs und Generatorbetriebs des Antriebsmotors durch geeignete Steuerung der Leistungshalbleiterschalter des Stromrichters generiert, wobei er in diesem Fall dazu dient, im Feldschwächbereich die Drehzahl über die Nenndrehzahl der permanentmagneterregten Synchronmaschine hinaus bei konstanter Leistung jedoch abfallendem Drehmoment erhöhen zu können, wobei bei Nenndrehzahl eine maximale Spannung anliegt und wobei die Synchronmaschine bis zu der Nenndrehzahl ein maximales Drehmoment generiert.
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Um einen feldschwächenden Strom auch während des Leerlaufbetriebs des Antriebsmotors generieren zu können, werden die Leistungshalbleiterschalter des Stromrichters bislang durchgängig, d.h. auch während des gesamten Leerlaufbetriebs des Antriebsmotors, von der Steuereinrichtung gesteuert. Nach der Erfindung wurde jedoch erkannt, dass in bestimmten Betriebsphasen während des Leerlaufbetriebs ein Aussetzen der Steuerung der Leistungshalbleiterschalter ohne die Gefahr einer erzwungenen Erhöhung der Zwischenkreisspannung mit den vorstehend beschriebenen nachteiligen Folgen möglich ist. Die Möglichkeit des Aussetzens der Steuerung besteht dabei speziell während einer Rollphase des Schienenfahrzeugs, in welcher, wie einleitend beschrieben, die Zugkraft des Antriebssystems von dem Fahrzeugführer bzw. von der Antriebssteuerung auf null reduziert wird, sodass sich die Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs aufgrund der dann größeren Fahrwiderstandskraft sukzessive verringert. Sofern in einer solchen Rollphase die Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs einer induzierten Spannung des Antriebsmotors entspricht, welche niedriger als die Zwischenkreisspannung ist, kann die Steuerung der Leistungshalbleiterschalter des Stromrichters ausgesetzt werden, insbesondere da die Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs und entsprechend die induzierte Spannung nachfolgend nicht wieder ansteigen wird. Maßgeblich für die Entscheidung darüber, ob die Steuerung der Leistungshalbleiterschalter ausgesetzt werden kann, ist dabei eine Kenntnis der von dem Antriebsmotor während des Leerlaufbetriebs in den Stromrichter induzierten Spannung.
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Gemäß einer Weiterbildung des Verfahrens wird die von dem Antriebsmotor in den Stromrichter induzierte Spannung anhand zumindest einer Betriebsgröße des Antriebsmotors bestimmt, wobei die Betriebsgröße eine Drehzahl und/oder einen in den Stromrichter gespeisten Strom umfasst oder für diese bzw. diesen repräsentativ ist.
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Für die Bestimmung der von dem Antriebsmotor induzierten Spannung kann vorteilhaft auf bereits für die Bestimmung des erforderlichen feldschwächenden Stroms berücksichtigte Betriebsgrößen des Antriebsmotors zurückgegriffen werden. So besteht ein bekanntes Verhältnis zwischen der Drehzahl, welche beispielsweise mittels eines Drehzahlgebers an der Motorwelle erfasst wird oder auch aus einer erfassten Drehzahl der von dem Antriebsmotor angetriebenen Radsatzwelle abgeleitet werden kann, und der induzierten Spannung des Antriebsmotors, sodass in der Steuereinrichtung aus der erfassten bzw. abgeleiteten Drehzahl eine aktuell induzierte Spannung bestimmt werden kann. Entsprechend können alternativ oder ergänzend Ströme in Phasen der Statorwicklung bzw. in Motorkabeln, welche die Statorwicklung mit dem Stromrichter verbinden, erfasst werden, aus denen wiederum die induzierte Spannung durch die Steuereinrichtung bestimmt werden kann. Bei einer dreiphasigen Statorwicklung genügt hierfür beispielsweise bereits eine Erfassung des jeweiligen Stroms in einer Phase oder in zwei Phasen.
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Gemäß einer weiteren Weiterbildung des Verfahrens wird die von dem Antriebsmotor in den Stromrichter induzierte Spannung von der Steuereinrichtung mit einem Schwellenwert verglichen, wobei der Schwellenwert abhängig von der Zwischenkreisspannung definiert ist.
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Vorzugsweise wird der Schwellenwert als ein Spannungswert definiert, welcher niedriger als die Zwischenkreisspannung ist. Von der Steuereinrichtung wird die bestimmte induzierte Spannung des Antriebsmotors mit einem derart definierten Schwellenwert verglichen und bei einem Unterschreiten des Schwellenwerts die Steuerung der Leistungshalbleiterschalter des Stromrichters ausgesetzt bzw. eine Taktsperre des Stromrichters umgesetzt. Dabei kann beispielsweise ein Vergleich eines gleitenden Mittelwerts der bestimmten induzierten Spannung mit dem Schwellenwert erfolgen, wodurch die Sicherheit, dass die induzierte Spannung tatsächlich niedriger als die Zwischenkreisspannung ist, erhöht wird. Alternativ oder ergänzend kann der Schwellenwert auch eine bestimmte negative Spannungsdifferenz, prozentual oder absolut, zu der Zwischenkreisspannung aufweisen.
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Sofern das Antriebssystem des Schienenfahrzeugs von einem Bahnversorgungsnetz, insbesondere einem Gleichstrom-Bahnversorgungsnetz, mit elektrischer Energie versorgt wird, beispielsweise mittels einer Oberleitung oder einer dritten Schiene, führen in dem Bahnversorgungsnetz auftretende Schwankungen des Spannungsniveaus zu entsprechenden Schwankungen der Zwischenkreisspannung. Vorzugsweise wird für die Definition des Schwellenwerts eine aktuelle Zwischenkreisspannung zugrunde gelegt, alternativ kann der Schwellenwert jedoch auch derart definiert werden, dass eine bei solchen Schwankungen auftretende höchste Zwischenkreisspannung für die Definition des Schwellenwerts berücksichtigt wird.
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Gemäß einer weiteren Weiterbildung des Verfahrens wird die Steuerung der Leistungshalbleiterschalter des Stromrichters von der Steuereinrichtung ergänzend abhängig von einer Bewegungsphase des Schienenfahrzeugs ausgesetzt.
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Eine ergänzende Berücksichtigung der Bewegungsphasen, wie sie einleitend erläutern wurden, besitzt den Vorteil, dass die Steuerung der Leistungshalbleiter beispielsweise ausschließlich während einer Rollphase des Schienenfahrzeugs ausgesetzt werden kann, d.h. nur wenn weder eine Zugkraft noch eine Bremskraft von dem Fahrzeugführer bzw. der Antriebssteuerung angefordert wird. Eine Taktsperre des Stromrichters soll hingegen nicht während beispielsweise einer Bremsphase umgesetzt werden können, bei welcher sich der Antriebsmotor in einem Generatorbetrieb befindet, dessen generierte Energie einer regenerativen Bremsung des Schienenfahrzeugs dienen soll. Bei einem Übergang von einer Rollphase, in welcher die Steuerung der Leistungshalbleiterschalter ausgesetzt ist, in eine Bremsphase, beispielsweise aufgrund einer Bremsanforderung durch den Fahrzeugführer oder der Antriebssteuerung, wird die Taktsperre des Stromrichters wieder aufgehoben.
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Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Antriebssystem eines Schienenfahrzeugs, wobei das Antriebssystem zumindest einen Gleichspannungszwischenkreis mit zumindest einem Zwischenkreiskondensator, an welchem im Betrieb des Antriebssystem eine Zwischenkreisspannung anliegt, einen mit dem Gleichspannungszwischenkreis verbundenen Stromrichter mit einer Mehrzahl Leistungshalbleiterschalter, einen mit dem Stromrichter verbundenen Antriebsmotor, welcher als eine permanentmagneterregte Drehstrom-Synchronmaschine ausgestaltet ist, und eine Steuereinrichtung zum Steuern der Leistungshalbleiterschalter des Stromrichters umfasst, wobei in einem Motorbetrieb und in einem Generatorbetrieb des Antriebsmotors die Leistungshalbleiterschalter von der Steuereinrichtung derart gesteuert werden, dass die Zwischenkreisspannung in eine mehrphasige Wechselspannung gewandelt wird. Kennzeichnend ist die Steuereinrichtung ausgestaltet, in einem momentenlosen Leerlaufbetrieb des Antriebsmotors die Steuerung der Leistungshalbleiterschalter abhängig von einer von dem Antriebsmotor in den Stromrichter induzierten Spannung auszusetzen.
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Der zumindest eine Zwischenkreiskondensator des Gleichspannungszwischenkreises kann als ein einziger Kondensator, alternativ jedoch ebenso als mehrere, insbesondere verteilt angeordnete und einem jeweiligen Leistungshalbleiterschalter des Stromrichters zugeordnete Kondensatoren, ausgestaltet sein. Der die zumindest eine Statorwicklung des Antriebsmotors speisende Stromrichter ist vorzugsweise als ein Pulswechselrichter ausgestaltet, welcher eine von dem Gleichspannungszwischenkreis bereitgestellte Gleichspannung in eine mehrphasige, insbesondere dreiphasige, Wechselspannung variabler Spannungshöhe und Frequenz wandelt.
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Gemäß einer Weiterbildung des Antriebssystems ist der Antriebsmotor ausgestaltet, mittels zumindest einer innermotorischen Maßnahme eine in dem Leerlaufbetrieb induzierte Spannung zu verringern.
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Derartige innermotorischen Maßnahmen, welche aufgrund einer niedrigeren induzierten Spannung vorteilhaft ein früheres Aussetzen der Steuerung der Leistungshalbleiter ermöglichen, sind beispielsweise eine Verringerung einer Windungszahl der Spulen und/oder eine Parallelschaltung von Windungen oder Spulengruppen der Statorwicklung. Alternativ oder ergänzend kann zudem eine Verringerung der Permanentmagnetfelder im Rotor des Antriebsmotors angestrebt werden. Dieses kann insbesondere mittels einer, in radialer Richtung des Rotorblechpakets betrachtet, tieferen, insbesondere V-förmigen Anordnung der Permanentmagnete verwirklicht werden, wodurch der Anteil der Reluktanz des Rotorblechpakets an der Drehmomentgenerierung erhöht wird.
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Gemäß einer weiteren Weiterbildung des Antriebssystems sind die Leistungshalbleiterschalter auf Basis eines Halbleitermaterials mit einem gegenüber Silizium größeren Bandabstand, insbesondere auf Basis von Siliziumcarbid, Galliumnitrid oder Diamant, verwirklicht.
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Leistungshalbleiterschalter auf Basis von Siliziumcarbid (SiC), Galliumnitrid (GaN) oder Diamant ermöglichen insbesondere eine höhere Taktfrequenz des Stromrichters. Mittels höherer Taktfrequenzen können Strom- und Spannungs-Oberschwingungen reduziert werden, welche aufgrund der insbesondere vorstehend genannten Maßnahmen auftreten können. Speziell führt eine Verringerung der Windungszahl der Statorwicklung zu einer niedrigeren Induktivität und dadurch zu erhöhten Verlusten sowie Geräuschen des Antriebsmotors. Eine höhere Taktfrequenz ist dabei sowohl bei der Generierung eines synchronen Pulsmusters in einem niedrigen Drehzahl- bzw. Geschwindigkeitsbereich als auch bei der Generierung eines synchronen Pulsmusters in einem höheren Drehzahl- bzw. Geschwindigkeitsbereich des Schienenfahrzeugs.
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Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Schienenfahrzeug, welches zumindest ein erfindungsgemäßes Antriebssystem umfasst.
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Ein solches Schienenfahrzeug ist insbesondere als ein Triebzug für einen Nah-, Regional- oder Fernverkehr ausgestaltet, jedoch kann dieses in gleicher Weise als eine Lokomotive ausgestaltet sein.
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Ein vierter Aspekt der Erfindung betrifft schließlich eine Verwendung eines erfindungsgemäßen Antriebssystems in einem Schienenfahrzeug.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Dabei zeigen:
- 1 ein Schienenfahrzeug mit einem Antriebssystem für einen Betrieb an einem Wechselstrom-Bahnversorgungsnetz,
- 2 ein Schienenfahrzeug mit einem Antriebssystem für einen Betrieb an einem Gleichstrom-Bahnversorgungsnetz,
- 3 ein Antriebssystem für einen Betrieb an einem Wechselstrom-Bahnversorgungsnetz,
- 4 ein Antriebssystem für einen Betrieb an einem Gleichstrom-Bahnversorgungsnetz, und
- 5 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens.
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Aus Gründen der Übersichtlichkeit werden in den Figuren für gleiche bzw. gleich oder nahezu gleich wirkende Komponenten dieselben Bezugszeichen verwendet.
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1 zeigt schematisch ein Schienenfahrzeug TZ in einer Seitenansicht. Das Schienenfahrzeug TZ ist beispielhaftes als ein Triebzug für den Personentransport mit einer Mehrzahl Wagen ausgestaltet, wobei lediglich ein Endwagen EW sowie ein mit diesem gekoppelter Mittelwagen MW dargestellt sind. Beide Wagen verfügen über einen jeweiligen Wagenkasten WK, welcher sich über Drehgestelle in Form eines Triebdrehgestells TDG mit darin angeordneten Antriebsmotoren AM bzw. Laufdrehgestellen LDG ohne Traktionsmotoren auf nicht dargestellten Schienen eines Gleises abstützt. Das Schienenfahrzeug TZ bewegt sich auf den Schienen in den durch diese vorgegebenen Fahrtrichtungen FR.
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In dem Endwagen EW sind schematisch Komponenten eines Antriebssystems AS eines an einem Wechselstrom-Bahnversorgungsnetz betriebenen Schienenfahrzeugs angegeben. Diese sind üblicherweise in speziellen Bereichen innerhalb des Wagenkastens, im Unterflurbereich, im Dachbereich oder auch verteilt über mehrere Wagen des Schienenfahrzeugs TZ angeordnet. Weitere Komponenten der Traktionseinrichtung, beispielsweise eine Traktionsbatterie, sowie für den Betrieb der Komponenten erforderliche Hilfsbetriebe sind ergänzend vorgesehen, in der 1 jedoch nicht speziell dargestellt.
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Über einen beispielhaft im Dachbereich des Endwagens EW angeordneten Stromabnehmer PAN ist die Traktionseinrichtung AS mit einer nicht dargestellten Oberleitung des Wechselstrom-Bahnversorgungsnetzes elektrisch verbindbar, wobei die Oberleitung beispielsweise einen Einphasenwechselstrom führt. Der Wechselstrom wird einer netzseitigen Primärwicklung eines Antriebstransformators ATR zugeführt, in welchem das netzseitige Spannungsniveau von beispielsweise 15kV oder 25kV auf ein niedrigeres Spannungsniveau heruntertransformiert wird. Eine Sekundärwicklung des Antriebstransformators ATR ist mit einem netzseitigen Stromrichter 4QS, beispielsweise einem Vierquadrantensteller, verbunden, welcher den Wechselstrom gleichrichtet.
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Der netzseitige Stromrichter 4QS speist einen Gleichspannungszwischenkreis ZK, welcher wiederum einen lastseitigen Stromrichter PWR, beispielsweise einen Pulswechselrichter, speist. In dem Gleichspannungszwischenkreis sind ein oder mehrere Zwischenkreiskondensatoren angeordnet, welche als elektrische Energiespeicher insbesondere einer Glättung der Gleichspannung dienen. Ein ergänzender Saugkreis ist nicht speziell dargestellt. Der lastseitige Stromrichter PWR generiert aus der Gleichspannung beispielhaft eine Dreiphasenwechselspannung variabler Frequenz und Amplitude, mit welcher die Statorwicklungen von zwei in dem Triebdrehgestell TDG des Endwagens EW angeordneten Antriebsmotoren TM gespeist werden. Gesteuert wird die Funktion insbesondere des netzseitigen 4QS und des lastseitigen Stromrichters PWR in bekannter Weise von einer Steuereinrichtung ST des Antriebssystems AS.
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2 zeigt schematisch das Schienenfahrzeug TZ der 1 mit einem alternativen Antriebssystem AS. In diesem Beispiel ist der Stromabnehmer PAN mit einer wiederum nicht dargestellten Oberleitung eines Gleichstrom-Bahnversorgungsnetzes verbindbar. Insbesondere im Nahverkehrsbereich wird häufig anstelle einer Oberleitung eine Stromschiene parallel zu dem Gleis geführt, mit der das Antriebssystem AS über einen oder mehrere Seitenstromabnehmer, die beispielsweise im Bereich der Wagenkastenenden oder der Drehgestelle angeordnet sind, verbindbar ist. Der Gleichstrom des Bahnversorgungsnetzes wird über ein Eingangsfilter bzw. Netzfilter NF dem Gleichspannungszwischenkreis ZK des Antriebssystems AS zugeführt, wobei das Netzfilter NF beispielsweise eine Filterinduktivität in Form einer Drossel sowie und einen Kondensator umfasst, wobei der Kondensator ebenso die Funktion eines Zwischenkreiskondensators des Antriebssystems AS erfüllen kann.
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3 zeigt schematisch das Antriebssystem AS des Schienenfahrzeugs TZ der 1, wobei nicht alle Komponenten des Antriebssystems AS dargestellt sind. So ist beispielsweise nur eine Sekundärwicklung des von einem Wechselstrom-Bahnversorgungsnetz gespeisten Antriebstransformators ATR sowie nur ein Antriebsmotor AM angegeben.
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In dem Antriebssystem AS ist die Sekundärwicklung des Antriebstransformators ATR mit dem netzseitigen Stromrichter 4QS verbunden. Der netzseitige Stromrichter 4QS ist als ein Vierquadrantensteller ausgestaltet, welcher die eingangsseitig von dem Antriebstransformator ATR bereitgestellte Wechselspannung in eine Gleichspannung wandelt und ausgangsseitig bereitstellt. Die Wandlung erfolgt dabei mittels Leistungshalbleiterschaltern bzw. Leistungstransistoren, welche beispielsweise auf Basis von Halbleitern mit einem größeren Bandabstand als Silizium, insbesondere Siliziumcarbid (SiC), Galliumnitrid (GaN) oder Diamant, verwirklicht sind. Jeweils zwei Leistungstransistoren sind in einem Schaltzweig elektrisch in Reihe geschaltet, deren Anschlusspunkt mit einem jeweiligen Eingang des netzseitigen Stromrichters 4QS verbunden sind, wobei für jeden Ausgang ein paralleler Schaltzweig oder ein ganzzahliges Vielfaches paralleler Schaltzweige vorgesehen ist bzw. sind.
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Eine Rückspeisung elektrischer Energie, welche bei einem Generatorbetrieb der Antriebsmotoren AM generiert wird, in den Gleichspannungszwischenkreis sowie gegebenenfalls weiter in das Bahnversorgungsnetz ist über antiparallel zu dem jeweiligen Leistungstransistoren geschaltete zusätzliche Leistungsdioden möglich. Bei einer beispielsweise dreiphasigen Statorwicklung des Antriebsmotors bewirken die Freilaufdioden eine Gleichrichtung der Phasenströme entsprechend einer ungesteuerten Drehstrombrücke, auch als B6U bezeichnet. Der gleichgerichtete Strom fließ in den Zwischenkreiskondensator, dessen Laden und Entladen über eine vollständige Periode betrachtet keine Wirkleistung hervorruft, sodass der Strom nicht über beispielsweise einen mit dem Gleichspannungszwischenkreis verbundenen Bremssteller abgeführt werden muss. Alternativ können die Leistungshalbleiterelemente, insbesondere MOSFET (MetallOxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor) auf Basis von Siliziumcarbid (SiC), eine interne so genannte Bodydiode aufweisen, sodass keine zusätzliche antiparallel geschaltete Leistungsdiode erforderlich ist. Leistungshalbleiterelemente sind üblicherweise in Modulen angeordnet, welche an einem Kühlkörper aus beispielsweise einem Aluminiummaterial befestigt sind, um während des Betriebs des Stromrichters entstehende Verlustwärme abführen zu können.
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Über die Ausgänge speist der netzseitige Stromrichter 4QS einen Gleichspannungszwischenkreis ZK, in dem ein Zwischenkreiskondensator CZK angeordnet ist, wobei alternativ auch mehrere Zwischenkreiskondensatoren CZK elektrisch parallel geschaltet werden können, um eine gewünschte Kapazität bereitzustellen. An dem Zwischenkreiskondensator CZK liegt eine Zwischenkreisspannung UZK an. Mittels einer geeigneten Steuerung der Leistungshalbleiterschalter in dem netzseitigen Stromrichter 4QS durch die Steuereinrichtung ST wird dabei angestrebt, den Spannungswert der Zwischenkreisspannung UZK weitgehend unabhängig von einem schwankenden Spannungswert des Bahnversorgungsnetzes konstant zu halten, wobei üblicherweise mittels eines nicht speziell dargestellten Saugkreises in dem Gleichspannungszwischenkreis ZK, bestehend aus einer Induktivität und einer Kapazität, eine grundfrequente Leistungspulsation des Versorgungsnetzes absorbiert wird.
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Der lastseitige Stromrichter PWR ist mit dem Gleichspannungszwischenkreis ZK verbunden und als ein Pulswechselrichter ausgestaltet, welcher die eingangsseitige anliegende Gleichspannung in eine Wechselspannung variabler Spannungshöhe und Frequenz wandelt und ausgangsseitig bereitstellt. Die Wandlung erfolgt wiederum mittels Leistungshalbleiterschaltern bzw. Leistungstransistoren, welche vorzugsweise auf Basis von Halbleitern mit größerem Bandabstand als Silizium, insbesondere Siliziumcarbid (SiC), Galliumnitrid (GaN) oder Diamant, verwirklicht sind. Im Unterschied zum netzseitigen Stromrichter 4QS weist der lastseitige Stromrichter PWR für die beispielhaft drei Phasen der Statorwicklung des Antriebsmotors AM drei bzw. ein ganzzahliges Vielfaches von drei parallelen Schaltzweigen mit jeweils zwei in Reihe geschalteten Leistungstransistoren auf. Eine Rückspeisefähigkeit von bei einem Generatorbetrieb von dem Antriebsmotor AM generierter elektrischer Energie ist bei einem Pulswechselrichter mit einem Vierquadrantenbetrieb wiederum inhärent möglich.
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Der von dem lastseitigen Stromrichter PWR gespeiste Antriebsmotor AM ist als eine permanentmagneterregte Drehstrom-Synchronmaschine ausgestaltet, wobei die Statorwicklung SW beispielsweise hinsichtlich einer geringen Windungszahl in dem Stator und das Rotorblechpaket hinsichtlich eines höheren Reluktanzanteils gegenüber den in diesem angeordneten Permanentmagneten optimiert ist.
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Die Steuereinrichtung ST steuert die sechs Leistungshalbleiterschalter in dem lastseitigen Stromrichter PWR, was durch sechs senkrechte gestrichelte Pfeile ausgehend von der Steuereinrichtung ST dargestellt ist. In gleicher Weise steuert die Steuereinrichtung ST auch, wie vorstehend beschrieben, die Leistungshalbleiterschalter des netzseitigen Stromrichter 4QS, was jedoch in der 3 nicht speziell dargestellt ist. Der Steuereinrichtung ST werden beispielhaft verschiedene Signale bzw. Informationen zugeführt, anhand derer sie eine Entscheidung über ein Aussetzen der Steuerung der Leistungshalbleiterschalter des lastseitigen Stromrichters PWR trifft.
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Die der Steuereinrichtung ST zugeführten Signale oder Informationen umfassen bzw. repräsentieren insbesondere eine Zwischenkreisspannung UZK, welche beispielsweise mittels eines in dem Gleichspannungszwischenkreis ZK parallel zu dem Zwischenkreiskondensator ZK angeordneten Spannungsmessers V bestimmt wird, eine Bewegungsphase BP, welche beispielsweise aus einer Zug- bzw. Bremskraftanforderung seitens des Fahrzeugführers oder eine Fahrzeugsteuerung abgeleitet werden kann, eine Drehzahl D des Antriebsmotors AM, welche beispielsweise mittels eines Drehzahlgeber an der Motorwelle des Antriebsmotors AM bestimmt wird, sowie Ströme in den Phasen der Statorwicklung SW des Antriebsmotors AM, welche beispielsweise mittels in oder an Motorkabeln angeordneter Strommesser A bestimmt werden.
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4 zeigt schematisch das Antriebssystem AS des Schienenfahrzeugs TZ der 2, wobei wiederum nicht alle Komponenten des Antriebssystems AS dargestellt sind. Das Antriebssystem AS ist ausgestaltet, mit einem Gleichstrom-Bahnversorgungsnetz über einen Stromabnehmer verbunden zu werden, wobei der Gleichstrom beispielhaft über ein Eingangsfilter bzw. Netzfilter NF bestehend aus einer Filterinduktivität FL in Form einer Drossel sowie dem Zwischenkreiskondensator CZK dem lastseitigen Stromrichter PWR zugeführt wird. Die Filterinduktivität FL bildet zusammen mit dem Zwischenkreiskondensator CZK einen Serienschwingkreis, welcher auf die Frequenzen der zu filternden Störströme abgestimmt ist. Der lastseitige Stromrichter PWR ist wiederum als ein Pulswechselrichter ausgestaltet, welcher die eingangsseitig anliegende Gleichspannung des Gleichspannungszwischenkreises ZK in eine Dreiphasen-Wechselspannung variabler Spannungshöhe und Frequenz wandelt, mit welcher die drei Phasen der Statorwicklung SW des Antriebsmotors AM gespeist werden.
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Entsprechend der 3 steuert die Steuereinrichtung ST die sechs Leistungshalbleiterschalter in dem Stromrichter PWR. Abhängig von ihr zugeführten Signalen bzw. Informationen bezüglich einer Betriebsphase des Antriebssystems AS, einer Drehzahl der Motorwelle, eines Stromflusses in einer Phase der Statorwicklung SW sowie gegebenenfalls einer Zwischenkreisspannung UZK trifft die Steuereinrichtung ST wiederum eine Entscheidung über ein Aussetzen der Steuerung der Leistungshalbleiterschalter des Stromrichters PWR.
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5 zeigt schließlich ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens, welches in der Steuereinrichtung ST für die Entscheidung über ein Aussetzen der Steuerung der Leistungshalbleiterschalter des lastseitigen Stromrichters PWR durchgeführt wird. In einem ersten Schritt S1 wird die Bewegungsphase BP, in welcher sich das Schienenfahrzeug gerade befindet, bestimmt. Diese kann insbesondere aus Zugkraft- oder Bremskraft-Anforderungen abgeleitet werden. In einem zweiten Schritt S2 wird geprüft, ob die bestimmte Bewegungsphase eine Rollphase ist. Sofern dies nicht der Fall ist (Zweig nein), sondern die Bewegungsphase beispielsweise eine Beschleunigungs-, Beharrungs- oder Bremsphase ist, kehrt das Verfahren zum ersten Schritt S1 zurück. Sofern die bestimmte Bewegungsphase eine Rollphase ist (Zweig ja), wird in einem nachfolgenden dritten Schritt S3 eine von dem Antriebsmotor in den lastseitigen Stromrichter induzierte Spannung aus der Steuereinrichtung zugeführten Signalen bzw. Informationen entsprechend vorstehender Beschreibung bestimmt. In einem vierten Schritt S4 wird die bestimmte induzierte Spannung mit einem Spannungs-Schwellenwert verglichen, wobei der Schwellenwert beispielsweise abhängig von der Zwischenkreisspannung und insbesondere abhängig von einem Wert einer aufgrund von Schwankungen der Versorgungsspannung höchsten möglichen Zwischenkreisspannung definiert ist. Sofern die bestimmte induzierte Spannung den Schwellenwert übersteigt oder diesem entspricht (Zweig nein), kehrt das Verfahren zu dem dritten Schritt S3 bzw. in einer alternativen Ausgestaltung des Verfahrens zu dem ersten Schritt S1 zurück. Sofern die bestimmte induzierte Spannung hingegen den Schwellenwert unterschreitet, die induzierte Spannung somit niedriger als die Zwischenkreisspannung ist (Zweig ja), setzt die Steuereinrichtung die Steuerung der Leistungshalbleiterschalter des netzseitigen Stromrichters, entsprechend einer Taktsperre, aus.