DE19908495B4

DE19908495B4 - Von einem AC-Fahrdraht versorgte, tranformatorlose Einspeiseschaltung für eine Wechselstrommaschine eines Bahnfahrzeuges

Info

Publication number: DE19908495B4
Application number: DE1999108495
Authority: DE
Inventors: Mark Dr.-Ing. Bakran; Johannes Dr.-Ing. Teigelkötter
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1999-02-26
Filing date: 1999-02-26
Publication date: 2005-05-12
Anticipated expiration: 2019-02-27
Also published as: WO2000051839A1; EP1154910A1; DE19908495A1

Abstract

Von einem AC-Fahrdraht versorgte, transformatorlose Einspeiseschaltung für eine Wechselstrommaschine eines Bahnfahrzeuges, bei der netzseitig mehrere Stromrichter (1, 2, 3) angeordnet sind, die jeweils einen netzseitigen Vierquadrantensteller (11, 21, 31), einen dazu parallel geschalteten Zwischenkreiskondensator (12, 22, 32) und einen motorseitigen Vierquadrantensteller (13, 23, 33) aufweisen, wobei die netzseitigen Vierquadrantensteller (11, 21, 31) elektrisch in Reihe schaltbar sind, und wobei jeweils direkt an den Ausgangsanschlüssen (P1, P2) eines motorseitigen Vierquadrantenstellers (13, 23, 33) eine Motorwicklung (16, 26, 36) der Wechselstrommaschine angeschlossen ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine von einem AC-Fahrdraht versorgte, transformatorlose Einspeiseschaltung für eine Wechselstrommaschine eines Bahnfahrzeuges.

Aus der Veröffentlichung "Auslegung und elektrischer Leistungsteil der Lokomotive Baureihe 101 der Deutschen Bahn", von Ludwig Still und Walter Hammer, abgedruckt in der Zeitschrift "eb-Elektrische Bahnen", Band 94 (1996), Heft 8/9, Seiten 235 bis 247 ist eine transformatorbehaftete Einspeiseschaltung für ein Bahnfahrzeug bekannt, bei denen die Energie vom Fahrdraht einphasig mit 15 kV, 16 2/3 Hz bzw. 25 kV, 50 Hz entnommen und über den Weg-Stromabnehmer und Hauptschalter dem Haupttransformator zugeführt wird. Zur Gewährleistung eines autarken Betriebes jedes Drehgestelles des Bahnfahrzeuges besitzt der Haupttransformator niederspannungsseitig vier weitgehend entkoppelte Traktionswicklungen. Die sich daran anschließenden Vierquadrantensteller als Netzsteller sorgen dafür, daß fast ausschließlich Wirkleistung aus dem Netz entnommen und auch elektrische Bremsenergie als reine Wirkleistung in das Netz zurückgespeist werden kann. Kondensatoren sorgen für eine ausreichende Glättung der Zwischenkreis-Gleichspannung.

Aus der Veröffentlichung "Lokomotiven Baureihe Re465 der BLS Lötschbergbahn" von Peter Gerber, abgedruckt in der Zeitschrift "eb-Elektrische Bahnen", Band 93 (1995), Heft 12, Seiten 386 bis 396, ist ebenfalls eine transformatorbehaftete Einspeiseschaltung für ein Bahnfahrzeug bekannt. Diese transformatorbehaftete Einspeiseschaltung weist einen Transformator auf, der auf seiner Sekundärseite sechs Traktionswicklungen aufweist. Jeweils drei davon sind für einen Stromrichter bzw. ein Drehgestell vorgesehen. Außerdem weist dieser Transformator auf der Sekundärseite eine Wicklung für einen Bordnetzumrichter, für die Hilfsbetriebe und für die Zugsammelschiene auf.

Jeder Stromrichter besteht aus Netzstromrichter, Gleichspannungszwischenkreis mit Saugkreis und Antriebsstromrichter. Diese dargestellte Stromrichteranlage ist als einpulsige Zweipunktschaltung ausgelegt. Einpulsig heißt eine Schaltung dann, wenn ihr Antriebsstromrichter pro Motorphase nur einen Zweigpaar-Ventilsatz als elektronischen Schalter aufweist. Jeweils ein Ausgang der einpulsigen Zweipunktschaltung des Antriebsstromrichters ist mit einer Anschlussklemme einer Motorwicklung der Fahrmotoren eines Drehgestells verbunden. Da pro Drehgestell zwei Drehstrommotoren verwendet werden, weist der Antriebsstromrichter sechs einpulsige Zeipunktschaltungen auf. Auch der Netzstromrichter pro Drehgestell ist ebenfalls als einpulsige Schaltung ausgeführt, so dass auch dieser sechs einpulsige Zweipunktschaltungen aufweist. Durch die Verwendung von einpulsigen Zweipunktschaltungen beim Netzstromrichter und Antriebsstromrichter weist die Stromrichteranlage dieser Lokomotive baugleiche Ventilsätze auf.

Ein Problem der transformatorbehafteten Einspeisung besteht dabei darin, daß neben Gewichts- und Volumenbeschränkungen hohe Transformatorkosten anfallen und daß der Transformator zudem eine große Kühlanlage mit Wärmetauschern zur Umgebungsluft erfordert.

Aus der EP 0 670 236 A1 geht eine Energieversorgungseinrichtung für Reisezugwagen hervor, die eingangsseitig mehrere elektrisch in Reihe geschaltete Vierquadrantensteller aufweist, denen jeweils ausgangsseitig eine Zwischenkreis-Kondensatorbatterie nachgeschaltet ist. Jede Zwischenkreis-Kondensatorbatterie versorgt einen Wechselrichter, der ausgangsseitig mit einer Primärwicklung eines Mittelfrequenz-Transformators verbunden ist. Jede Sekundärwicklung dieses Mittel frequenz-Transformators ist mit einem Gleichrichter verbunden. An den Ausgängen der parallel geschalteten Gleichrichter liegt die Zwischenkreis-Gleichspannung für die Verbraucher an. Bei dieser Einspeiseschaltung wird die hohe Eingangsspannung mittels der in Reihe geschalteten Vierquadrantensteller in mehrere Teilwechselspannungen unterteilt, die anschließend gleichgerichtet und in eine Wechselspannung mittlerer Frequenz, beispielsweise mehrere kHz, gewandelt werden. Mittels der Transformatoren werden die Wechselspannungen mittlerer Frequenz jeweils potentialgetrennt und anschließend in die bereits genannte Zwischenkreis-Gleichspannung umgewandelt. Es ist erkennbar, daß auch diese Energieversorgungseinrichtung für Reisezugwagen relativ aufwendig ist.

Aus der EP 0 879 732 A1 ist eine transformatorlose Einspeiseschaltung für ein Wechselstromfahrzeug bekannt. Diese transformatorlose Einspeiseschaltung weist eingangsseitig zwei Zweipolschaltungen und ausgangsseitig einen selbstgeführten Stromrichter mit eingeprägter Spannung auf, wobei eine Zweipolschaltung bezüglich der Netzgrundschwingung kapazitives und die andere Zweipolschaltung induktives Verhalten hat. Diese beiden Zweipolschaltungen sind eingangsseitig miteinander elektrisch leitend und ausgangsseitig jeweils mit einem Wechselstrom-Anschluss des selbstgeführten Stromrichters verknüpft sind. Der selbstgeführte Stromrichter weist zwei Phasenmodule und zwei elektrisch in Reihe geschaltete Kondensatoren mit geerdeten Verbindungspunkt auf. Die transformatorlose Einspeiseschaltung erfordert keinen hohen Stromrichteraufwand und keine hohen Kosten und die Isolationsbeanspruchung der Last dieser Einspeiseschaltung wird halbiert.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, eine vergleichsweise einfache transformatorlose Einspeiseschaltung für Bahnfahrzeuge zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch eine transformatorlose Einspeiseschaltung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.

Der wesentliche Vorteil besteht darin, daß die erfindungsgemäße transformatorlose Einspeiseschaltung besonders einfach aufgebaut ist, weil die Motorwicklungen, beispielsweise einer dreiphasigen Asynchronmaschine oder anderer Maschinen, jeweils direkt an einen netzseitigen Stromrichter mehrerer eingangsseitig in Reihe geschalteter Stromrichter angeschlossen sind. Die Motorstränge befinden sich damit auf verschiedenen Potentialen gegenüber Erde. Ein Transformator entfällt damit völlig und wird nicht nur in der Frequenz erhöht, wie bei bekannten Lösungen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Im folgenden werden die Erfindung und deren Ausgestaltungen im Zusammenhang mit den Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 das Schaltbild einer transformatorlosen Einspeiseschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung zum Antrieb einer dreiphasigen Asynchronmaschine;
2 das Schaltbild eines Vierquadrantenstellers mit asymmetrisch sperrenden Leistungshalbleitern;
3 einen dreiphasigen Einspeiseblock, bestehend aus drei in Reihe geschalteten Stromrichtern;
4 das Schaltbild einer Einspeiseschaltung für vier Fahrmotoren und Hilfsbetriebe;
5 das Schaltbild einer Einspeiseschaltung für einen Mehrsystembetrieb zur Anschaltung an einen DC-Fahrdraht und einen AC-Fahrdraht;
6 vergleichsweise Schaltbilder von Einspeiseschaltungen für AC-25 kV und AC-15 kV;
7 das Schaltbild eines nicht rückspeisefähigen Zweiquadrantenstellers;
8 die Anordnung von Kurzschlußschaltern in einem Vierquadrantensteller, und
9 eine Einspeiseschaltung für eine zweiphasige Transversalfluß- oder Reluktanzmaschine.
Gemäß 1 besteht die vorliegende transformatorlose Einspeiseschaltung aus mehreren Stromrichterschaltungen 1, 2, 3, die jeweils einen netzseitigen Vierquadrantensteller 11, 21, 31 zur Erzeugung einer Zwischenkreisspannung an einem Kondensator 12, 22, 32 einer Zwischenkreisschaltung, der jeweils zu dem Ausgang des netzseitigen Vierquadrantenstellers 11, 21, 31 parallel geschaltet ist, und einen motorseitigen Vierquadrantensteller 13, 23, 33 aufweisen, der jeweils zu dem Kondensator 12, 22 bzw. 33 parallel geschaltet ist.
Gemäß 2 weist jeder netzsseitige Vierquadrantensteller 11, 21, 31 und jeder motorseitige Vierquadrantensteller 13, 23, 33, die vorzugsweise jeweils rückspeisefähige Vierquadrantensteller mit asymmetrischen Ventilen sind, in an sich bekannter Weise jeweils einen ersten Brückenzweig 14, 24, 34 und einen zweiten Brückenzweig 15, 25, 35 auf, von denen jeder aus zwei in Reihe geschalteten Leistungshalbleiterschaltern besteht, denen jeweils eine Diode antiparallel geschaltet ist. Diese Parallelschaltungen sind in verschiedenenen Figuren der Einfachheit halber durch Kreuze dargestellt.
Die Verbindungspunke P1 und P2, an denen die Leistungshalbleiterschalter der Brückenzweige 14, 24, 34 bzw. 15, 25, 35 miteinander verbunden sind, stellen die Eingangsanschlüsse der netzseitigen Vierquadrantensteller 11, 21, 31 bzw. die Ausgangsanschlüsse der motorseitigen Vierquadrantensteller 13, 23, 33 dar. Die Eingangsanschlüsse P1, P2 der netzseitigen Vierquadrantensteller 11, 21, 31 der Stromrichter 1, 2, 3 sind zwischen dem einen AC-Fahrdraht 10 kontaktierenden Stromabnehmer 20 und Masse M in Reihe geschaltet.
Zwischen die Ausgangsanschlüsse P1, P2 der Brückenzweige 14, 15 der motorseitigen Vierquadrantensteller 13, 23, 33 ist jeweils eine Phasenwicklung 16, 26 bzw. 36, beispielsweise einer dreiphasigen Asynchronmaschine, geschaltet. Die motorseitigen Vierquadrantensteller 13, 23, 33 dienen zur Erzeugung einer Wechselspannung mit variabler Frequenz und Spannung an den Phasenwicklungen 16, 26, 36.
Die Vierquadrantensteller werden in an sich bekannter Weise im pulsbreitenmodulierten Betrieb verwendet. Als Halbleiterschalter dienen vorzugsweise GTO- oder IGBT-Elemente.
Bei Inbetriebnahme der Einspeiseschaltung werden durch Schließen eines nicht dargestellten Hauptschalters alle Zwischenkreise der Stromrichter aufgeladen. Damit ist ein Antakten der Stromrichter möglich. Vorteilhafterweise ist keine spezielle Vorladeeinrichtung für die Zwischenkreise aus der Fahrzeugbatterie erforderlich. Die Vorladung kann wie üblich über einen Vorladewiderstand vom Netz erfolgen.
Zur Erzeugung einer Hilfsenergie für z.B. Kühlanlagen, Steuerungen etc. von Bahnfahrzeugen kann die netzseitige Reihenschaltung der Vierquadrantensteller 11, 21, 31 etc. einen netzsseitigen Vierquadrantensteller 111, vorzugseise nahe der Masse M, aufweisen, der Bestandteil eines Stromrichters 100 zur Hilfsenergieerzeugung ist. Der Stromrichter 100 ist entsprechend den Stromrichtern 1, 2, 3 etc. aufgebaut und weist daher zwischen dem netzseitigen Vierquadrantensteller 111 und dem motorseitigen Vierquadrantensteller 113 einen Spannungszwischenkreis mit einem Kondensator 112 auf.
Zur Erzeugung einer Gleichspannung kann direkt die am Kondensator 112 liegende Ausgangsspannung über Leitungen 112', 112'' abgegriffen werden.
Zur Erzeugung einer potentialgetrennten Wechselspannung als Hilfsenergie können die Verbindungspunkte P1, P2 des ausgangsseitigen Vierquadrantenstellers 113 mit einem Transformator 114 verbunden werden, wobei am Ausgang des Transformators 114 die Hilfsspannung anliegt.
Von Bedeutung ist es, daß durch die netzseitige Serienschaltung der Vierquadrantensteller 11, 21, 31 der Stromrichter 1, 2, 3 netzseitig jede beliebige Spannungshöhe erreicht werden kann. Die Anzahl der in Serie geschalteten netzseitigen Vierquadrantensteller 11, 21, 31 kann der Motorenzahl angepaßt werden.
Die in Serie geschalteten Stromrichter 1, 2, 3 etc. müssen als Summe aller ihrer Zwischenkreisspannungen mindestens den Spitzenwert der maximal auftretenden Netzspannung darstellen können.
Gemäß 3 können zur Ansteuerung einer dreiphasigen Asynchronmaschine oder dergleichen drei Stromrichter 1, 2, 3 mit in Reihe geschalteten netzseitigen Vierquadrantenstellern 11, 21, 31 zu einer Einheit bzw. zu einem dreiphasigen Einspeiseblock 30 zusammengefaßt werden. Ein solcher dreiphasiger Einspeiseblock 30 kann dann als Grundeinheit des netzseitigen Stromrichters betrachtet werden. Sollen z.B. vier dreiphasige Asynchronmaschinen A1, A2, A3 und A4 angeschlossen werden, so können netzseitig vier dreiphasige Einspeiseblöcke 30 und gegebenenfalls ein Stromrichter 100 in Serie betrieben werden, wie dies in 4 dargestellt ist.
Für Transversalfluß- oder Reluktanzmaschinen können die Einspeiseblöcke auch zweiphasig ausgebildet sein.
Gemäß 5 ist es denkbar, Stromrichterblöcke 30 und gegebenenfalls einen Stromrichter 100 durch Umgruppieren netzseitig so anzuordnen, daß ihre netzseitigen Vierquadrantensteller beim Schließen von Schaltern S-AC und Öffnen von Schaltern S-DC in Reihe und über einen Stromabnehmer 20 mit einem AC-Fahrdraht 10 verbunden werden. Beim Öffnen der Schalter S-AC und Schließen von Schaltern S-DC werden die in Reihe geschalteten netzseitigen Vierquadrantensteller der Einspeiseblöcke 30 und des Stromrichters 100 jeweils über eine Drossel 40 parallel zu einem DC-Fahrdraht 10' und einen damit verbundenen Stromabnehmer 20' und Masse M geschaltet.
Gemäß 6 ist es denkbar, dieselben netzsseitigen Stromrichterblöcke 30 und den Stromrichter 100 wahlweise so zu gruppieren, daß sie dann, wenn sie alle in Reihe geschaltet sind (6 linke Seite) z.B. an eine Netzspannung AC = 25 kV angeschaltet werden. Zur Anschaltung derselben Stromrichterblöcke 30 und des Stromrichters 100 an eine Netzspannung von z.B. AC = 15 kV wird nur ein Teil der Stromrichterblöcke 30 in Serie geschaltet, während der restliche Teil über Drosseln 40 parallel geschaltet wird. Beispielsweise sind gemäß 6, rechte Seite, von oben gesehen der erste und dritte Stromrichterblock 30 und der Stromrichter 100 zwischen AC = 15 kV und Masse M in Reihe geschaltet, während der zweite und vierte Stromrichterblock 30 parallel zum ersten Stromrichterblock 30 bzw. zum dritten Stromrichterblock 30 geschaltet ist.
7 zeigt, daß bei einer nicht rückspeisefähigen Einspeiseschaltung die netzseitigen Quadrantensteller als Zweiquadrantensteller ausgebildet sein können, wobei im Vergleich zur 2 die Leistungshalbleiter eines Brückenzweiges 15 entfallen.
Gemäß 8 wird sinnvollerweise eine Spannungsreserve der Einspeiseblöcke 30 in Reihe vorgehalten, so daß z.B. bei n Vierquadrantensteller n-2 Blöcke zur Darstellung der Netzspannung ausreichen. Damit kann dann bei Ausfall und Kurzschluß eines Vierquadrantenstellers die Serienschaltung weiter betrieben werden. Fällt z.B. ein Teil eines dreiphasigen Einspeiseblockes 30 aus, so können die anderen beiden im Blindleistungsbetrieb weiter arbeiten. Der erforderliche Kurzschluß im Vierquadrantensteller im Fehlerfall kommt entweder durch Durchlegieren der Halbleiter zustande (8, linke Seite), oder er wird nach einem Fehlerfall gezielt durch Kurzschließen des jeweiligen Vierquadrantenstellerzwischenkreises mit Kurzschlußschaltern KS erreicht (8, rechte Seite).
Schließlich zeigt die 9 eine Einspeiseschaltung für eine zweiphasige Transversalfluß- oder Reluktanzmaschine, bei der zur Erregung zweier Wicklungen 16 und 26 zwei Stromrichter 1, 2, gegebenenfalls als einheitlicher Einspeiseblock 30 ausgebildet, verwendet werden, deren netzseitige Vierquadrantensteller 11, 21 in Reihe geschaltet sind.
Durch die vorliegende Speiseschaltung sind allgemein gesagt Motoren bzw. Maschinen antreibbar, bei denen die volle Netzspannung gegen Masse isoliert ist. Die einzelnen Phasen ge geneinander verlangen eine geringere Isolation; maximal tritt die Spannung von drei Zwischenkreisen in Reihe auf. Es können, wie beschrieben, mehrphasige Asynchronmaschinen und analog auch Synchronmaschinen gespeist werden.

Claims

Von einem AC-Fahrdraht versorgte, transformatorlose Einspeiseschaltung für eine Wechselstrommaschine eines Bahnfahrzeuges, bei der netzseitig mehrere Stromrichter (1, 2, 3) angeordnet sind, die jeweils einen netzseitigen Vierquadrantensteller (11, 21, 31), einen dazu parallel geschalteten Zwischenkreiskondensator (12, 22, 32) und einen motorseitigen Vierquadrantensteller (13, 23, 33) aufweisen, wobei die netzseitigen Vierquadrantensteller (11, 21, 31) elektrisch in Reihe schaltbar sind, und wobei jeweils direkt an den Ausgangsanschlüssen (P1, P2) eines motorseitigen Vierquadrantenstellers (13, 23, 33) eine Motorwicklung (16, 26, 36) der Wechselstrommaschine angeschlossen ist.
Transformatorlose Einspeiseschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Antrieb einer dreiphasigen Asynchronmaschine die netzseitigen Vierquadrantensteller (11, 21, 31) dreier Stromrichter (1, 2, 3) in Reihe geschaltet sind.
Transformatorlose Einspeiseschaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die drei Stromrichter (1, 2, 3) zu einer Einheit (30) zusammengefaßt sind.
Transformatorlose Einspeiseschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zum Antrieb von Transversalfluß- oder Reluktanzmaschinen zwei Stromrichter (1, 2) in Reihe geschaltet sind.
Transformatorlose Einspeiseschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Stromrichter (1, 2) zu einer Einheit (20) zusammengefaßt sind.
Transformatorlose Einspeiseschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihenschaltung der netzsseitigen Vierquadrantensteller (11, 21, 31) einen netzsseitigen Vierquadrantensteller (111) eines Hilfsbetriebsstromrichters (100) umfaßt, an dessen Zwischenkreis Kondensator (112) eine Hilfsbetriebs-Gleichspannung abgreifbar ist oder bei dem mit den Ausgangsanschlüssen (P1, P2) seines motorseitigen Vierquadrantenstellers (113) ein Transformator (114) verbunden ist, an dem außenseitig eine Hilfsbetriebs-Wechselspannung abgreifbar ist.
Transformatorlose Einspeiseschaltung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Schalter (S-AC, S-DC) vorgesehen und derart betätigbar sind, daß dann, wenn die Schalter (S-DC) geöffnet und die Schalter (S-AC) geschlossen sind, die netzseitigen Vierquadrantensteller von mehreren Stromrichterblöcken (30) zwischen einem mit einem AC-Fahrdraht (10) verbundenen Stromabnehmer (20) und Masse (M) in Reihe geschaltet sind, und dann, wenn die Schalter (S-DC) geschlossen und die Schalter (S-AC) geöffnet sind, die netzseitig in Reihe geschalteten Vierquadrantensteller jedes Stromrichters (30) über eine Drossel (40) parallel zu einem mit einem DC-Fahrdraht (10') verbundenen Stromabnehmer (20') und Masse (M) geschaltet sind.
Transformatorlose Einspeiseschaltung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur wahlweisen Speisung von mehreren Stromrichterblöcken (30) mit unterschiedlichen Wechselspannungen die Stromrichterblöcke (30) zwischen einem mit einem Fahrdraht (10) verbundenen Stromabnehmer (20) und Masse (M) so gruppierbar sind, daß die netzseitigen Vierquadrantensteller eines Teiles (1, 3, 100) der Stromrichterblöcke (30) in Reihe geschaltet sind und die netzseitigen Vierquadrantensteller weiterer Stromrichterblöcke (30) zu anderen Stromrichterblöcken (30) der in Reihe geschalteten Stromrichterblöcke (30) des Teiles der Stromrichterblöcke (30) über eine Drossel (40) parallel geschaltet sind.
Transformatorlose Einspeiseschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß netzseitig mehr als zur Darstellung der Netzspannung erforderliche Stromrichter in Reihe geschaltet sind, so daß bei Kurzschluß eines Stromrichters die Reihenschaltung weiter betreibbar ist.
Transformatorlose Einspeiseschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Vierquadrantensteller durch Zwerquadrantensteller ersetzt sind.