DE102004033379A1 - Schaltungsanordnung zur Kopplung eines Wechselspannungsnetzes mit einem Gleichspannungszwischenkreis - Google Patents

Schaltungsanordnung zur Kopplung eines Wechselspannungsnetzes mit einem Gleichspannungszwischenkreis Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Kopplung eines Wechselspannungsnetzes mit einem Gleichspannungszwischenkreis, insbesondere in einer Lokomotive, über einen Transformator und einen nachgeschalteten Vierquadrantensteller (5, 6). Es ist vorgesehen, dass der Transformator ein Spartransformator (2) ist. Es sind mindestens zwei Vierquadrantensteller (5, 6) vorhanden. Jeder Vierquadrantensteller (5, 6) ist mit einer eigenen Unterspannungswicklung (4a, 4b) des Spartransformators (2) verbunden. Jede Unterspannungswicklung (4a, 4b) ist mit einer Oberspannungswicklung (3a, 3b) des Spartransformators (2) in Serie geschaltet. Nur ein Anschlusspunkt (Potential) ist mit einem Erdungspunkt (9) für Betriebserde verbunden.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Kopplung eines Wechselspannungsnetzes mit einem Gleichspannungszwischenkreis, insbesondere in einer Lokomotive, über einen Transformator und einen nachgeschalteten Vierquadrantensteller.
  • "Lokomotive" steht für ein beliebiges Schienentriebfahrzeug.
  • Eine solche Schaltungsanordnung ist aus dem Aufsatz "Moderne Drehstromantriebstechnik – Stand und Perspektiven" von Dr. Wolf-Dieter Weigel aus ZEVrail Glasers Annalen-126, 2002, bekannt. Dabei wird ein galvanisch arbeitender Transformator eingesetzt, mit dessen Sekundärwicklung zwei parallel geschaltete Vierquadrantensteller verbunden sind.
  • Es sind auch sogenannte Spartransformatoren bekannt, die sich dadurch auszeichnen, dass die Primär- und die Sekundärwicklung einen gemeinsamen Teil aufweisen und nicht mehr galvanisch getrennt sind.
    •
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung der genannten Art anzugeben, die weniger Platz beansprucht und leichter ist als eine Anordnung mit galvanischem Transformator.
  • Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, dass der Transformator ein Spartransformator ist, dass mindestens zwei Vierquadrantensteller vorhanden sind und jeder Vierquadrantensteller mit einer eigenen Unterspannungswicklung des Spartransformators verbunden ist, dass jede Unterspannungswicklung mit einer Oberspannungswicklung des Spartransformators in Serie geschaltet ist und dass nur ein Anschlusspunkt (Po tential) mit einem Erdungspunkt für Betriebserde verbunden ist.
  • Oberspannungswicklung ist dabei die Primärwicklung und Unterspannungswicklung ist die Sekundärwicklung.
  • Mit dem Einsatz eines Spartransformators wird der Vorteil erzielt, dass die Schaltungsanordnung deutlich kleiner und leichter ist als eine bisher übliche Anordnung, was besonders beim Einsatz in einer Lokomotive vorteilhaft ist.
  • Es wird darüber hinaus der besondere Vorteil erzielt, dass mehr als zwei Vierquadrantensteller parallel angeordnet werden können, ohne dass die Funktionsweise des Transformators beeinträchtigt wird. Es werden also vorteilhaft zusätzliche Transformatorteile eingespart.
  • Beispielsweise ist eine der mindestens zwei Unterspannungswicklungen des Spartransformators an ihrem freien Ende mit dem Erdungspunkt für Betriebserde verbunden.
  • Da der Transformator ein Spartransformator ist, bei dem die Wicklungen nicht galvanisch getrennt sind, wird der Vorteil erzielt, dass nur ein Anschlusspunkt, der mit Betriebserde verbunden ist, ausreicht.
  • Beispielsweise ist eine zweite Unterspannungswicklung des Spartransformators an ihrem freien Ende über einen Schalter mit dem Erdungspunkt für Betriebserde verbunden.
  • Damit wird der Vorteil erzielt, dass, falls durch einen Defekt, z.B. am nachgeschalteten Vierquadrantensteller, die Verbindung der ersten Unterspannungswicklung mit der Betriebserde nicht möglich sein sollte, durch Schließen des Schalters eine zuverlässige Verbindung des Spartransformators mit der Betriebserde trotzdem gewährleistet ist.
  • Beispielsweise sind die freien Enden von zwei oder mehr Unterspannungswicklungen über jeweils einen Schalter mit dem Erdungspunkt für Betriebserde verbunden.
  • Über jeden dieser Schalter, von denen mindestens einer geschlossen sein muss, ist dann eine Verbindung zum Erdungspunkt gewährleistet.
  • Nach einem anderen Beispiel ist mindestens einer der Vierquadrantensteller über einen Kondensator mit dem Erdungspunkt für Betriebserde verbunden.
  • Es ist dabei möglich, den Kondensator am positiven oder am negativen Pol des Vierquadrantenstellers anzuschließen. Es wird der Vorteil erzielt, dass die Schaltungsanordnung eine zusätzliche Verbindung mit dem Erdungspunkt aufweist, die allein oder gleichzeitig mit den anderen Verbindungen eingesetzt werden kann.
  • Durch den Kondensator ist gewährleistet, dass der im Vierquadrantensteller erzeugte Gleichstrom nicht zum Erdungspunkt abfließt.
  • Beispielsweise ist mindestens einer der Vierquadrantensteller über einen ohnehin vorhandenen Kondensator mit dem Erdungspunkt für Betriebserde verbunden. Damit wird vorteilhaft ein zusätzlicher Kondensator eingespart.
  • Beispielsweise ist der ohnehin vorhandene Kondensator jeweils aus zwei hintereinander geschalteten Kondensatoren gebildet und ein Abzweigungspunkt zwischen den beiden Kondensatoren steht mit dem Erdungspunkt für Betriebserde in Verbindung.
  • Beispielsweise ist der ohnehin vorhandene Kondensator ein Zwischenkreiskondensator oder ein Saugkreiskondensator.
  • Beispielsweise sind mindestens ein Anschluss, in der Regel aber mehrere Anschlüsse, der Schaltungsanordnung durch eine oder mehrere Überspannungsschutzvorrichtungen geschützt.
  • Es kann sich dabei um vorgeschaltete antiparallele Thyristoren mit Schutzzündeinrichtung handeln. Auch antiserielle Dioden, deren Sperrspannung sinnvoll begrenzt ist, sind möglich. Es wird der Vorteil erzielt, dass die gesamte Schaltungsanordnung durch geeignete Bauelemente, wie Varistoren oder Funkenstrecken, vor Überspannungen geschützt werden kann.
  • Beispielsweise sind Anschlüsse des Spartransformators durch Überspannungsschutzvorrichtungen geschützt.
  • Beispielsweise haben mindestens zwei Spartransformatoren einen gemeinsamen Transformatorkern. Damit wird die Schaltungsanordnung weiter vereinfacht und sie hat darüber hinaus ein relativ geringes Gewicht, was beim Einsatz in einer Lokomotive von großer Bedeutung ist.
  • Mit der Schaltungsanordnung nach der Erfindung wird insbesondere der Vorteil erzielt, dass mehrere Vierquadrantensteller an einen Spartransformator, der ein relativ geringes Gewicht hat, angeschlossen werden können, ohne dass die Zuverlässigkeit bei der Verbindung mit Betriebserde leidet.
    •
  • Ein Ausführungsbeispiel der Schaltungsordnung nach der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert:
  • 1 zeigt eine Grundform der Schaltungsanordnung mit einem Spartransformator und zwei nachgeschalteten Vierquadrantenstellern, die parallel geschaltet sind.
  • 2 zeigt eine entsprechende Schaltungsanordnung, bei der für den Fall eines Defekts eine Verbindung mit dem Erdungspunkt für Betriebserde auf unterschiedliche Weise möglich ist.
  • 3 zeigt eine ähnliche Schaltungsanordnung, bei der eine Verbindung mit dem Erdungspunkt für Betriebserde von einem Kondensator im Vierquadrantensteller ausgeht.
  • Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Bauteile.
  • Bei einer Schaltungsanordnung zur Kopplung eines Wechselspannungsnetzes mit einem Gleichspannungszwischenkreis ist einem Stromabnehmer 1 ein Spartransformator 2 nachgeschaltet. Dieser besteht aus Oberspannungswicklungen 3a und 3b und zugeordneten Unterspannungswicklungen 4a und 4b. An jeder der Unterspannungswicklungen 4a, 4b ist über einen Vierquadrantensteller 5, 6 ein Pulswechselrichter 7, 8 angeschlossen. Die Pulswechselrichter 7, 8 stehen z.B. mit nicht gezeigten Motoren in Verbindung.
  • Nach 1 steht nur eine der Unterspannungswicklungen 4b mit einem Erdungspunkt 9 für Betriebserde in Verbindung. Weitere Erdungspunkte sind bei der Verwendung eines Spartransformators 2 nicht erforderlich. Die Schaltungsanordnung nach der Erfindung ist also einfach und trotzdem zuverlässig aufgebaut. Insbesondere ist das Gewicht des Spartransformators 2 deutlich geringer als das Gewicht bisher verwendeter Transformatoren, so dass die gesamte Schaltungsanordnung besonders leicht ist, was grade beim Einsatz in einer Lokomotive von Bedeutung ist.
  • 2 zeigt eine Variante der 1, bei der die Vierquadrantensteller 5, 6 über Schaltvorrichtungen 10, 11 mit der jeweiligen Unterspannungswicklung 4a, 4b des Spartransformators 2 verbunden sind. Es kann also ein defekter Vierquadrantensteller 5, 6 sofort abgetrennt werden. Falls dann die Verbindung der Schaltungsanordnung mit dem Erdungspunkt 9 für Betriebserde nicht mehr gewährleistet wäre, könnte die Schaltungsanordnung nicht weiter betrieben werden. Deshalb ist das von der Oberspannungswicklung 3a abgewandte Ende der anderen Unterspannungswicklung 4a über eine Verbindungsleitung 12, in der sich ein Schalter 13 befindet, mit dem Erdungspunkt 9 für Betriebserde verbunden. Durch Schließen des Schalters 13 kann also im Bedarfsfall auf einem alternativen Weg eine Verbindung der Schaltungsanordnung mit dem Erdungspunkt 9 für Betriebserde ermöglicht werden.
  • 3 zeigt eine Schaltungsanordnung, die weitgehend mit den Vorrichtungen nach den 1 und 2 übereinstimmt, jedoch zusätzliche Erdungspunkte 14 für Betriebserde aufweist. Dabei kann jeder der gezeigten zusätzlichen Erdungspunkte 14 allein vorhanden sein. Beispielsweise ist mindestens einer der Vierquadrantensteller 5, 6 über einen Kondensator 15 mit einem zusätzlichen Erdungspunkt 14a für Betriebserde verbunden. Nach anderen Beispielen sind ohnehin vorhandene Kondensatoren 16 der Vierquadrantensteller 5, 6 mit einem zusätzlichen Erdungspunkt 14b für Betriebserde verbunden. Es kann auch ein Kondensator, der einem oder beiden Vierquadrantenstellern 5, 6 zugeordnet ist, in der Form von zwei hintereinander geschalteten Kondensatoren 17 und 18 aufgebaut sein, wobei dann zwischen diesen Kondensatoren 17 und 18 ein zusätzlicher Erdungspunkt 14c für Betriebserde angeschlossen ist.
  • Wie bei der Ausführungsform nach 2 ist eine Unterspannungswicklung 4a über die Verbindungsleitung 12, in der sich der Schalter 13 befindet, mit dem Erdungspunkt 9 für Betriebserde verbunden. Zusätzlich steht diese Unterspannungswicklung 4a mit einem eigenen zusätzlichen Erdungspunkt 14c für Betriebserde in Verbindung.
  • Da nicht alle Erdungspunkte 9, 14 stets benötigt werden, können diese durch Schalter 19 abgetrennt und bedarfsweise angeschlossen werden.
  • Den Vierquadrantenstellern 5, 6 sind geeignete Überspannungsschutzvorrichtungen 20, von denen als Beispiel in 3 an tiserielle Dioden gezeigt sind, zum Schutz des Spartransformators 2 vorgeschaltet.
  • Die Schaltungsanordnung nach der Erfindung arbeitet zuverlässig und hat darüber hinaus ein relativ niedriges Gewicht, so dass sie sich besonders für den Einsatz in einer Lokomotive eignet.

Claims (11)

  1. Schaltungsanordnung zur Kopplung eines Wechselspannungsnetzes mit einem Gleichspannungszwischenkreis, insbesondere in einer Lokomotive, über einen Transformator und einen nachgeschalteten Vierquadrantensteller (5, 6), dadurch gekennzeichnet, dass der Transformator ein Spartransformator (2) ist, dass mindestens zwei Vierquadrantensteller (5, 6) vorhanden sind und jeder Vierquadrantensteller (5, 6) mit einer eigenen Unterspannungswicklung (4a, 4b) des Spartransformators (2) verbunden ist, dass jede Unterspannungswicklung (4a, 4b) mit einer Oberspannungswicklung (3a, 3b) des Spartransformators (2) in Serie geschaltet ist und dass nur ein Anschlusspunkt (Potential) mit einem Erdungspunkt (9) für Betriebserde verbunden ist.
  2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine der mindestens zwei Unterspannungswicklungen (4b) des Spartransformators (2) an ihrem freien Ende mit dem Erdungspunkt (9) für Betriebserde verbunden ist.
  3. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Unterspannungswicklung (4a) des Spartransformators (2) an ihrem freien Ende über einen Schalter (13) mit dem Erdungspunkt (9) für Betriebserde verbunden ist.
  4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die freien Enden von zwei oder mehr Unterspannungswicklungen (4a, 4b) über jeweils einen Schalter (13) mit dem Erdungspunkt (9) für Betriebserde verbunden sind.
  5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Vierquadrantensteller (5, 6) über einen Kondensator (15) mit dem Erdungspunkt (14) für Betriebserde verbunden ist.
  6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Vierquadrantensteller (5, 6) über einen ohnehin vorhandenen Kondensator (16–18) mit dem Erdungspunkt (14) für Betriebserde verbunden ist.
  7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der ohnehin vorhandene Kondensator jeweils aus zwei hintereinander geschalteten Kondensatoren (17 und 18) gebildet ist und ein Abzweigungspunkt zwischen den beiden Kondensatoren (17 und 18) mit dem Erdungspunkt (14) für Betriebserde in Verbindung steht.
  8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der ohnehin vorhandene Kondensator (16–18) ein Zwischenkreiskondensator oder ein Saugkreiskondensator ist.
  9. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass Anschlüsse durch Überspannungsschutzvorrichtungen (20) geschützt sind.
  10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass Anschlüsse des Spartransformators (2) durch Überspannungsschutzvorrichtungen (20) geschützt sind.
  11. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Spartransformatoren (2) einen gemeinsamen Transformatorkern haben.
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