WO2008022814A1 - Mehrsystem-traktionsstromrichter - Google Patents

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WO2008022814A1
WO2008022814A1 PCT/EP2007/053624 EP2007053624W WO2008022814A1 WO 2008022814 A1 WO2008022814 A1 WO 2008022814A1 EP 2007053624 W EP2007053624 W EP 2007053624W WO 2008022814 A1 WO2008022814 A1 WO 2008022814A1
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WO
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converter
traction converter
case
system traction
quadrant
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Application number
PCT/EP2007/053624
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Inventor
Hans-Günter ECKEL
Martin Glinka
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L9/00—Electric propulsion with power supply external to the vehicle
    • B60L9/16—Electric propulsion with power supply external to the vehicle using ac induction motors
    • B60L9/30—Electric propulsion with power supply external to the vehicle using ac induction motors fed from different kinds of power-supply lines
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
    • B60L2210/00—Converter types
    • B60L2210/10—DC to DC converters
    • B60L2210/14—Boost converters
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00—Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60—Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/72—Electric energy management in electromobility

Definitions

  • the invention relates to a multi-system traction converter ⁇ according to the preamble of claim 1.
  • a generic multi-system traction converter is from the conference report entitled “Comparison of Multi-System Traction Converters for High-Power Locomotives.”
  • FIG. 1 is an equivalent circuit diagram of a redundant traction converter, in particular for a high-performance locomotive, shown schematically.
  • 2 and 4 are each a partial converter, with 6 and 8 respectively a traction motor and 10 denotes a traction transformer.
  • the partial converter 2 or 4 has a four-quadrant controller 12 or 14, a capacitor battery 16 or 18 and a pulse-controlled inverter 20 or 22.
  • the intermediate circuits formed by the capacitor bank 16 and 18 24 and 26 of the two partial converters 2 and 4 are electrically connected in parallel. For this purpose, a plurality of switches 28 are provided.
  • a disconnector or a contactor is used as a switch 28 for example. Since the intermediate circuits 24 and 26 are electrically connected in parallel, a common absorption circuit 30 and a common short-circuiter 32 can be used. Since the traction converter is divided into two partial converters 2 and 4, the traction transformer 10 has two windings 34 and 36 on the secondary side. The primary winding 38 is ei ⁇ ne réelle linked to a drive wheel 40 and on the other hand by means of a switch 41 to a feed point 42nd At this feed point 42 is a single-phase Desispan ⁇ tion with 15kV / 16,7Hz or 25kV / 50Hz on.
  • each secondary winding 34 and 36 of this traction transformer 10 are in each case connected to an AC voltage-side connection 44, 46 or 48, 50 of the four-quadrant controller 12 or 14 by means of switches 43, 45 and 47, 49 connectable.
  • the traction motor 6 and 8 are connected.
  • the four-quadrant controller 12 or 14 and the pulse inverter 20 or 22 of the partial converter 2 or 4 are electrically conductively connected to each other by means of the intermediate circuit 24 or 26 on the DC voltage side.
  • the four-quadrant controller 12 or 14 has two bridge branches and the pulse-controlled inverter 20 or 22 has three bridge branches.
  • Each bridge branch has two turn-off semiconductor switches, such as insulated gate bipolar transistors (IGBT), which are electrically connected in series. Since each branch of the bridge forms a phase of the four-quadrant actuator 12 or 14 or a phase of the pulse-controlled inverter 20 and 22, this bridge branches are also referred to as Pha ⁇ senmodule.
  • each partial converter 2 or 4 has at least five phase modules.
  • High performance locomotives usually have four traction motors 6, 8, of which two are arranged in a bogie ⁇ .
  • Each traction motor 6, 8 is fed by a partial converter 2, 4.
  • Two partial converters 2, 4 each form a traction converter of a bogie.
  • a high avail ⁇ ability is ensured for power converter errors.
  • a high-performance locomotive has two, each two Operastrom ⁇ richter 2, 4 having traction converter, whereby a desired redundancy is ensured.
  • this traction converter can also be operated in a DC voltage network, then the intermediate circuit of a traction converter can be connected directly to the feed point 42 by means of a mains choke, at which point a
  • DC voltage with 3kV or 1.5 kV is pending (Fig. 10 of the conference report).
  • the engine design is such that a sufficiently large tilting moment reserve with minimal supply supply voltage (mains voltage) is ensured in 3kV DC operation.
  • the DC link voltage which is dropped across a capacitor bank may be adjusted by a mechanismsver ⁇ ratio of the traction transformer and a four quadrant actuator desired. A value is chosen that corresponds approximately to the lowest mains voltage in 3kV DC operation.
  • 5kV DC operation is then because of the quadra ⁇ tables dependence of the overturning moment of the voltage only a quarter of the overturning moment in 3kV DC operation available.
  • a chopper in particular a step-up converter
  • the DC link voltage can be raised to any value above the mains voltage.
  • a circuit for a traction converter is known, which uses a chopper, in particular a Tiefsetzstei ⁇ ler.
  • a value is selected for the intermediate circuit voltage which the intermediate circuit voltage would already have in AC operation.
  • a boost converter only one step-up converter throttle is required, which is connected on the one hand to a DC-side feed-in point and on the other hand to an AC-side connection of a four-quadrant drive. This gives a multi-system traction converter.
  • the chopper For the embodiment of the chopper, it is decisive which of the two available DC contact wire voltages is used as the input voltage of the chopper. If the DC voltage with 3kV is used as the input voltage, then the chopper is to be implemented as a step down converter. If, however, the DC voltage with 1.5kV is used as the input voltage, the chopper must be used as a boost converter. Both have in common that they have an actuator choke, a switchable switch and a capacitor. The difference is in the placement of the actuator throttle.
  • the two four-quadrant controllers 12 and 14 of the two component converters 2 and 4 would each have to be provided with a boost converter choke in accordance with the above-mentioned example of a multi-system traction converter become.
  • Ge ⁇ geninate the embodiment of Fig. 7 of the conference report would be only two chokes up converter needed.
  • these two boost converter chokes require a corresponding installation volume.
  • the weight of the traction converter would increase considerably.
  • the invention is an object of the invention to provide a Mehrsys ⁇ tem traction converter, in which the effort for the boost converter is low in the desired redundancy.
  • the throttle ⁇ decoupling In contrast to the step-up converter choke, the throttle ⁇ decoupling have an inductance that is less than 10% of Indukti ⁇ tivity of the boost converter inductor.
  • these Ent ⁇ coupling chokes are considerably less expensive, require a much smaller installation space and have a considerable borrowed lighter in weight compared to the boost choke.
  • the decoupling chokes are magnetically coupled. As a result of this magnetic coupling, the number of turns of each decoupling choke is reduced at a predetermined inductance value, which further reduces the outlay for the decoupling choke. In addition, these decoupling chokes require even less installation volume.
  • Fig. 1 shows a known embodiment of a redundant traction converter
  • FIG. 2 shows a first embodiment of a multisystem traction converter according to the invention
  • Fig. 3 shows a second embodiment of a multi-system traction converter according to the invention, in which
  • Fig. 4 signals a synchronous clocking of the turn-off
  • FIG. 5 are signals of an alternating clocking of the turn-off semiconductor switch of the boost converter of the multi-system traction converter of FIG. 2.
  • FIG. 2 shows an equivalent circuit diagram of a first embodiment of a multi-system traction converter according to the invention.
  • This embodiment differs from the embodiment of Fig. 1 in that the l, 5kV DC operating a step-up converter inductor 52 and two decoupling ⁇ chokes 54 and 56 are provided. These two decoupling chokes 54 and 56 are electrically connected in series.
  • the connection point 58 of this series circuit is electrically connected to a terminal of the boost converter inductor 52. By means of its second terminal, these high ⁇ converter inductor 52 feeding point by a switch 66 to the input 42 connectable.
  • the decoupling inductor 54 is au ⁇ ßerdem means of a switch 68 to the AC-side terminal 44 of the four-quadrant controller 12 of the one partial power converter 2 connected, wherein the decoupling inductor 56 also via a switch 70 to the AC voltage side terminal 48 of the four-quadrant controller 14 of the other partial converter 4 is connectable.
  • each having two phase modules only one phase module for the functionality of a boost converter are required in DC operation.
  • the unneeded phase module of each four-quadrant ⁇ actuator 12, 14 is open draws ⁇ with a smaller line width. It can be used eg as a brake divider.
  • the turn-off semiconductor switch eg IGBTs, the two phase modules used of the two four-quadrant 12, 14 of the multi-system traction converter are denoted by Tu, T i2 and T 2 i, T 22 .
  • the negative bus bars 62 and 64 of the two partial converters 2 and 4 each by means of a switch 72 and 74 with a drive wheel 40 of the bogie of a locomotive, in particular a high-performance locomotive, bar ⁇ bar.
  • the traction transformer 38 and its two secondary-side interconnections in this first embodiment of an inventive multiple system traction converter not shown in detail.
  • the redundantly designed traction converter can also be operated in a 1.5 kV DC mode in addition to an AC operation and a 3 kV DC operation.
  • de-ren inductance much smaller values than the value of the inductance of the boost converter inductor 52, verrin ⁇ the space required and the installation space of the choke circuit 60 Gert considerably. Also, the Ge ⁇ weight of the traction converter substantially reduces.
  • FIG. 3 shows an equivalent circuit diagram of a second embodiment of a multi-system traction converter according to the invention.
  • This second embodiment under ⁇ differs from the embodiment according to Fig. 2, characterized in that the two decoupling coils are arranged on a common core 62 54 and 56.
  • these two decoupling chokes 54 and 56 are magnetically coupled. Due to this magnetic coupling, the number of turns of each decoupling inductor 54 and 56 is considerably reduced at a terme ⁇ voted inductance value.
  • these two decoupling chokes 54 and 56 require even less installation volume compared with the choke circuit 60 of the first embodiment of the multisystem traction converter according to the invention. Not only the installation volume decreases, but also the weight of the multi-system traction converter. That is, the cost of the boost converter circuit has further reduced.
  • the turn-off ⁇ baren semiconductor switch T 11 , T 12 of the one phase module used for the functionality of the boost converter can a Vierquadrantenstellers 12 and the turn-off half ⁇ conductor switches T 2 i, T 22 of a phase module of the second four-quadrant controller 14 are clocked synchronously.
  • Kunststoffe farmingi ⁇ ge waveforms are shown in a diagram over the time t in FIG. 4 illustrates.
  • the total current is divided in equal parts between the two phase modules of the two four-quadrant actuators 12 and 14.
  • these two turn-off semiconductor switches Tu and T i2 and T 2 i, T22 have low forward losses.
  • these turn-off semiconductor switches T 11 , T 12 , T 21 and T 22 of the phase modules of the two four-quadrant controllers 12 and 14 used for the functionality of a boost converter can be alternately clocked.
  • Corresponding signal profiles are each shown in greater detail in a diagram over the time t in FIG. 5. Due to this alternating timing, each turn-off semiconductor switch T 11 , T 12 and T 21 , T 22, the total current. As a result, the current load on the turn-off semiconductor switches Tu, Ti 2 , T 2 i and T 22 for the functionality of the boost converter is doubled compared to the synchronous timing, but over the switching frequency of these turn-off semiconductor switches T 11 , T 12 , T 21 and T 22 halves itself. This reduces the switching losses.
  • Tu, Ti 2 and T 2 i, T 22 of the corresponding phase modules of the two Vierquadrantensteller 12 and 14 of the two partial converters 2 and 4 of the multi-system traction converter allows the throttle circuit 60 according to the invention, which causes a very low cost when required redundancy.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Mehrsystem-Traktionsstromrichter mit zwei jeweils einen Vierquadrantensteller (12, 14), eine Kondensatorbatterie (16, 18) und einen Pulswechselrichter (20, 22) aufweisenden Teilstromrichter (2, 4), deren Zwischenkreise (24, 26) elektrisch parallel verbindbar sind. Erfindungsgemäß ist jeweils ein wechselspannungsseitiger Eingang (44, 48) eines Vierquadrantenstellers (12, 14) eines Teilstromrichters (2, 4) mit einer Entkopplungsdrossel (54, 56) verbindbar, die elektrisch in Reihe geschaltet sind und ist ein Verbindungspunkt (58) dieser Reihenschaltung mittels einer Hochsetzstellerdrossel (52) mit einem Einspeisepunkt (42) verbindbar. Somit erhält man einen Mehrsystem-Traktionsstromrichter, bei dem bei gewünschter Redundanz der Aufwand für den Hochsetzsteller gering ist.

Description

Beschreibung
Mehrsystem-TraktionsStromrichter
Die Erfindung bezieht sich auf einen Mehrsystem-Traktions¬ stromrichter gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein gattungsgemäßer Mehrsystem-Traktionsstromrichter ist aus dem Konferenzbericht mit dem Titel "Comparison of Multi- System Traction Converters for High-Power Locomotives" , der
PESC Konferenz 2004 vom 21.6.-23.06.2004 in Aachen, insbesondere der Fig. 12 dieses Konferenzberichts, bekannt. In der Fig. 1 ist ein Ersatzschaltbild eines redundant aufgebauten Traktionsstromrichters, insbesondere für eine Hochleistungs- lokomotive, schematisch dargestellt. In dieser Fig. 1 sind mit 2 und 4 jeweils ein Teilstromrichter, mit 6 und 8 jeweils ein Fahrmotor und mit 10 ein Traktionstransformator bezeichnet. Der Teilstromrichter 2 bzw. 4 weist einen Vierquadran- tensteller 12 bzw. 14, eine Kondensatorbatterie 16 bzw. 18 und einen Pulswechselrichter 20 bzw. 22 auf. Die mittels der Kondensatorbatterie 16 und 18 gebildeten Zwischenkreise 24 und 26 der beiden Teilstromrichter 2 und 4 sind elektrisch parallel schaltbar. Dazu sind mehrere Schalter 28 vorgesehen. Als Schalter 28 wird beispielsweise ein Trenner oder ein Schütz verwendet. Da die Zwischenkreise 24 und 26 elektrisch parallel schaltbar sind, kann ein gemeinsamer Saugkreis 30 und ein gemeinsamer Kurzschließer 32 verwendet werden. Da der Traktionsstromrichter in zwei Teilstromrichter 2 und 4 unterteilt ist, weist der Traktionstransformator 10 sekundärseitig zwei Wicklungen 34 und 36 auf. Die Primärwicklung 38 ist ei¬ nerseits mit einem Antriebsrad 40 und andererseits mittels eines Schalters 41 mit einem Einspeisepunkt 42 verknüpft. An diesem Einspeisepunkt 42 steht eine einphasige Wechselspan¬ nung mit 15kV/16,7Hz bzw. mit 25kV/50Hz an. Die beiden An- Schlüsse einer jeden Sekundärwicklung 34 und 36 dieses Traktionstransformators 10 sind jeweils mit einem wechselspan- nungsseitigen Anschluss 44, 46 bzw. 48, 50 des Vierquadran- tenstellers 12 bzw. 14 mittels Schalter 43, 45 bzw. 47, 49 verbindbar. An den wechselspannungsseitigen Anschlüssen Rl, Sl, Tl bzw. R2, S2, T2 des Pulswechselrichters 20 bzw. 22 sind der Fahrmotor 6 bzw. 8 angeschlossen. Der Vierquadran- tensteller 12 bzw. 14 und der Pulswechselrichter 20 bzw. 22 des Teilstromrichters 2 bzw. 4 sind mittels des Zwischenkrei¬ ses 24 bzw. 26 gleichspannungsseitig miteinander elektrisch leitend verbunden.
Gemäß diesem Ersatzschaltbild weist der Vierquadrantensteller 12 bzw. 14 zwei Brückenzweige und der Pulswechselrichter 20 bzw. 22 drei Brückenzweige auf. Jeder Brückenzweig weist zwei abschaltbare Halbleiterschalter, z.B. Insulated-Gate-Bipolar- Transistoren (IGBT), auf, die elektrisch in Reihe geschaltet sind. Da jeder Brückenzweig eine Phase des Vierquadranten- stellers 12 bzw. 14 oder eine Phase des Pulswechselrichters 20 bzw. 22 bildet, werden diese Brückenzweige auch als Pha¬ senmodule bezeichnet. Somit weist jeder Teilstromrichter 2 bzw. 4 wenigstens fünf Phasenmodule auf.
Hochleistungslokomotiven weisen üblicherweise vier Fahrmotoren 6, 8 auf, von denen jeweils zwei in einem Drehgestell an¬ geordnet sind. Jeder Fahrmotor 6, 8 wird von einem Teilstromrichter 2, 4 gespeist. Jeweils zwei Teilstromrichter 2, 4 bilden einen Traktionsstromrichter eines Drehgestells. Durch diese Aufteilung eines Traktionsstromrichters eines Drehge¬ stells in zwei Teilstromrichter 2, 4 wird eine hohe Verfüg¬ barkeit bei Stromrichterfehlern gewährleistet. Somit weist eine Hochleistungslokomotive zwei, jeweils zwei Teilstrom¬ richter 2, 4 aufweisende Traktionsstromrichter auf, wodurch eine gewünschte Redundanz gewährleistet wird.
Soll dieser Traktionsstromrichter auch in einem Gleichspannungsnetz betreibbar sein, so kann der Zwischenkreis eines Traktionsstromrichters mittels einer Netzdrossel direkt mit dem Einspeisepunkt 42 verbunden werden, an dem dann eine
Gleichspannung mit 3kV bzw. 1,5 kV ansteht (Fig. 10 des Konferenzberichts) . Die Motorauslegung erfolgt so, dass eine hinreichend große Kippmomentreserve bei minimaler Versor- gungsspannung (Netzspannung) im 3kV DC-Betrieb sichergestellt ist. Im AC-Betrieb kann die Zwischenkreisspannung, die an einer Kondensatorbatterie abfällt, durch ein Übersetzungsver¬ hältnis des Traktionstransformators und einem Vierquadranten- steller beliebig eingestellt werden. Gewählt wird ein Wert, der in etwa der niedrigsten Netzspannung im 3kV DC-Betrieb entspricht. Im l,5kV DC-Betrieb steht dann wegen der quadra¬ tischen Abhängigkeit des Kippmoments von der Spannung nur ein Viertel des Kippmoments beim 3kV DC-Betrieb zur Verfügung.
Um das Problem einer zu kleinen Zwischenkreisspannung im l,5kV DC-Betrieb zu lösen, kann ein Chopper, insbesondere ein Hochsetzsteller, verwendet werden. Mit einem Hochsetzsteller kann die Zwischenkreisspannung auf einen beliebigen Wert o- berhalb der Netzspannung angehoben werden. Aus dem Konferenzbericht ist eine Schaltung für einen Traktionsstromrichter bekannt, der einen Chopper, insbesondere einen Tiefsetzstei¬ ler, verwendet. Üblicherweise wird für die Zwischenkreisspan¬ nung ein Wert gewählt, den bereits die Zwischenkreisspannung im AC-Betrieb aufweisen würde. Für den Aufbau eines Hochsetz- stellers wird nur noch eine Hochsetzstellerdrossel benötigt, die einerseits an einem gleichspannungsseitigen Einspeisepunkt und andererseits an einem wechselspannungsseitigen An- schluss eines Vierquadrantenstellers angeschlossen ist. Da- durch erhält man einen Mehrsystem-Traktionsstromrichter.
Für die Ausführungsform des Choppers ist ausschlaggebend, welche der beiden verfügbaren DC-Fahrdrahtspannungen als Eingangsspannung des Choppers verwendet wird. Wird als Eingangs- Spannung die Gleichspannung mit 3kV verwendet, so ist der Chopper als Tiefsetzsteiler auszuführen. Wird hingegen als Eingangsspannung die Gleichspannung mit l,5kV verwendet, so muss der Chopper als Hochsetzsteller verwendet werden. Beiden gemeinsam ist, dass diese eine Stellerdrossel, einen ab- schaltbaren Schalter und einen Kondensator aufweisen. Der Unterschied besteht in der Platzierung der Stellerdrossel. Sollte der Traktionsstromrichter neben einer AC-Spannungs- versorgung auch an einer DC-Spannungsversorgung betreibbar sein, so müssten in Anlehnung des oben genannten Beispiels eines Mehrsystem-Traktionsstromrichters die beiden Vierquad- rantensteller 12 und 14 der beiden Teilstromrichter 2 und 4 jeweils mit einer Hochsetzstellerdrossel versehen werden. Ge¬ genüber der Ausführungsform der Fig. 7 des Konferenzberichts würden nur noch zwei Hochsetzstellerdrosseln benötigt. Diese beiden Hochsetzstellerdrosseln benötigen jedoch ein entspre- chendes Einbauvolumen. Außerdem würde sich das Gewicht des Traktionsstromrichters erheblich erhöhen.
Um das Traktionsstromrichtergewicht und das Einbauvolumen ei¬ nes Mehrsystem-Traktionsstromrichters nicht so sehr ansteigen zu lassen, könnte man nur eine Hochsetzstellerdrossel verwen¬ den. Diese müsste einerseits jeweils mit einem wechselspan- nungsseitigen Anschluss eines Vierquadrantenstellers eines Teilstromrichters und andererseits mittels eines Schalters mit einem Einspeisepunkt verknüpft sein. Durch die Verwendung nur einer Hochsetzstellerdrossel wäre eine gewünschte Redun¬ danz nicht mehr gewährleistet, da bei Ausfall eines abschalt¬ baren Halbleiterschalters des verwendeten Phasenmoduls des Vierquadrantenstellers des einen Teilstromrichters als Folge¬ fehler ein abschaltbarer Halbleiterschalter des verwendeten Phasenmoduls des Vierquadrantenstellers des zweiten Teil¬ stromrichters ausfallen würde.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Mehrsys¬ tem-Traktionsstromrichter anzugeben, bei dem bei gewünschter Redundanz der Aufwand für den Hochsetzsteller gering ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Dadurch, dass die Hochsetzstellerdrossel nicht direkt, son¬ dern jeweils über eine Entkopplungsdrossel mit einem wechsel- spannungsseitigen Anschluss eines Vierquadrantenstellers der beiden Teilstromrichter verbunden ist, ist eine hinreichende Entkopplung der beiden Zwischenkreise der beiden Teilstromrichter im Fehlerfall gewährleistet, wodurch eine geforderte Redundanz erfüllt wird.
Gegenüber der Hochsetzstellerdrossel haben die Entkopplungs¬ drosseln eine Induktivität, die kleiner als 10 % der Indukti¬ vität der Hochsetzstellerdrossel ist. Dadurch sind diese Ent¬ kopplungsdrosseln erheblich weniger aufwändig, beanspruchen ein wesentlich geringeres Einbauvolumen und weisen ein erheb- lieh geringeres Gewicht gegenüber der Hochsetzstellerdrossel auf .
In einer vorteilhaften Ausführungsform des Mehrsystem- Traktionsstromrichters sind die Entkopplungsdrosseln magne- tisch gekoppelt. Durch diese magnetische Kopplung verringert sich die Windungszahl einer jeden Entkopplungsdrossel bei ei¬ nem vorbestimmten Induktivitätswert, wodurch sich der Aufwand für die Entkopplungsdrosseln weiter verringert. Außerdem beanspruchen diese Entkopplungsdrosseln noch weniger Einbauvo- lumen.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der zwei Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Mehrsystem-Traktionsstromrichters schematisch veranschaulicht sind.
Fig. 1 zeigt eine bekannte Ausführungsform eines redundant aufgebauten Traktionsstromrichters, die
Fig. 2 zeigt eine erste Ausführungsform eines erfindungs- gemäßen Mehrsystem-Traktionsstromrichters, die
Fig. 3 zeige eine zweite Ausführungsform eines Mehrsystem- Traktionsstromrichters nach der Erfindung, in der
Fig. 4 Signale einer synchronen Taktung der abschaltbaren
Halbleiterschalter der beiden Hochsetzsteller des Mehrsystem-Traktionsstromrichters gemäß Fig. 2 ver¬ anschaulicht und in der
Fig. 5 sind Signale einer alternierenden Taktung der abschaltbaren Halbleiterschalter der Hochsetzsteller des Mehrsystem-Traktionsstromrichters gemäß Fig. 2 dargestellt .
Die Fig. 2 zeigt ein Ersatzschaltbild einer ersten Ausfüh- rungsform eines Mehrsystem-Traktionsstromrichters nach der Erfindung. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der Ausführungsform nach Fig. 1 dadurch, dass für den l,5kV DC- Betrieb eine Hochsetzstellerdrossel 52 und zwei Entkopplungs¬ drosseln 54 und 56 vorgesehen sind. Diese beiden Entkopp- lungsdrosseln 54 und 56 sind elektrisch in Reihe geschaltet. Der Verbindungspunkt 58 dieser Reihenschaltung ist mit einem Anschluss der Hochsetzstellerdrossel 52 elektrisch leitend verbunden. Mittels seines zweiten Anschlusses ist diese Hoch¬ setzstellerdrossel 52 mittels eines Schalters 66 mit dem Ein- speisepunkt 42 verbindbar. Die Entkopplungsdrossel 54 ist au¬ ßerdem mittels eines Schalters 68 mit dem wechselspannungs- seitigen Anschluss 44 des Vierquadrantenstellers 12 des einen Teilstromrichters 2 verbindbar, wobei die Entkopplungsdrossel 56 außerdem mittels eines Schalters 70 mit dem wechselspan- nungsseitigen Anschluss 48 des Vierquadrantenstellers 14 des anderen Teilstromrichters 4 verbindbar ist. Von diesen beiden Vierquadrantenstellern 12 und 14, die jeweils zwei Phasenmodule aufweisen, werden im DC-Betrieb jeweils nur ein Phasenmodul für die Funktionalität eines Hochsetzstellers benötigt. Das nicht benötigte Phasenmodul eines jeden Vierquadranten¬ stellers 12, 14 ist mit einer geringeren Strichstärke ge¬ zeichnet. Er kann z.B. als Bremssteiler verwendet werden. Die abschaltbaren Halbleiterschalter, z.B. IGBTs, der beiden verwendeten Phasenmodule der beiden Vierquadrantensteller 12, 14 des Mehrsystem-Traktionsstromrichters sind mit Tu, Ti2 und T2i, T22 bezeichnet. Neben der Zuschaltung der Drosselschal¬ tung 60 sind die negativen Stromschienen 62 und 64 der beiden Teilstromrichter 2 und 4 jeweils mittels eines Schalters 72 und 74 mit einem Antriebsrad 40 des Drehgestells einer Loko- motive, insbesondere einer Hochleistungslokomotive, verbind¬ bar. Aus Übersichtlichkeitsgründen ist der Traktionstransformator 38 und seine beiden sekundärseitigen Verschaltung in dieser ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Mehr- system-Traktionsstromrichters nicht näher dargestellt. Am Einspeisepunkt 42 steht bei AC-Betrieb eine Fahrdrahtspannung von 15kV/16,7Hz bzw. 25kV/50Hz und bei DC-Betrieb eine Fahrdrahtspannung von 3kV bzw. l,5kV an. Mit der erfindungsgemä- ßen Drosselschaltung 60 kann der redundant ausgeführte Traktionsstromrichter neben einem AC-Betrieb und einem 3kV DC- Betrieb auch in einem l,5kV DC-Betrieb betrieben werden.
Durch die Verwendung von Entkopplungsdrosseln 54 und 56, de- ren Induktivität wesentlich kleinere Werte aufweisen als der Wert der Induktivität der Hochsetzstellerdrossel 52, verrin¬ gert sich der Platzbedarf bzw. das Einbauvolumen dieser Drosselschaltung 60 erheblich. Ebenfalls reduziert sich das Ge¬ wicht des Traktionsstromrichters wesentlich.
In der Fig. 3 ist ein Ersatzschaltbild einer zweiten Ausführungsform eines Mehrsystem-Traktionsstromrichters nach der Erfindung dargestellt. Auch bei dieser Darstellung ist aus Übersichtlichkeitsgründen die Komponente für den AC-Betrieb nicht näher dargestellt. Diese zweite Ausführungsform unter¬ scheidet sich von der Ausführungsform gemäß Fig. 2 dadurch, dass die beiden Entkopplungsdrosseln 54 und 56 auf einem gemeinsamen Kern 62 angeordnet sind. Dadurch sind diese beiden Entkopplungsdrosseln 54 und 56 magnetisch gekoppelt. Durch diese magnetische Kopplung reduziert sich die Windungszahl einer jeden Entkopplungsdrossel 54 und 56 bei einem vorbe¬ stimmten Induktionswert erheblich. Dadurch beanspruchen diese beiden Entkopplungsdrosseln 54 und 56 gegenüber der Drosselschaltung 60 der ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Mehrsystem-Traktionsstromrichters noch weniger Einbauvolumen. Nicht nur das Einbauvolumen sinkt, sondern ebenso das Gewicht des Mehrsystem-Traktionsstromrichters. D.h., der Aufwand für die Hochsetzsteller-Schaltung hat sich weiter reduziert.
Durch diese erfindungsgemäße Drosselschaltung eines redundant aufgebauten Mehrsystem-Traktionsstromrichters können die für die Funktionalität des Hochsetzstellers verwendeten abschalt¬ baren Halbleiterschalter T11, T12 des einen Phasenmoduls des einen Vierquadrantenstellers 12 und die abschaltbaren Halb¬ leiterschalter T2i, T22 des einen Phasenmoduls des zweiten Vierquadrantenstellers 14 synchron getaktet werden. Zugehöri¬ ge Signalverläufe sind jeweils in einem Diagramm über der Zeit t in der Fig. 4 veranschaulicht. Durch diese synchrone Taktung der abschaltbaren Halbleiterschalter T11, T21 und Ti2, T22 teilt sich der Gesamtstrom in gleichen Teilen auf die beiden Phasenmodule der beiden Vierquadrantensteller 12 und 14 auf. Dadurch weisen diese beiden abschaltbaren Halbleiter- Schalter Tu und Ti2 und T2i, T22 geringe Durchlassverluste auf .
Gegenüber dieser synchronen Taktung können diese abschaltbaren Halbleiterschalter T11, T12, T21 und T22 der für die Funkti- onalität eines Hochsetzstellers verwendeten Phasenmodule der beiden Vierquadrantensteller 12 und 14 alternierend getaktet werden. Entsprechende Signalverläufe sind jeweils in einem Diagramm über der Zeit t in der Fig. 5 näher dargestellt. Durch diese alternierende Taktung führt jeder abschaltbare Halbleiterschalter T11, T12 bzw. T21, T22 den Gesamtstrom. Dadurch ist die Strombelastung der abschaltbaren Halbleiterschalter Tu, Ti2, T2i und T22 für die Funktionalität des Hochsetzstellers gegenüber der synchronen Taktung verdoppelt, a- ber die Schaltfrequenz dieser abschaltbaren Halbleiterschal- ter T11, T12, T21 und T22 halbiert sich. Dadurch verringern sich die Schaltverluste.
Welche Taktung für diese Halbleiterschalter T11, T12, T21 und T22 verwendet werden soll, hängt von der Wahl dieser Halblei- terschalter T11, T12, T21 und T22 ab, die neben der Realisierung der Funktionalität des Hochsetzstellers im DC-Betrieb auch die Realisierung der selbstgeführten Einspeisung im AC- Betrieb übernehmen müssen. Diese beiden Möglichkeiten der Taktung der an der Realisierung der Funktionalität des Hoch- setzstellers beteiligten abschaltbaren Halbleiterschalter
Tu, Ti2 und T2i, T22 der entsprechenden Phasenmodule der beiden Vierquadrantensteller 12 und 14 der beiden Teilstromrichter 2 und 4 des Mehrsystem-Traktionsstromrichters ermöglicht die erfindungsgemäße Drosselschaltung 60, die bei geforderter Redundanz einen sehr geringen Aufwand verursacht.

Claims

Patentansprüche
1. Mehrsystem-Traktionsstromrichter mit wenigstens zwei, jeweils einen Vierquadrantensteller (12, 14), eine Kondensator- batterie (16, 18) und einen Pulswechselrichter (20, 22) auf¬ weisenden, Teilstromrichtern (2, 4), deren Zwischenkreise (24, 26) elektrisch parallel verbindbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils ein wechselspannungsseitiger Eingang (44, 48) eines Vierquadrantenstellers (12, 14) eines Teil- Stromrichters (2, 4) mit einer Entkopplungsdrossel (54, 56) verbindbar ist, die elektrisch in Reihe geschaltet sind, und dass ein Verbindungspunkt (58) dieser Reihenschaltung mittels einer Hochsetzstellerdrossel (52) mit einem Einspeisepunkt (42) verbindbar ist.
2. Mehrsystem-Traktionsstromrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Entkopplungsdrosseln (54, 56) magne¬ tisch gekoppelt sind.
3. Mehrsystem-Traktionsstromrichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jede Entkopplungsdrossel (54, 56) eine Induktivität aufweist, die kleiner 10 % einer Induk¬ tivität der Hochsetzstellerdrossel (52) ist.
4. Mehrsystem-Traktionsstromrichter nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Schalter (28, 41, 43, 45, 47, 49, 66, 68, 70, 72, 74) jeweils ein Trenner vorgesehen ist.
5. Mehrsystem-Traktionsstromrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Schalter (28, 41, 43, 45, 47, 49, 66, 68, 70, 72, 74) jeweils ein Schütz vorge¬ sehen ist.
6. Verfahren zum Betrieb der abschaltbaren Halbleiterschalter (Tu, Ti2; T2i, T22) jeweils eines Phasenmoduls jeweils eines Vierquadrantenstellers (12, 14) jeweils eines Teilstromrich¬ ters (2, 4) eines Mehrsystem-Traktionsstromrichters, dadurch gekennzeichnet, dass die oberen abschaltbaren Halbleiterschalter (Tu, T2i) und die unteren abschaltbaren Halbleiterschalter (Ti2, T22) eines Phasenmoduls eines jeden Vierquad- rantenstellers (12, 14) der Teilstromrichter (2, 4) des Mehr- system-Traktionsstromrichters jeweils synchron getaktet wer¬ den .
7. Verfahren zum Betrieb der abschaltbaren Halbleiterschalter (Tu, Ti2; T2i, T22) jeweils eines Phasenmoduls jeweils eines Vierquadrantenstellers (12, 14) jeweils eines Teilstromrich¬ ters (2, 4) eines Mehrsystem-Traktionsstromrichters, dadurch gekennzeichnet, dass diese abschaltbaren Halbleiterschalter (Tu, Ti2; T2i, T22) zeitlich nacheinander getaktet werden.
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