Beschreibung

Dämpfungselement

Die Erfindung bezieht sich auf ein Dämpfungselement.

Traktionsstromrichter für elektrische Lokomotiven weisen häufig Stromrichter mit mehreren verteilten Spannungszwischenkreisen auf. Ein Ersatzschaltbild eines derartigen Traktions- Stromrichters ist in der Fig. 1 näher dargestellt. In diesem Ersatzschaltbild weist jeder Stromrichter 2 bzw. 4 einen netzseitigen und einen lastseitigen Stromrichter 6 und 8 auf. Als netzseitiger Stromrichter 6 ist ein so genannter Vier- quadrantensteller (4QS) vorgesehen, wobei als lastseitiger Stromrichter 8 ein selbstgeführter Pulsstromrichter vorgesehen ist. Gleichspannungsseitig sind diese beiden Stromrichter 6 und 8 eines jeden Stromrichters 2 bzw. 4 des Traktions ^¬ stromrichters mittels eines Zwischenkreiskondensators 10 bzw. 12, der aus einer Vielzahl von Kondensatoren aufgebaut sein kann, elektrisch parallel geschaltet. Diese Zwischenkreiskon- densatoren 10 und 12 des Traktionsstromrichters sind mittels elektrischer Verbindungen 14 und 16, insbesondere Stromschie ^¬ nen, elektrisch untereinander und mit gleichspannungsseitigen Anschlüssen eines jeden Stromrichters 2 und 4 des Traktions- Stromrichters verbunden. Elektrisch parallel zu diesen Zwi- schenkreiskondensatoren 10 und 12 ist ein Hilfsbetriebe-Um- richter 18 elektrisch parallel geschaltet. Dazu befindet sich in einer Verbindungsleitung 20 des Hilfsbetriebe-Umrichters 18 ein Leistungsschalter 22. Elektrisch parallel zu den gleichspannungsseitigen Anschlüssen des Hilfsbetriebe-Umrichters 18 ist ein Kondensator 24 geschaltet. Ebenfalls ist elektrisch parallel zu den Zwischenkreiskondensatoren 10 und 12 der Stromrichter 6 und 8 ein Saugkreis 26 geschaltet, der als Reihenschwingkreis aufgebaut und auf die Oberwellen des Zwischenkreises abgestimmt ist. Dazu weist dieser Saugkreis 26 unter anderem einen Kondensator 28 auf. Diesem Ersatzschaltbild ist ebenfalls zu entnehmen, dass die Verbindung 14 zwischen den beiden Stromrichtern 2 und 4 des Traktionsstrom-

richters derart getrennt werden kann, dass elektrisch paral ^¬ lel zum Kondensator 10 bzw. 12 des Stromrichters 2 bzw. 4 der Saugkreis 26 geschaltet bleibt. Deshalb sind in der Verbin ^¬ dung 14 zwei Leistungsschalter 30 und 32 angeordnet.

über die elektrischen Verbindungen 14 und 16, insbesondere Stromschienen, fließt ein Gleichstrom zur Energieübertragung zwischen den Spannungszwischenkreisen der beiden Stromrichter 2 und 4 des Traktionsstromrichters. Da der netzseitige Strom- richter 6 eines jeden Stromrichters 2 und 4 des Traktions ^¬ stromrichters einphasig ausgebildet ist, fließt in den elekt ^¬ rischen Verbindungen 14 und 16 zusätzlich ein Strom mit doppelter Netzfrequenz. Durch die Streu-Induktivitäten der e- lektrischen Verbindungen 14 und 16 entsteht in Verbindung mit den Zwischenkreiskondensatoren 10 und 12 und den Kondensatoren 24 und 28 ein Schwingkreis höherer Ordnung. Dieser Schwingkreis wird bei jedem Schaltvorgang eines Stromrichterventils eines Stromrichters 2 bzw. 4 am Spannungszwischenkreis des Traktionsstromrichters angeregt und führt zu schwachgedämpften und hochfrequenten Strömen zwischen den

Spannungszwischenkreisen. Diese Ströme führen zu einer thermischen Zusatzbelastung der Zwischenkreiskondensatoren 10 und 12 und des Kondensators 24 des Hilfsbetriebe-Umrichters 18.

In der Fig. 2 sind in einem Diagramm über der Frequenz einzelne Kondensatorströme ± _c2 , ic4r ICH und i _C s dargestellt. Die ^¬ ser Darstellung kann entnommen werden, dass bei allen Kondensatoren 10, 12, 24 und 28 der Stromrichter 2, 4 und 18 und des Saugkreises 26 eine Stromverstärkung bei einer Anregung des Schwingkreises höherer Ordnung stattfindet. Bei einer

Frequenz kleiner einer Resonanzfrequenz werden die Frequenzanteile auf diese Kondensatoren 10, 12, 14 und 28 gleich auf ^¬ geteilt. Bei der Resonanzfrequenz werden die Kondensatorströ ^¬ me i _C 2, ic4. ICH und i _C s verstärkt, wobei bei einer Frequenz größer der Resonanzfrequenz die Kondensatorströme IQ ₂ , ic4r ICH und i _C s unterschiedlich von der Anregung betroffen sind.

Aus der EP 1 450 475 Al ist eine Maßnahme bekannt, mit der Schwingungen im Spannungszwischenkreis eines Spannungszwi ^¬ schenkreis-Umrichters gedämpft werden können. Diese Maßnahme ist ein Dämpfungsnetzwerk, das elektrisch parallel zu jedem Energiespeicher dieses Spannungszwischenkreis-Umrichters ge ^¬ schaltet ist. Dieses Dämpfungsnetzwerk besteht aus einem Kon ^¬ densator und einem zu diesem Kondensator in Serie geschalteten Widerstand. Um eine gute Wirkung dieses Dämpfungsnetzwerkes zu erreichen, sind die Verbindungen zum Zwischenkreiskon- densator niederinduktiv ausgebildet. Zur Abführung einer Verlustleistung verfügt der Widerstand dieses Dämpfungsnetzwerkes vorzugsweise über ein eigenständiges Widerstandskühlsys ^¬ tem. Ferner ist es vorteilhaft, wenn der Wert des Kondensa ^¬ tors des Dämpfungsnetzwerkes in der Größenordnung 1,5 bis 50- fach größer als der Wert des Kondensators des Spannungszwi ^¬ schenkreises ist. Mittels dieses Dämpfungsnetzwerkes kann die Schwingung des Stromes im Oszillationspfad vermindert werden, sowie die elektrische und thermische Belastung der Kondensa ^¬ toren und weiterer Komponenten des Spannungszwischenkreis- Umrichters vermindert werden.

In der Fig. 3 ist das Ersatzschaltbild des Traktionsstrom ^¬ richters gemäß Fig. 1 mit zwei Dämpfungsnetzwerken 34 und 36 der EP 1 450 475 Al näher dargestellt. Gemäß der EP 1 450 475 Al ist ein Dämpfungsnetzwerk 34 bzw. 36 elektrisch parallel zum Zwischenkreis-Kondensator eines Spannungszwischenkreis-Umrichters zu schalten. Zum Kondensator 10 bzw. 12 ist das Dämpfungsnetzwerk 34 bzw. 36 elektrisch parallel geschaltet. Das Dämpfungsnetzwerk 34 bzw. 36 weist einen Kon- densator 38 bzw. 40 und einen Widerstand 42 bzw. 44 auf, die elektrisch in Reihe geschaltet sind.

In der Fig. 4 sind in einem Diagramm über der Frequenz f die Kondensatorströme ± _c2 , ic4r ICH und i _C s dargestellt. Um die Wirkung der beiden Dämpfungsnetzwerke 34 und 36 erkennen zu können, sind die Stromverläufe der Fig. 2 und die gedämpften Stromverläufe gemeinsam in diesem Diagramm dargestellt. Die gestrichelten Verläufe veranschaulichen die Stromverläufe

i _C 2, ic4. ICH und i _C s mit Dämpfung. Bei Frequenzen f unterhalb der Resonanzfrequenz zeigen diese Dämpfungsnetzwerke 34 und 36 keine Wirkung. Auch bei der Resonanzfrequenz ist die Wirkung von Dämpfungsnetzwerken 34 und 36 begrenzt.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, den bekannten Stromrichter mit mehreren verteilten Spannungszwischenkreisen derart weiterzubilden, dass einerseits hochfrequente Ströme gedämpft werden, aber die Verlustleistung geringer ausfällt.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass ein erfindungsgemäßes Dämpfungselement in den bekannten Stromrichter mit mehreren verteilten Spannungszwischenkreisen eingebaut wird.

Dadurch, dass das erfindungsgemäße Dämpfungselement zwei Strompfade aufweist, nämlich einen für die hochfrequente Stromkomponente und einen für den Gleichstrom und einer doppelt frequenten Stromkomponente, kann jeder Strompfad unab ^¬ hängig voneinander optimiert werden. Der Strompfad für die hochfrequente Stromkomponente ist niederinduktiv, aber mit einem höheren elektrischen Widerstand ausgestattet, wogegen der Strompfad für den Gleichstrom und der doppelt frequenten Stromkomponente höherinduktiv ist und mit einem geringeren elektrischen Widerstand versehen ist. Dadurch wird einerseits die hochfrequente Stromkomponente gedämpft und andererseits wird der Gleichstrom und die doppelt frequente Stromkomponente nur minimal begrenzt, wodurch die Verlustleistung im Spannungszwischenkreis des bekannten Stromrichters mit mehreren verteilten Spannungszwischenkreisen nur minimal ansteigt.

Um zwei Strompfade mit diesen unterschiedlichen Bedingungen zu realisieren, wird für den ersten Strompfad ein elektrisch nicht gut leitendes Material und für den zweiten Strompfad ein elektrisch gut leitendes Material gewählt. Als elektrisch nicht gut leitendes Material wird Edelstahl und als elekt ^¬ risch gut leitendes Material wird Kupfer vorgesehen. Damit der erste Pfad möglichst niederinduktiv ist, werden erfindungsgemäß zwei Schienenstücke vorgesehen, die räumlich pa-

rallel mit minimalem Abstand zueinander verlaufen. Demgegenüber besteht der zweite Strompfad aus zwei Leitungsstücken, die jeweils einem Schienenstück elektrisch parallel geschaltet sind.

Da dieses erfindungsgemäße Dämpfungselement zwei räumlich pa ^¬ rallel mit minimalem Abstand verlaufende Schienenstücke auf ^¬ weist, kann dieses ohne großen Aufwand in eine Verschienung eines Spannungszwischenkreises eines Spannungszwischenkreis- Umrichters mit verteilten Spannungszwischenkreisen integriert werden .

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Dämpfungselementes nach der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Dämpfungselementes schematisch veranschaulicht ist.

Fig. 1 zeigt ein Ersatzschaltbild eines Stromrichters mit verteilten Spannungszwischenkreisen, in der

Fig. 2 sind in einem Diagramm über der Frequenz verschiedene Kondensatorströme des Stromrichters nach Fig. 1 dargestellt, die Fig. 3 zeigt ein Ersatzschaltbild des Stromrichters nach Fig. 1 mit bekannten Dämpfungsnetzwerken, wobei in der Fig. 4 in einem Diagramm über der Frequenz verschiedene

Kondensatorströme des Stromrichters nach Fig. 3 veranschaulicht sind, die

Fig. 5 zeigt ein Dämpfungselement nach der Erfindung, die Fig. 6 zeigt ein Ersatzschaltbild des Stromrichters nach Fig. 1 mit einem Dämpfungselement nach Fig. 5 und in der Fig. 7 sind in einem Diagramm über der Frequenz die Kondensatorströme des Stromrichters nach Fig. 6 veran ^¬ schaulicht .

Gemäß der Fig. 5 weist ein Dämpfungselement nach der Erfin ^¬ dung zwei Schienenstücke 46 und 48 und zwei Leitungsstücke 50 und 52 auf, wobei jeweils ein Schienenstück 46 bzw. 48 und ein Leitungsstück 50 bzw. 52 elektrisch parallel geschaltet sind. Diese beiden Schienenstücke 46 und 48 sind räumlich pa ^¬ rallel mit minimalem Abstand zueinander angeordnet. Der Wert dieses Abstandes wird bestimmt von den Grenzwerten für Luft- und Kriechstrecken. Jeweils ein Schienenstück 46 bzw. 48 und ein Leitungsstück 50 bzw. 52 sind elektrisch parallel ge- schaltet. In Abhängigkeit eines gewünschten Wertes für die

Induktivität des Leitungsstückes 50 bzw. 52 und damit für den zweiten Strompfad ist dieses Leitungsstück 50 bzw. 52 als Spule mit wenigstens einer Windung, insbesondere als Luftspu ^¬ le, ausgebildet. Jedes Ende eines Leitungsstückes 50 bzw. 52 weist ein Anschlussstück 54, 56 bzw. 58, 60 auf, die elekt ^¬ risch mit den Schienenstücken 46 bzw. 48 elektrisch leitend verbunden sind. Die Schienenstücke 46 und 48 sind jeweils aus Edelstahl, wodurch der Strompfad durch diese Schienenstücke 46 und 48 einen höheren elektrischen Widerstandswert auf- weist. Der Abstand dieser beiden Schienenstücke 46 und 48 zu ^¬ einander bestimmt den Induktivitätswert des Strompfades durch diese Schienenstücke 46 und 48. Für die Leitungsstücke 50 und 52 sind Kupferleitungen, insbesondere Bandleiter aus Kupfer, vorgesehen. Dadurch weist der Strompfad durch diese Leitungs- stücke 50 und 52 einen geringeren Widerstandswert auf. Durch diese Gestaltung des Dämpfungselementes erhält man zwei Strompfade, wobei ein erster Strompfad niederinduktiv ist und einen höheren elektrischen Widerstandsstand aufweist, und wo ^¬ bei ein zweiter Strompfad höher induktiv ist und einen gerin- geren elektrischen Widerstand aufweist.

Durch die Ausgestaltung des Dämpfungselementes fließt der hochfrequente Stromanteil des Zwischenstromkreises durch den ersten Strompfad, wogegen der Gleichstromanteil und der dop- pelt netzfrequente Stromanteil des Zwischenkreisstromes durch den zweiten Strompfad fließt. Da nur der erste Strompfad ei ^¬ nen höheren elektrischen Widerstand aufweist, wird nur der durch diesen Strompfad fließende Stromanteil gedämpft. Der

Stromanteil, der zur Energieübertragung zwischen den beiden Spannungszwischenkreisen des Stromrichters mit mehreren verteilten Spannungszwischenkreisen fließt, bleibt davon unberührt, da dieser durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Dämpfungselementes nur im zweiten Strompfad fließt. Durch die Verwendung von Schienenstücken 46 und 48 für einen Strompfad des Dämpfungselementes nach der Erfindung, kann dieses Dämp ^¬ fungselement ohne großen Aufwand in eine Verschienung des Spannungszwischenkreis-Umrichters mit mehreren verteilten Spannungszwischenkreisen integriert werden, wobei die elektrischen Anschlussstücke 54, 58 und 56, 60 jeweils die elekt ^¬ rische Verbindung zwischen den Schienenstücken 46 und 48 und korrespondierenden Stromschienen der Verschienung eines Spannungszwischenkreis-Umrichters mit verteilten Spannungszwi- schenkreisen herstellen.

Ein Ersatzschaltbild eines Stromrichters mit zwei verteilten Spannungszwischenkreisen und eines erfindungsgemäßen Dämpfungselementes ist in der Fig. 6 näher dargestellt. In diesem Ersatzschaltbild sind die beiden Strompfade des Dämpfungsele ^¬ mentes nach der Erfindung einzeln dargestellt. Der Strompfad 62 mit dem kleineren Widerstand und der höheren Induktivität ist für Ströme mit niedrigen Frequenzen passierbar, wogegen der Strompfad 64 mit dem größeren Widerstand und der niedri- geren Induktivität nur für Ströme mit höheren Frequenzen passierbar ist. Dadurch wird nur der Stromanteil mit höheren Frequenzen gedämpft.

In der Fig. 7 sind in einem Diagramm über der Frequenz f die Kondensatorströme ± _c2 , ic4r ICH und i _C s eines Stromrichters mit einem erfindungsgemäßen Dämpfungselement veranschaulicht. Die gedämpften Stromverläufe der Kondensatorströme ± _c2 , ic4r ICH und i _C s sind gestrichelt eingetragen. Gegenüber einer Ausfüh ^¬ rungsform eines Stromrichters mit zwei verteilten Spannungs- zwischenkreisen und zwei Dämpfungsnetzwerken 34 und 36 wird bei der Ausführungsform dieses Stromrichters mit einem erfindungsgemäßen Dämpfungselement der Stromanteil mit einer höhe ^¬ ren Frequenz wesentlich mehr gedämpft. Dadurch werden die

Kondensatoren 10, 12, 24 und 28 wesentlich weniger thermisch zusätzlich belastet, wodurch jeweils die Kapazitäten der Kondensatoren 10, 12, 24 und 28 in Bezug auf den Effektivstrom des Spannungszwischenkreises des Stromrichters mit zwei ver ^¬ teilten Spannungszwischenkreisen nicht mehr überdimensioniert werden müssen.