Antriebssystem für ein Schienenfahrzeug Die Erfindung bezieht sich auf ein Antriebssystem für ein Schienenfahrzeug .

Aus der Veröffentlichung mit dem Titel "15kV/16.7Hz Energy Supply System with Medium Frequency Transformer and 6.5kV IGBTs in Resonant Operation" von B. Engel, M. Victor, G.

Bachmann, A. Falk, veröffentlicht im Konferenzband der EPE 2003 in Toulouse, ist ein Antriebssystem für ein Schienenfahrzeug bekannt, das netzseitig eine kaskadierte Stromrich ^¬ tereinheit, einen Mittelfrequenz-Transformator und einen Aus- gangsstromrichter aufweist, der gleichspannungsseitig mit An ^¬ schlüssen eines lastseitigen selbstgeführten Stromrichters verknüpft ist, an dessen wechselspannungsseitigen Anschlüssen ein Drehstrommotor angeschlossen ist. Diese kaskadierte

Stromrichtereinheit weist eine Vielzahl von Kaskadenmodulen auf, die wechselspannungsseitig zwischen einem Fahrdraht/

Stromabnehmer-System und einem Rad/Schiene-System elektrisch in Reihe geschaltet sind. Jedes Kaskadenmodul weist netzsei ^¬ tig einen Vierquadrantensteller auf. Mittels dieser kaska- dierten Stromrichtereinheiten wird via einer Netzdrossel eine relativ hohe Wechselspannung zwischen Fahdraht/Stromabnehmer- System und Rad/Schiene-System entsprechend der Anzahl der Kaskadenmodule aufgeteilt, so dass jeder Vierquadrantenstel ^¬ ler eines Kaskadenmoduls mit handelsüblichen abschaltbaren Leistungshalbleitern, insbesondere Insulated-Gate-Bipolar- Transistoren (IGBT), bestückt werden kann. Transformatorsei- tig weist jedes Kaskadenmodul eine Halbbrücke, eine Reihen ^¬ schaltung zweier Kondensatoren und einen Serienkondensator auf. Diese Reihenschaltung ist elektrisch parallel zur Halbbrücke geschaltet, wobei der Serienkondensator mit einem Ver- bindungspunkt der beiden Kondensatoren verknüpft ist. Die beiden Ausgangsanschlüsse eines jeden Kaskadenmoduls werden einerseits vom freien Ende des Serienkondensators und ande ^¬ rerseits vom wechselspannungsseitigen Ausgangsanschluss, auch als Lastanschluss bezeichnet, der Halbbrücke gebildet. An diesen Ausgangsanschlüssen eines jeden Kaskadenmoduls ist eine Primärwicklung des Mittelfrequenz-Transformators ge ^¬ schaltet, der nur eine Sekundärwicklung aufweist. An den An- Schlüssen dieser Sekundärwicklung ist der Ausgangsstromrichter angeschlossen. Als Ausgangsstromrichter ist ein Vierquadrantensteller vorgesehen, deren gleichspannungsseitige Anschlüsse ein Zwischenkreis-Kondensator elektrisch parallel geschaltet ist. Diese gleichspannungsseitigen Anschlüsse sind ebenfalls mit gleichspannungsseitigen Anschlüssen des last- seitigen selbstgeführter Pulsstromrichters verbunden. Die Transformatorfrequenz des Mittelfrequenz-Transformators in Höhe von 5kHz ist ein technisch realistischer Kompromiss zwischen Volumen und Gewicht des Mittelfrequenz-Transformators und den Schaltverlusten der abschaltbaren Leistungshalbleiter eines jeden Kaskadenmoduls und des Ausgangsstromrichters.

Aus der Veröffentlichung mit dem Titel "Medium Frequency To- pology in Railway Applications" von Dr. Michael Steiner und Dr. Harry Reinold, abgedruckt im Konferenzband der European Conference of Power Electronics and Applications, Aalborg, 2007 ist ebenfalls ein Antriebssystem für ein Schienenfahrzeug bekannt, das netzseitig eine Vielzahl von Stromrichter- Gruppen und lastseitig zwei selbstgeführte Pulsstromrichter aufweist, an denen jeweils zwei Drehstrommotoren angeschlos ^¬ sen sind. Jede Stromrichter-Gruppe weist netzseitig einen Vierquadrantensteller auf, dem gleichspannungsseitig ein Se- rienresonanz-DC/DC-Wandler in Vollbrückenschaltung nachgeschaltet ist. Jeder Serienresonanz-DC/DC-Wandler weist einen einphasigen Mittelfrequenz-Transformator auf. Die gleichspannungsseitigen Ausgänge eines jeden Serienresonanz-DC/DC-Wand- lers bilden die Ausgänge einer jeden Stromrichter-Gruppe, die elektrisch parallel geschaltet sind. Netzseitig sind die Vierquadrantensteller der Stromrichter-Gruppen elektrisch in Reihe geschaltet. Dadurch wird eine Gegenspannung zur Netzwechselspannung gleichmäßig in Teilspannungen aufgeteilt. Bei einer maximalen Amplitude einer Netzwechselspannung von 15kV werden bei der Verwendung von handelsüblichen abschaltbaren Leistungshalbleitern beispielsweise wenigstens acht Strom ^¬ richter-Gruppen benötigt, wodurch ebenfalls acht Mittelfre ^¬ quenz-Transformatoren vorhanden sind. Soll dieses Antriebssystem für ein Schienenfahrzeug neben ei ^¬ ner Wechselspannungseinspeisung auch mit einer Netzgleichspannung betrieben werden, so kann eine von zwei Netzgleichspannungen, nämlich 1,5 kV oder 3kV, direkt mit einem das netzseitige Stromrichtersystem und die beiden lastseitigen selbstgeführten Stromrichter verbindenden Spannungszwischenkreis zugeführt werden. Welche Netzgleichspannung zugeführt werden kann, hängt von der Spannung des Spannungszwischenkreises ab, die von den im selbstgeführten Stromrichter verwendeten abschaltbaren Leistungshalbleitern, insbesondere IGBTs, ab. Werden 3,3kV-IGBTs verwendet, beträgt die Amplitu ^¬ de der Zwischenkreisspannung l,5kV. Werden dagegen 6.5kV- IGBTs verwendet, so beträgt die Amplitude der Zwischenkreis ^¬ spannung des Spannungszwischenkreises 3kV. Somit kann nur ei ^¬ ne von zwei vorhandenen Netzgleichspannungen verwendet wer- den, um direkt in den Zwischenkreis einzuspeisen. In der zuvor genannten Veröffentlichung wird nur Bezug genommen auf ein Bahngleichspannungssystem mit einer Amplitude von 3kV.

Aus der Veröffentlichung "Power Electronics Traction Trans- former" von Nicolas Hugo, Philippe Stefanutti, Marc Pellerin und Alper Akdag, abgedruckt im Konferenzband der European Conference of Power Electronics and Applications (EPE) , Aal ^¬ borg 2007, ist ein weiteres Antriebssystem für ein Schienenfahrzeug bekannt, dessen netzseitiges Stromrichtersystem sechszehn Matrixumrichter jeweils mit vier bidirektionalen

Leistungsschaltern aufweist. Diese Matrixumrichter sind netz- seitig zwischen einem Fahrdraht/Stromabnehmer-System und einem Rad/Schiene-System elektrisch in Reihe geschaltet. Aus- gangsseitig ist jeder Matrixumrichter mittels eines einphasi- gen Mittelfrequenz-Transformators mit wechselspannungsseiti- gen Anschlüssen eines Ausgangsstromrichters verknüpft.

Gleichspannungsseitig sind diese Ausgangsstromrichter elekt ^¬ risch parallel geschaltet, denen ein Kondensator, insbeson- dere ein Zwischenkreis-Kondensator, eines Spannungszwischenkreises elektrisch parallel geschaltet ist. An diesen beiden gleichspannungsseitigen Anschlüssen des netzseitigen Stromrichtersystems des Antriebssystems für ein Schienenfahrzeug ist ein lastseitiger selbstgeführter Pulsstromrichter mit einem Antriebsmotor, insbesondere einem Drehstrommotor, angeschlossen. Diese maschinenseitigen Komponenten sind in dieser Veröffentlichung nicht explizit dargestellt. Aus der EP 0 820 893 A2 ist ein Antriebssystem für ein Schienenfahrzeug bekannt, das netzseitig mehrere, zwischen einem Fahrdraht/Stromabnehmer-System und einem Rad/Schiene-System über eine Drossel elektrisch in Reihe geschalteten Teilstromrichtersystemen aufweist. Jedes Teilstromrichtersystem be- steht aus mindestens einem netzseitigen Vierquadrantenstel- ler, mindestens einem primärseitigen Zwischenkreis-Kondensa ^¬ tor, mindestens einem primärseitigen Wechselrichter und mindestens einem Mittelfrequenz-Transformator. Sekundärseitig weist jedes Teilstromrichtersystem einen Vierquadrantenstel- 1er auf, die gleichspannungsseitig elektrisch parallel ge ^¬ schaltet sind, und somit einen gemeinsamen sekundärseitigen Gleichspannungs-Zwischenkreis des Antriebssystems bilden. An diesem sekundärseitigen Gleichspannungs-Zwischenkreis sind entsprechend der Anzahl anzutreibender Antriebsmotoren Ma- schinenstromrichter angeschlossen. Mit Hilfe einer Vielzahl von Teilstromrichtersystemen wird eine relativ hohe Wechselspannung zwischen Fahrdraht/Stromabnehmer-System und

Rad/Schiene-System entsprechend der Anzahl dieser Teilstromrichtersysteme derart aufgeteilt, dass Halbleiterschalter üb- licher Spannungsfestigkeit verwendet werden können.

Dieser EP-Offenlegungsschrift kann außerdem entnommen werden, dass dieses vorgeschlagene Antriebssystem auch zu einer Mehrsystem-Schaltung erweitert werden kann, welche durch Umgrup- pierungen von einzelnen Komponenten des Antriebssystems an unterschiedlichen Netzen betrieben werden kann. Welche Komponenten wie umgruppiert werden müssen, damit dieses Antriebs- System für ein Schienenfahrzeug mehrsystemfähig wird, kann dieser EP-Offenlegungsschrift nicht entnommen werden.

Aus der EP 1 226 994 A2 ist ebenfalls ein Antriebssystem für ein Schienenfahrzeug bekannt, das neben einer Netzwechsel ^¬ spannung außerdem von einer Netzgleichspannung in Höhe von l,5kV oder 3kV gespeist werden kann. Gemäß der FIG 8 dieser EP-Offenlegungsschrift wird eine niedrige Netzgleichspannung in Höhe von l,5kV mittels eines Schaltgeräts direkt mit den gleichspannungsseitigen Ausgängen des Ausgangs-Stromrichters der netzseitigen Einspeisevorrichtung verknüpft. An diesen Ausgängen ist mittels eines Gleichspannungs-Zwischenkreises ein lastseitiger selbstgeführter Stromrichter des Traktionsstromrichters gleichspannungsseitig angeschlossen. Mittels des Schaltgeräts wird eine positive Potentialschiene des

Gleichspannungs-Zwischenkreises mittels eines Stromabnehmers mit einer Netzgleichspannung von beispielsweise l,5kV, die an einer Fahrleitung ansteht, verbunden. Eine negative Potenti ^¬ alschiene ist mit einem Antriebsrad eines schienengebundenen Fahrzeugs, das mittels einer Schiene geerdet ist, verbunden. Durch eine Umkonfigurierung der Stromrichter-Gruppen der netzseitigen Einspeisevorrichtung von einer Reihenschaltung in eine Parallelschaltung kann diese Schaltung auch an eine Netzgleichspannung von 3kV betrieben werden. Dieser Trakti- onsstromrichter kann an Wechselspannungen von 15kV, 16.7Hz oder 25kV, 50Hz und an einer Gleichspannung von l,5kV oder 3kV betrieben werden. Nachteil dieses Mehrsystem-Traktions ^¬ stromrichters besteht darin, dass für einen Betrieb an einer Netzgleichspannung mit einer Netzamplitude in Höhe von 3kV eine Vielzahl von mechanischen Schaltern verwendet werden muss, um die Stromrichter-Gruppen dieser netzseitigen Einspeisevorrichtung von einer Reihenschaltung in eine Parallelschaltung umzukonfigurieren . Beträgt die Amplitude einer Zwischenkreisspannung eines Traktionsstromrichters 3kV, werden als abschaltbare Leistungs ^¬ halbleiterschalter eines lastseitigen selbstgeführten Pulsstromrichters 6.5kV-IGBTs verwendet, wogegen bei einer Ampli- tude der Zwischenkreisspannung in Höhe von l,5kV 3.3kV-IGBTs verwendet werden. Beträgt die Amplitude einer Zwischenkreis ^¬ spannung 3kV oder l,5kV, kann dieses bekannte Antriebssystem für ein Schienenfahrzeug, dessen netzseitiges Stromrichter- System auch als Mittelfrequenz-Energieversorgung für ein

Schienenfahrzeug bezeichnet wird, nicht an allen vier Bahn ^¬ systemen mit Direkteinspeisung in einen Spannungszwischenkreis des Antriebssystems im Gleichspannungsbetrieb betrieben werden, so dass es sich bei diesem Traktionsstromrichter nicht um einen Mehrsystem-Traktionsstromrichter mit voller Mehrsystemfähigkeit handelt.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Antriebs ^¬ system für ein Schienenfahrzeug anzugeben, das ohne großen Aufwand derart umgruppiert werden kann, damit dieses An ^¬ triebssystem voll mehrsystemfähig ist.

Diese Aufgabe wird mit einem Antriebssystem gemäß Anspruch 1 erfindungsgemäß gelöst.

Dadurch, dass ein netzseitiges Einspeisesystem des erfindungsgemäßen Antriebssystems in zwei Teilstromrichtersysteme unterteilt ist, wobei jedes Teilstromrichtersystem n AC/AC- Umrichter, ein Mittelfrequenz-Transformatorsystem mit jeweils k Mittelfrequenz-Transformatoren, die jeweils n Primärwicklungen und j Sekundärwicklungen, und ein lastseitiges Stromrichtersystem mit wenigstens einem AC/DC-Stromrichter aufweist, und dass die netzseitige elektrisch in Reihe geschal ^¬ teten AC/AC-Umrichter der beiden Teilstromrichtersysteme mit- tels einer Filterdrossel und eines Schaltgeräts kurzschließ ^¬ bar sind, wird eine von einer Last geforderte Leistung beim Betrieb an einer Netzgleichspannungs-Einspeisung aus diesem speisenden Gleichspannungsnetz mittels eines ersten Teilstromrichtersystems zur gebildeten Kurzschlussmasche und von dort mittels des zweiten Teilstromrichtersystems zum Span ^¬ nungszwischenkreis des Antriebssystems geführt, die dann mit ^¬ tels eines lastseitigen selbstgeführten Stromrichters wenigs ^¬ tens einem Antriebsmotor zugeführt wird. Damit ein Symmetrie- render Ausgleich stattfinden kann, werden die AC/AC-Umrichter netzseitig derart gesteuert, dass diese eines jeden Teil ^¬ stromrichtersystems jeweils eine Gleichspannung generiert, die amplitudenmäßig gleich, aber entgegengesetzter Polarität sind. Damit eine gewünschte Leistung von einem Teilstromrichtersystem mittels der Kurzschlussmasche auf das zweite Teil ^¬ stromrichtersystem übertragen werden kann, wird der Strom durch die Filterdrossel in der Kurzschlussmasche entsprechend geregelt. Bezogen auf die Leistung wirkt das eine Teilstrom- richtersystem des erfindungsgemäßen Antriebssystems als Quelle, wogegen sein zweites Teilstromrichtersystem als Senke wird .

Gleichspannungsseitig weisen diese beiden Teilstromrichter- Systeme jeweils ein lastseitiges Stromrichtersystem mit we ^¬ nigstens einem AC/DC-Stromrichter auf. In Abhängigkeit der Spannung im Zwischenkreis des Antriebssystems und einer an ^¬ stehenden Netzgleichspannung können nun diese beiden lastsei- tigen Stromrichtersysteme mittels einer Schaltgeräte-Einheit mit dem lastseitigen selbstgeführter Stromrichter auf einfache Weise verknüpft werden.

Somit erhält man mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung eines Antriebssystems für ein Schienenfahrzeug ein mehrsystem- fähiges Antriebssystem, wobei in Abhängigkeit einer anstehenden Netzspannung dieses Antriebssystem auf diese Netzspannung einfach konfigurierbar ist.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Komponenten des erfin- dungsgemäßen Antriebssystems für ein Schienenfahrzeug sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Zur weiteren Erläuterung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der mehrere Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Antriebssystems schematisch veranschaulicht sind.

FIG 1 zeigt ein Ersatzschaltbild eines erfindungsge ^¬ mäßen Antriebssystems, die FIG 2 bis 6 zeigen unterschiedlichen Ausführungsformen

zweier Komponenten des Antriebssystems nach FIG 1 , die

FIG 7 bis 10 zeigen jeweils ein Prinzipschaltbild des erfin- dungsgemäßen Antriebssystems nach FIG 1 an unterschiedlichen Netzgleichspannungen und unterschiedlichen Zwischenkreisspannungen, und in den

FIG 11 bis 16 sind Ausführungsformen des erfindungsgemäßen

Antriebssystems nach FIG 1 näher dargestellt.

In FIG 1 ist ein Ersatzschaltbild eines Antriebssystems für ein Schienenfahrzeug nach der Erfindung veranschaulicht. Die ^¬ ses Antriebssystem weist netzseitig ein zwei Teilstromrich- tersysteme 2 und 4 aufweisendes Einspeisesystem und lastsei- tig einen selbstgeführten Stromrichter 6 auf. An den wechsel- spannungsseitigen Ausgängen dieses Pulsstromrichters 6 ist ein Antriebsmotor 8, insbesondere ein Drehstrommotor, angeschlossen. Die gleichspannungsseitigen Anschlüsse 10,12 und 14,16 der beiden Teilstromrichtersysteme 2 und 4 sind mittels einer Schaltgeräte-Einheit 18 mit gleichspannungsseitigen Anschlüssen 20,22 des maschinenseitigen Pulsstromrichters 6 verbindbar, wobei ein weiterer Eingang dieser Schaltgeräte- Einheit 18 mittels eines Schalters 24, einer Filterdrossel 26 und eines Stromabnehmers 28 mit einem Fahrdraht 30 verknüpf ^¬ bar ist, an dem eine Netzgleichspannung ansteht.

Jedes Teilstromrichtersystem 2 bzw. 4 weist n AC/AC-Umrichter 32i,..., 32 ₂ bzw. 34i, 34 _n , wobei n eine durch zwei teilbare ganze Zahl ist, ein Mittelfrequenz-Transformatorsystem 36 bzw. 38 mit k Mittelfrequenz-Transformatoren, die jeweils n Primärwicklungen 40 und j Sekundärwicklungen 42 aufweisen, und ein lastseitiges Stromrichtersystem 44 bzw. 46 mit wenigstens einem AC/DC-Stromrichter 48 auf. Mittels der k Mit- telfrequenz-Transformatoren des Mittelfrequenz-Transformatorsystems 36 bzw. 38 sind die n AC/AC-Umrichter mit dem last- seitigen Stromrichtersystem 44 bzw. 46 potentialtrennend verknüpft. Die n AC/AC-Umrichter 32i,...,32 _n und 34i,...,34 _n der bei- den Teilstromrichtersysteme 2 und 4 sind netzseitig elek ^¬ trisch in Reihe geschaltet. Diese netzseitige Reihenschaltung dieser 2n AC/AC-Umrichter 32i,...,32 _n und 34i,...,34 _n ist einer ^¬ seits mittels einer Filterdrossel 50, eines Schalters 52 und eines Stromabnehmers 54 mit einem Fahrdraht 56, an dem eine Wechselspannung ansteht, und andererseits mittels eines An ^¬ triebsrads 58 eines schienengebundenen Fahrzeugs elektrisch leitend verbindbar, das mittels einer Schiene 60 geerdet ist.

Neben dieser zweiteiligen Ausführung des netzseitigen Einspeisesystems weist das Antriebssystem nach der Erfindung ein Schaltgerät 62 auf, mit dem die Filterdrossel 50 elektrisch parallel zur Reihenschaltung der 2n AC/AC-Umrichter 32i,...,32 _n und 34i,...,34 _n der beiden Teilstromrichtersysteme 2 und 4 ge ^¬ schaltet werden kann. Dadurch ist eine Kurzschlussmasche 64 auf der Hochspannungsseite des netzseitigen Einspeisesystems des Antriebssystems nach der Erfindung entstanden. Im Gleichspannungsbetrieb dieses Antriebssystems für ein Schienenfahr ^¬ zeug sind der Schalter 24 und das Schaltgerät 62 geschlossen, wobei der Schalter 52 geöffnet ist.

Als AC/AC-Umrichter 32i,...,32 _n bzw. 34i, 34 _n , können aus den eingangs genannten Entgegenhaltungen bekannte Umrichter verwendet werden. Ausführungsformen des Mittelfrequenz-Transfor- matorsystems 36 bzw. 38 und des lastseitigen Stromrichtersys ^¬ tems 44 bzw. 46 sind den FIG 2 bis 6 zu entnehmen, wobei n=4, k=4,2,l und j=4,2,l gewählt worden sind. Die Variablen n, k und j sind ganze Zahlen, wobei die Variable k ein ganzzahli ^¬ ger Teiler der Variablen n ist.

Gemäß FIG 2 weist eine erste Ausführungsform des Mittelfre ^¬ quenz-Transformatorsystems 36 bzw. 38 entsprechend der Anzahl der AC/AC-Umrichter 32i,...,32 _n bzw. 34i,...,34 _n k einphasige Mit ^¬ telfrequenz-Transformatoren mit k=n auf, die jeweils eine Primär- und Sekundärwicklung 40 und 42 aufweisen. Das dem

Mittelfrequenz-Transformatorsystem 36 bzw. 38 nachgeschaltete lastseitige Stromrichtersystem 44 bzw. 46 weist in dieser Ausführungsform j AC/AC-Umrichter 66i, 66 _j=n mit j=n auf, die gleichspannungsseitig elektrisch parallel geschaltet sind. Elektrisch parallel zu diesen beiden Anschlüssen der j sekun- därseitig elektrisch parallel geschalteten AC/AC-Stromrichter 661, 66j _=n ist ein Kondensator 68 geschaltet.

In der Ausführungsform gemäß FIG 3 sind die j Sekundärwicklungen 42 der k einphasigen Mittelfrequenz-Transformatoren elektrisch parallel geschaltet, wodurch das Mittelfrequenz- Transformatorsystem 36 bzw. 38 zwei wechselspannungsseitige Anschlüsse 70 und 72 aufweist, an denen das lastseitige

Stromrichtersystem 44 bzw. 48 wechselspannungsseitig ange ^¬ schlossen ist. Durch die Parallelschaltung der j Sekundärwicklungen 42 wird beim lastseitigen Stromrichtersystem 44 bzw. 48 nur noch ein AC/DC-Stromrichter 48 benötigt. Gleich- spannungsseitig ist ebenfalls ein Kondensator 68 vorgesehen.

Gemäß der Ausführungsform der FIG 4 weist jedes Mittelfre ^¬ quenz-Transformatorsystem 36 bzw. 38 jeweils k=2 Mittelfrequenz-Transformatoren auf, die jeweils n/k Primärwicklungen 40 und eine (j=l) Sekundärwicklung 42 aufweisen. Das dem Mit ^¬ telfrequenz-Transformatorsystem 36 bzw. 38 nachgeschaltete lastseitige Stromrichtersystem 44 bzw. 46 weist bei dieser Ausführungsform des Mittelfrequenz-Transformatorsystems 36 bzw. 38 zwei AC/DC-Stromrichter 74i und 74 ₂ auf, die gleich- spannungsseitig elektrisch parallel geschaltet sind. Elekt ^¬ risch parallel zu den beiden gleichspannungsseitigen Anschlüssen des lastseitigen Stromrichtersystems 44 bzw. 46 ist ebenfalls ein Kondensator 68 geschaltet. Die Ausführungsform des Mittelfrequenz-Transformatorsystems 36 bzw. 38 gemäß FIG 5 unterscheidet sich von der Ausfüh ^¬ rungsform gemäß FIG 4 dadurch, dass die j=2 Sekundärwicklungen 42 der k=2 Mittelfrequenz-Transformatoren elektrisch parallel geschaltet sind. Außerdem wird anstelle zweier

AC/DC-Stromrichter 74i und 74 ₂ hier nur noch ein AC/DC-Stromrichter 48 benötigt. Auch diesem AC/DC-Stromrichter 48 ist gleichspannungsseitig ein Kondensator 68 parallel geschaltet. In der Ausführungsform gemäß FIG 6 weist das Mittelfrequenz- Transformatorsystem 36 bzw. 38 einen (k=l) Mittelfrequenz- Transformator mit n Primärwicklungen 40 und einer (j=l) Sekundärwicklung 42 auf. Da nur eine Sekundärwicklung 42 vorge- sehen ist, wird als lastseitiges Stromrichtersystem 44 bzw. 46 nur ein AC/DC-Stromrichter 48 benötigt, dem gleichspan- nungsseitig ein Kondensator 68 elektrisch parallel geschaltet ist. Das heißt, dieses lastseitige Stromrichtersystem 44 bzw. 48 entspricht in der Ausführungsform funktional dem lastsei- tigen Stromrichtersystem 44 bzw. 48 der Ausführungsform gemäß FIG 3.

Die in den Ausführungen der FIG 2 bis 6 gezeigten AC/DC-Um- richter 48, 66i, 66 _n , 74i und 74 ₂ können entsprechend dem in den eingangs genannten Entgegenhaltungen dargestellten AC/DC- Stromrichter aufgebaut sein. Diese AC/DC-Stromrichter des lastseitigen Stromrichtersystems 44 bzw. 46 werden als Vier- quadrantensteller bezeichnet. Mittels dieser AC/DC-Stromrichter 48, 66i, 66 _n , 74i und 74 ₂ wird aus einer Wechselspannung eine Gleichspannung generiert, die vom Kondensator 68 gestützt wird.

In der Entgegenhaltung von Dr. Steiner und Dr. Reinold wird der transformatorseitige Stromrichter des AC/AC-Umrichters, der Mittelfrequenz-Transformator und der AC/DC-Stromrichter des lastseitigen Stromrichtersystems als serienresonanter DC- DC-Umrichter in Vollbrücken-Konfiguration bezeichnet. Dadurch weist in dieser Veröffentlichung jedes Teilstromrichtersystem eines netzseitigen Einspeisesystems eines Antriebssystems für ein Schienenfahrzeug einen wechselspannungsseitigen Vierquad- rantensteller mit nachgeschaltetem Serienresonanz-DC-DC-Um- richter auf, wobei die Vierquadrantensteller eingangsseitig elektrisch in Reihe und die Serienresonanz-DC-DC-Umrichter lastseitig elektrisch parallel geschaltet sind.

Damit das Antriebssystem nach der Erfindung ohne großen Aufwand auch mit einer von zwei Gleichspannung gespeist werden kann, muss die Anzahl der benötigten AC/AC-Umrichter des netzseitigen Einspeisesystems durch zwei teilbar sein, damit diese AC/AC-Umrichter gleichmäßig auf zwei Teilstromrichtersysteme aufgeteilt werden können. Dadurch generieren diese beiden Teilstromrichtersysteme jeweils eine Gleichspannung in der Kurzschlussmasche 64, die amplitudenmäßig gleich, aber entgegengesetzt polarisiert sind. In Abhängigkeit einer

Stromregelung des Stroms in der Kurzschlussmasche 64 wird die mittels der Kurzschlussmasche 64 reflektierte Leistung einge ^¬ stellt .

Bei einer Gleichspannungseinspeisung bei einem Antriebssystem wird zwischen vier Spannungskombinationen unterschieden. Diese vier Spannungskombinationen sind bei einem Antriebssystem für ein Schienenfahrzeug nach der Erfindung in den FIG 7 bis 10 schematisch veranschaulicht. In den FIG 7 bis 10 sind die n AC/AC-Umrichter 32i,...,32 _n des Teilstromrichtersystems 2 und die n AC/AC-Umrichter 34i,...,34 _n des Teilstromrichtersystems 4 jeweils durch einen AC/AC-Umrichter 32 und 34 dargestellt. Außerdem ist als AC/AC-Umrichter ein einphasiger Spannungs- zwischenkreis-Umrichter vorgesehen, der netzseitig einen

Vierquadrantensteller 76 und transformatorseitig einen Wechselrichter 78 aufweist, die gleichspannungsseitig mittels ei ^¬ nes Spannungszwischenkreises mit einem Stützkondensator, der hier nicht näher dargestellt ist, miteinander verknüpft sind. Gleichspannungsseitig sind die beiden Teilstromrichtersysteme 2 und 4 mittels der Schaltgeräte-Einheit 18 mit gleichspan- nungsseitigen Anschlüssen 20, 22 des lastseitigen selbstgeführten Stromrichters 6 verknüpfbar. In der FIG 7 steht am Fahrdraht 30 eine Netzgleichspannung mit einem Spannungswert von 3kV an. Im Spannungszwischenkreis des Antriebssystems und damit an den gleichspannungsseitigen Anschlüssen 20, 22 des lastseitigen Pulsstromrichters 6 steht eine Gleichspannung in Höhe von l,5kV an, die der Hälfte der Netzgleichspannung entspricht. Die Schaltgeräte-Einheit 18 weist in der FIG 7 zwei Schaltgeräte 80 und 82 auf, die je ^¬ weils als Umschaltgeräte ausgeführt sind. Das Umschaltgerät 80 ist eingangsseitig mit einem netzseitigen Gleichspannungs- anschluss 12 des lastseitigen Stromrichtersystems 44 verbun ^¬ den, wobei sein erster Ausgang mit dem Antriebsrad 58 und sein zweiter Ausgang mit einem Eingang des zweiten Umschaltgeräts 82, der ebenfalls mit dem positiven Gleichspannungsan- schluss 14 des lastseitigen Stromrichtersystems 46 des zwei ^¬ ten Teilstromrichtersystems 4 verknüpft ist. Der erste Aus ^¬ gang dieses Umschaltgeräts 82 ist einerseits mit dem Schalter 24 verknüpft, der bei Gleichspannungseinspeisung geschlossen ist, und andererseits mit dem positiven Gleichspannungsan- schluss 10 des lastseitigen Stromrichtersystems 44 des ersten Teilstromrichtersystems 2 verknüpft. Der gleichspannungssei ^¬ tige Anschluss 20 des lastseitigen selbstgeführten Stromrichters 6 ist direkt mit dem gleichspannungsseitigen Anschluss 14 des lastseitigen Stromrichtersystems 46 des zweiten Teil- Stromrichtersystems 4 des Antriebssystems verknüpft. Der gleichspannungsseitige Anschluss 22 des lastseitigen selbst ^¬ geführten Stromrichters 6 ist einerseits direkt mit dem gleichspannungsseitigen Anschluss 16 des lastseitigen Stromrichtersystems 46 des zweiten Teilstromrichtersystems 4 und andererseits mittels des Umschaltergerätes 84 mit dem An ^¬ triebsrad 58 verbunden. Diese beiden Umschaltgeräte 80 und 82 befinden sich in der Darstellung der FIG 7 jeweils im Schaltzustand I. Das Umschaltgerät 62 ist ebenfalls geschlossen, damit eine vom speisenden Gleichspannungsnetz eingespeiste Leistung mittels Kurzschlussmasche 64 reflektiert werden kann .

In der FIG 8 entspricht die am Fahrdraht 30 anstehende Netz ^¬ gleichspannung der Zwischenkreisspannung des Antriebssystems. Diese Spannung beträgt l,5kV. Bei dieser Spannungskombination befindet sich das Umschaltgerät 80 in einer neutralen Stel ^¬ lung, wobei sich das Umschaltgerät 82 in der Schalterstellung II befindet. Das Schaltgerät 62 ist bei dieser Gleichspan ^¬ nungskombination nicht geschlossen, da hier die Netzgleich- Spannung direkt im Spannungszwischenkreis eingespeist wird.

Alternativ kann das Schaltgerät 80 in seinem zweiten Schaltzustand II gebracht werden, so dass bei der Taktung der last- seitigen Stromrichtersystemen 44 und 46 und der Wechselrichter 78 die Zwischenkreiskapazität der AC/AC-Umrichter

32i,...,32 _n mitgenutzt werden. In der FIG 9 ist eine Konfiguration der beiden Teilstromrichtersysteme 2 und 4 des Antriebssystems und der Schaltgeräte- Einheit 18 bei einer weiteren Spannungskombination dargestellt. Die Netzgleichspannung in Höhe von l,5kV entspricht nur der Hälfte der Zwischenkreisspannung in Höhe von 3kV des Antriebssystems. Außerdem weist die Schaltgeräte-Einheit 18 nur ein Umschaltgerät 86 auf. Eingangsseitig ist dieses Um ^¬ schaltgerät 86 mit dem Antriebsrad 58 verknüpft, wogegen sein erster Ausgang mit dem gleichspannungsseitigen Anschluss 22 des lastseitigen selbstgeführten Stromrichter 6 und dem gleichspannungsseitigen Anschluss 16 des lastseitigen Stromrichtersystems 46 des zweiten Teilstromrichtersystems 4 des Antriebssystems verbunden ist. Sein zweiter Ausgang ist mit dem gleichspannungsseitigen Anschluss 14 des lastseitigen Stromrichtersystems 46 des zweiten Teilstromrichtersystems 4 und mit dem gleichspannungsseitigen Anschluss 12 des lastsei ^¬ tigen Stromrichtersystems 44 des ersten Teilstromrichtersys ^¬ tems 2 verknüpft. Der gleichspannungsseitige Anschluss 20 des lastseitigen selbstgeführten Pulsstromrichters 6 des Antriebssystems ist mit dem gleichspannungsseitigen Anschluss 10 des lastseitigen Stromrichtersystems 44 des ersten Teil ^¬ stromrichtersystems 2 verbunden. Dieser Anschluss 10 ist ebenfalls mittels Schalter 24, Filterdrossel 26 und Stromab ^¬ nehmer 28 mit dem Fahrdraht 30 elektrisch leitend verbunden, an dem eine Netzgleichspannung in Höhe von l,5kV ansteht. Ebenfalls ist das Schaltgerät 62 geschlossen, so dass die Kurzschlussmasche 64 geschaltet ist. Durch diese Schalter ^¬ steller sind die lastseitigen Stromrichtersysteme44 und 46 elektrisch in Reihe geschaltet, während das Erdpotential auf dem Mittelpunktspotential liegt.

In FIG 10 sind die Netzgleichspannung und die Zwischenkreis ^¬ spannung amplitudenmäßig gleich. Bei dieser Spannungskombina ^¬ tion befindet sich das Umschaltgerät 86 in der Schalterstel- lung II und das Schaltgerät 82 ist geschlossen. Durch diese Schalterstellung II des Umschaltgeräts 86 sind die beiden lastseitigen Stromrichtersysteme 44 und 46 elektrisch in Rei ^¬ he geschaltet, so dass sich deren Ausgangsspannungen addie- ren .

Die Schaltgeräte-Einheit 18 gemäß den beiden Ausführungsfor ^¬ men der FIG 9 und 10 weist nur ein Umschaltgerät 86 anstelle von zwei Umschaltgeräten 80 und 82 in den Ausführungsformen der FIG 7 und 8 auf. Dieses Umschaltgerät 86 ersetzt außerdem den Schalter 84, wenn eine Neutralstellung (Leerlauf) vorhanden ist.

Beim Betrieb dieses Antriebssystems für ein Schienenfahrzeug mit einem netzseitigen Einspeisesystem, das zwei Teilstromrichtersysteme aufweist, ist in den in FIG 7, 9 und 10 darge ^¬ stellten Betriebsfällen jeweils der Schalter 52 geöffnet, der Schalter 24 und das Schaltgerät 62 sind geschlossen. Dadurch sind die 2n netzseitigen Vierquadrantensteller 76 der beiden Teilstromrichtersysteme 2 und 4 mittels der Filterdrossel 50 kurzgeschlossen. Eine vom speisenden Netz eingespeiste Leistung wird zur Hälfte mittels des ersten Teilstromrichtersys ^¬ tems 2 auf die Hochspannungsseite geführt, wobei diese in der Kurzschlussmasche auf das zweite Teilstromrichtersystem 4 re- flektiert wird. Dadurch wird diese reflektierte Leistung mit ^¬ tels des zweiten Teilstromrichtersystems 4 wieder auf die mo- torseitige Gleichspannungsseite des Einspeisesystems geführt. Die Vierquadrantensteller 76 der beiden Teilstromrichtersysteme 2 und 4 werden vom selben Strom in der Filterdrossel 50 durchflössen. Durch Gegenkopplung der Spannungen der Vierquadrantensteller 76 der Kurzschlussmasche 64 wird die Sym- metrierungsleistung von den Vierquadrantenstellern 76 des einen Teilstromrichtersystems 2 auf die Vierquadrantensteller 76 des zweiten Teilstromrichtersystems 4 reflektiert. Im Sin- ne geringer Leistungsverluste und größtmöglicher Einfachheit werden die Vierquadrantensteller 76 des ersten Teilstromrichtersystems 2 derart gesteuert, dass an deren Eingangs-An ^¬ schlüssen jeweils eine Gleichspannung Uo ansteht. Gleichzei- tig werden die Vierquadrantensteller 76 des zweiten Teilstromrichtersystems 4 derart gesteuert, dass an deren Ein ^¬ gangs-Anschlüssen ebenfalls jeweils eine Gleichspannung Uo ansteht, die amplitudenmäßig gleich der Gegenspannung der Vierquadrantensteller 76 des ersten Teilstromrichtersystems 2, aber diesem entgegengerichtet ist. Die von den Vierquad- rantenstellern 76 des zweiten Teilstromrichtersystems 4 gene ^¬ rierten Gleichspannungen Uo sind Gegenspannungen zu den von den Vierquadrantenstellern 76 des ersten Teilstromrichtersys- tems 2 generierten Gleichspannungen Uo . Der Strom durch die Filterdrossel 50 wird nun derart gesteuert, dass eine vom speisenden Netz gelieferte symmetrierende Leistung auf die Gleichspannungsseite des Einspeisesystems des Antriebssystems übertragen werden kann. Grundsätzlich lässt sich die Leistung durch netzseitige Spannung und Strom eines jeden Vierquadran- tenstellers 76 der beiden Teilstromrichtersysteme 2 und 4 einstellen, so dass sich unter Umständen eine sehr kleine Anregelzeit der Leistung, beispielsweise bei Leistungsumkehr, ergibt (direkte Steuerung der Spannung Uo , aber nur mittelbar steuerbar der Strom) .

Bezogen auf die Leistungsübertragung von einem speisenden Gleichspannungsnetz zu einer am lastseitigen selbstgeführten Pulsstromrichter 6 angeschlossenen Motor 8, ist für die Über- tragung der halben eingespeisten symmetrierenden Leistung auf die Wechselspannungsseite des netzseitigen Einspeisesystems das erste Teilstromrichtersystem 2 vorgesehen, wobei für dessen RückÜbertragung auf die Gleichspannungsseite des netzsei ^¬ tigen Einspeisesystems das zweite Teilstromrichtersystem 4 vorgesehen ist. Übertragungsmäßig sind diese beiden Teil ^¬ stromrichtersysteme 2 und 4 bei einer Gleichspannungseinspei ^¬ sung mittels der geschalteten Kurzschlussmasche 64 gekoppelt.

In den folgenden Figuren 11 bis 16 sind verschiedene Ausfüh- rungsformen des erfindungsgemäßen Antriebssystems für ein Schienenfahrzeug näher dargestellt. In der Ausführungsform der FIG 11 sind als Mittelfrequenz- Transformatorsysteme 36 und 38 jeweils das Mittelfrequenz- Transformatorsystem gemäß FIG 2 vorgesehen. Die beiden Teilstromrichtersysteme 2 und 4 weisen jeweils eine Vielzahl von AC/AC-Umrichter 32i,...,32 _n und 34i,...,34 _n entsprechend der FIG 7 auf. Die Schaltgeräte-Einheit 18 weist entsprechend der FIG 7 zwei Umschaltgeräte 80 und 82 auf. Bei dem netzseitigen Ein ^¬ speisesystem dieses Antriebssystems sind die AC/AC-Umrichter 32i,...,32 _n und 34i,...,34 _n der beiden Teilstromrichtersysteme 2 und 4 abwechselnd zueinander angeordnet, können aber auch zu einem Teilstromrichtersystem 2 bzw. 4 gehörend gruppiert sein .

Die Ausführungsform des Antriebssystems gemäß FIG 12 ent- spricht im Wesentlichen der Ausführungsform gemäß FIG 11. Der einzige Unterschied besteht darin, dass die Schaltgeräte-Ein ^¬ heit 18 nur das Schaltgerät 86 entsprechend der FIG 9 auf ^¬ weist. Die Ausführungsform des Antriebssystems gemäß FIG 13 kombi ^¬ niert das Mittelfrequenz-Transformatorsystem 36 und 38 gemäß FIG 3 mit der Schaltgeräteeinheit 18 gemäß FIG 9.

In der Ausführungsform gemäß FIG 14 wird jeweils als Mittel- frequenz-Transformatorsystem 36 und 38 der Teilstromrichtersysteme 2 und 4 die Ausführung der FIG 4 verwendet. Als

Schaltgeräte-Einheit 18 ist die Einheit 18 gemäß FIG 7 vorge ^¬ sehen . Bei der Ausführungsform gemäß FIG 15 wird jeweils als Mittel ^¬ frequenz-Transformatorsystem 36 und 38 der beiden Teilstromrichtersysteme 2 und 4 die Ausführungsform der FIG 6 verwendet. Als Schaltgeräte-Einheit 18 ist ebenfalls die Einheit 18 der FIG 7 vorgesehen.

Die Ausführungsform gemäß FIG 16 unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß FIG 15 nur dadurch, dass als Schaltge ^¬ räte-Einheit 18 die Einheit 18 der FIG 9 vorgesehen ist. Die Ausführungsformen gemäß dieser FIG 11 bis 16 sollen lediglich aufzeigen, wie die unterschiedlichen Ausführungsformen eines Mittelfrequenz-Transformators 36 bzw. 38, eines Teilstromrichtersystems 2 bzw. 4 und die beiden Schaltgeräte- Einheiten 18 mit n AC/AC-Umrichter 32i,...,32 _n bzw. 34i,...,34 _n eines Teilstromrichtersystems 2 bzw. 4 miteinander kombiniert werden können.

Anstelle der dargestellten AC/AC-Umrichter 32i bis 32 _n können auch andere aus den eingangs genannten Veröffentlichungen bekannten Ausführungsformen eines AC/AC-Umrichters verwendet werden. Grundlage aller möglicher Kombinationen bildet das skizzierte erfindungsgemäße Antriebssystem gemäß FIG 1. Der wesentliche Aspekt des erfindungsgemäßen Antriebssystems be- steht darin, dass das netzseitige Einspeisesystem des An ^¬ triebssystems zwei Teilstromrichtersysteme 2 und 4 aufweist muss, die zusammen eine durch zwei teilbare Anzahl von AC/AC- Umrichtern aufweisen, die netzseitig elektrisch in Reihe geschaltet sind, und dass diese netzseitig in Reihe geschalte- ten AC/AC-Umrichter bei Gleichspannungsbetrieb mittels der vorhandenen Filterdrossel 50 kurzschließbar sind.