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Patent Searching and Data


Title:
DRIVE SYSTEM FOR A RAIL VEHICLE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2018/024407
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a drive system (1) for a rail vehicle having a transformer (3), a main switch (2) and a grid connection (12), wherein the main switch (2) is arranged between the grid connection (13) and a primary winding (31) of the transformer (3). To improve the drive system, it is proposed that the transformer (3) has a short-circuit voltage (Uk) of no more than 25%, wherein the main switch (2) has a first series circuit (25) comprising at least two power semiconductors (21, 21a, 21b), wherein a first power semiconductor (21a) from the at least two power semiconductors (21) can be used to disconnect a current (I1,forward) through the first series circuit (25) in the direction from the grid connection (12) to the transformer (3), and a second power semiconductor (21b) from the at least two power semiconductors (21) can be used to disconnect a current (I1,return) through the first series circuit (25) in the direction from the transformer (3) to the grid connection (12). Further, the invention relates to a rail vehicle having such a drive system, wherein the grid connection (12) of the drive system (1) is electrically connected to a current collector (8), the rail vehicle being provided for operation in an AC system.

Inventors:
BAKRAN, Mark-Matthias (Josef-Felder-Str. 66, Erlangen, 91052, DE)
LASKA, Bernd (Sudetenring 20, Herzogenaurach, 91074, DE)
NAGEL, Andreas (Gertrude-Neumark-Weg 14, Nürnberg, 90431, DE)
Application Number:
EP2017/065627
Publication Date:
February 08, 2018
Filing Date:
June 26, 2017
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (Werner-von-Siemens-Straße 1, München, 80333, DE)
International Classes:
B60L3/00; B60L3/04; B60L9/00; H02H3/08; H02H3/05; H02H7/125; H02H7/12
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Claims:
Patentansprüche

1. Antriebssystem (1) für ein Schienenfahrzeug aufweisend

- einen Transformator (3) ,

- einen Hauptschalter (2) und

- einen Netzanschluss (12),

wobei der Hauptschalter (2) zwischen dem Netzanschluss (12) und einer Primärwicklung (31) des Transformators (3) angeord¬ net ist,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass

der Transformator (3) eine Kurzschlussspannung (Uk) von maxi¬ mal 25% aufweist, wobei der Hauptschalter (2) eine erste Rei¬ henschaltung (25) von mindestens zwei Leistungshalbleitern (21, 21a, 21b) aufweist, wobei mittels eines ersten Leistungs- halbleiters (21a) der mindestens zwei Leistungshalbleiter (21) ein Strom ( I i , hin ) durch die erste Reihenschaltung (25) in Richtung vom Netzanschluss (12) zum Transformator (3) abschaltbar ist und mittels eines zweiten Leistungshalbleiters (21b) der mindestens zwei Leistungshalbleiter (21) ein Strom ( I i , rück ) durch die erste Reihenschaltung (25) in Richtung vom Transformator (3) zum Netzanschluss (12) abschaltbar ist.

2. Antriebssystem (1) nach Anspruch 1, wobei der Transformator (3) eine Kurzschlussspannung (Uk) im Bereich zwischen 5% und 8% aufweist.

3. Antriebssystem (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei parallel zu der ersten Reihenschaltung (25) von mindestens zwei Leistungshalbleitern (21, 21a, 21b) ein spannungsbe- grenzendes Element (26), insbesondere ein Varistor, angeord¬ net ist.

4. Antriebssystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Hauptschalter (2) einen Trenner (41) aufweist, wobei der Trenner (41) in Reihe zu der ersten Reihenschaltung (25) von mindestens zwei Leistungshalbleitern (21, 21a, 21b) angeordnet ist .

5. Antriebssystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Antriebssystem (1) eine Schutzvorrichtung aufweist, mit der ein Netzstrom (iNetz) erfassbar ist, der vom Net zanschluss (12) zum Transformator (3) fließt, wobei die Schut zvorrich- tung derart mit dem Hauptschalter (2) verbunden ist, dass bei Überschreitung eines Grenzwertes (Icr) durch den Netzstrom (iNetz) der Hauptschalter (2) auslösbar ist.

6. Antriebssystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Hauptschalter (2) eine zweite Reihenschaltung (27) von mindestens zwei weiteren Leistungshalbleitern (22, 22a, 22b) aufweist, wobei mittels eines ersten weiteren Leistungshalb¬ leiters (22a) der mindestens zwei weiteren Leistungshalblei¬ ter (22) ein Strom (±2, hin) durch die zweite Reihenschaltung (27) in Richtung vom Net zanschluss (12) zum Transformator (3) abschaltbar ist und durch einen zweiten weiteren Leistungs- halbleiter (22b) der mindestens zwei weiteren Leistungshalb¬ leiter (22) ein Strom (±2, rück) durch die zweite Reihenschal¬ tung (27) in Richtung vom Transformator (3) zum Net zanschluss (12) abschaltbar ist, wobei in Reihe zu der zweiten Reihenschaltung (27) ein mechanischer Schalter (28) angeordnet ist, wobei die erste Reihenschaltung (25) parallel zu der in Reihe angeordneten zweiten Reihenschaltung (27) und dem mechanischen Schalter (28) angeordnet ist, wobei die Sperrfähigkeit der ersten Reihenschaltung (25) von mindestens zwei Leistungshalbleitern (21) größer ist als die Sperrfähigkeit der zweiten Reihenschaltung (27) von mindestens zwei weiteren Leistungshalbleitern (22) . 7. Antriebssystem (1) nach Anspruch 6, wobei die Anzahl der in Reihe angeordneten Leistungshalbleiter (21) der ersten Reihenschaltung (25) größer ist als die Anzahl der in Reihe angeordneten Leistungshalbleiter (22) der zweiten Reihenschaltung {21) .

8. Antriebssystem (1) nach einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei die zweite Reihenschaltung (27) genau zwei weitere Leis¬ tungshalbleiter (22a, 22b) aufweist.

9. Schienenfahrzeug mit einem Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Netzanschluss (12) des Antriebs¬ systems (1) mit einem Stromabnehmer (8) elektrisch verbunden ist, wobei das Schienenfahrzeug für den Betrieb in einem Wechselspannungsnetz vorgesehen ist.

10. Verfahren zum Betreiben eines Antriebssystems (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 oder eines Schienenfahrzeugs nach Anspruch 9, wobei der Netzanschluss (12) des Antriebssystems (1) mit einem Fahrdraht (10) oder einer Stromschiene elekt¬ risch verbunden ist, wobei bei Erkennen eines Kurzschlusses auf der Sekundärseite des Transformators (3) die mindestens zwei Leistungshalbleiter (21, 21a, 21b) der ersten Reihenschal¬ tung (25) gesperrt werden.

11. Verfahren nach Anspruch 10 für ein Antriebssystem (1) gemäß einem der Ansprüche 7 bis 8, wobei vor dem Sperren der mindestens zwei Leistungshalbleiter (21, 21a, 21b) der ersten Reihenschaltung (25) die mindestens zwei weiteren Leistungs- halbleiter (22, 22a, 22b) der zweiten Reihenschaltung (27) gesperrt werden und der mechanische Schalter (28) geöffnet wird, wobei eine Zeitspanne zwischen dem Öffnen des mechani¬ schen Schalters (28) und dem Sperren der mindestens zwei Leistungshalbleiter (21, 21a, 21b) der ersten Reihenschaltung (25) derart groß gewählt wird, dass der Schalter eine Span¬ nungsfestigkeit erreicht, die den Wert der Spannung des Fahr¬ drahtes (10) übersteigt.

12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Zeitspanne weniger als 3ms beträgt.

13. Verwendung eines Hauptschalters (2) zum Abschalten eines Kurzschlussstromes in einem mit Wechselspannung betreibbaren Schienenfahrzeug, wobei das Schienenfahrzeug einen Stromab- nehmer (8) und einen Transformator (3) umfasst, wobei der

Hauptschalter (2) eine erste Reihenschaltung (25) von mindestens zwei Leistungshalbleitern (21, 21a, 21b) aufweist, wobei mittels eines ersten (21a) der mindestens zwei Leistungshalb- leiter (21) ein Strom ( I i , hin ) durch die erste Reihenschaltung (25) in Richtung vom Stromabnehmer (8) zum Transformator (3) abschaltbar ist und durch einen zweiten (22a) der mindestens zwei Leistungshalbleiter (22) ein Strom ( I i , rück ) durch die erste Reihenschaltung (25) in Richtung vom Transformator (3) zum Stromabnehmer (8) abschaltbar ist.

14. Verwendung eines Hauptschalters (2) nach Anspruch 13, wobei der Hauptschalter (2) eine zweite Reihenschaltung (27) von mindestens zwei weiteren Leistungshalbleitern (22,22a,

22b) aufweist, wobei mittels eines ersten weiteren Leistungs¬ halbleiters (22a) der mindestens zwei weiteren Leistungshalb¬ leiter (22) ein Strom (l2, nin ) durch die zweite Reihenschal¬ tung (27) in Richtung vom Stromabnehmer (8) zum Transformator (3) abschaltbar ist und durch einen zweiten weiteren Leistungshalbleiter (22b) der mindestens zwei weiteren Leistungs¬ halbleiter (22) ein Strom (12, rück ) durch die zweite Reihen¬ schaltung (27) in Richtung vom Transformator (3) zum Stromabnehmer (8) abschaltbar ist, wobei in Reihe zu der zweiten Reihenschaltung (27) ein mechanischer Schalter (28) angeordnet ist, wobei die erste Reihenschaltung (25) parallel zu der in Reihe angeordneten zweiten Reihenschaltung (25) und dem mechanischen Schalter (28) angeordnet ist, wobei die Sperrfä¬ higkeit der ersten Reihenschaltung (25) größer ist als die Sperrfähigkeit der zweiten Reihenschaltung (27).

Description:
Beschreibung

Antriebssystem für ein Schienenfahrzeug

Die Erfindung betrifft ein Antriebssystem für ein Schienenfahrzeug mit einem Transformator, einem Hauptschalter und einem Netzanschluss , wobei der Hauptschalter zwischen dem Netz- anschluss und einer Primärwicklung des Transformators ange ¬ ordnet ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Schienenfahrzeug mit einem solchen Antriebssystem. Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Antriebssystems oder eines solchen Schienenfahrzeugs, wobei der Netzan- schluss des Antriebssystems mittels eines Stromabnehmers mit einem Fahrdraht oder einer Stromschiene elektrisch verbunden ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung die Verwendung eines Hauptschalters in einem Schienenfahrzeug.

Schienenfahrzeuge weisen häufig ein elektrisches Antriebssys ¬ tem mit einem Transformator, einem Umrichter und Fahrmotoren auf. Der Transformator dient zur Anpassung der Spannungshöhe des Fahrdrahtes oder der Stromschiene an die Spannungen des Antriebssystems. Im Folgenden wird die Stromschiene nicht mehr ausdrücklich erwähnt, jedoch kann diese immer als Alternative zum Fahrdraht verwendet werden. Der Umrichter, auch als Antriebsstromrichter oder Antriebsumrichter bezeichnet, regelt den Strom für die Fahrmotoren, so dass sich das gewünschte Drehmoment ergibt und sich damit die vorgegebene Ge ¬ schwindigkeit am Schienenfahrzeug einstellt. Der Antrieb ¬ stromrichter ist dabei häufig als Umrichter mit einem Spannungszwischenkreis ausgeführt. In einer solchen Anordnung kann es aufgrund von diversen Ursachen immer auch zu Fehlern kommen. Diese führen dann in einigen Fällen zum Eintreten eines Kurzschlusses im Zwischenkreis. Da sich der Kurzschluss im Zwischenkreis vom Transformator aus betrachtet auf der Se ¬ kundärseite, d.h. auf der der Sekundärwicklung zugewandten Seite des Transformators, befindet, wird dieser als sekundär- seitiger Kurzschluss oder auch als Kurzschluss auf der Sekun ¬ därseite bezeichnet. In diesem Fall fließt ein Kurzschluss- ström vom Fahrdraht über den Transformator zum Ort des Kurzschlusses. Der Kurzschlussstrom führt sowohl zu einer mechanischen Belastung des Transformators als auch zu einer elekt ¬ rischen Belastung des Umrichters. Um die Belastung gering zu halten und eine Beschädigung von Komponenten weitestgehend zu vermeiden, wird ein Hauptschalter vorgesehen, der den Kurzschlussstrom abschaltet. Das Öffnen des Hauptschalters, das zum Abschalten des Kurzschlussstromes führt, wird auch als Auslösen des Hauptschalters bezeichnet.

Dabei kommen in Schienenfahrzeugen mechanische Hauptschalter zum Einsatz, die durch eine Bewegung von stromführenden Teilen im Innern des Hauptschalters die elektrische Verbindung zwischen den Anschlüssen des Hauptschalters unterbrechen. Aus dem technischen Gebiet der Hochspannungsgleichstromübertra ¬ gung (HGÜ, engl. HVDC) sind Leistungsschalter zum Schalten von Gleichstrom auf der Basis von Leistungshalbleitern bekannt. Beispiele für entsprechende Leistungsschalter sind den Veröffentlichungen „A Surgeless Solid-State DC Circuit

Breaker for Voltage-Source-Converter-Based HVDC Systems", von Kenichiro Sano und Masahiro Takasaki (IEEE Transactions on Industriy Applications, Vol. 50, No . 4, July/August 2014) so ¬ wie „Technical Assessment of Load Commutation Switch in Hyb ¬ rid HVDC Breaker", von Arman Hassanpoor, Jürgen Häfner und Björn Jacobson (The 2014 International Power Electronics Con ¬ ference, 2014) zu entnehmen. Diese Veröffentlichungen offenbaren Leistungsschalter mit Leistungshalbleitern zum Schalten von Gleichstrom. Diese HGÜ-Systeme zur Übertragung von Energie mittels Gleich ¬ strom übertragen eine Leistung von mehr als 300MW bei einer Gleichspannung von über 250kV. Aufgrund der hohen Spannungen müssen zur Erreichung einer hinreichenden Sperrfähigkeit eine Vielzahl von Leistungshalbleitern in Reihe angeordnet werden.

Leistungsschalter auf der Basis von Leistungshalbleitern sind bezogen auf die schaltbare Leistung deutlich teurer als mechanische Hauptschalter. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Antriebssystem eines Schienenfahrzeugs zu verbessern.

Diese Aufgabe wird durch ein Antriebssystem für ein Schienen- fahrzeug mit einem Transformator, einem Hauptschalter und einem Netzanschluss , wobei der Hauptschalter zwischen dem Netz- anschluss und einer Primärwicklung des Transformators ange ¬ ordnet ist, wobei der Transformator eine Kurzschlussspannung Uk von maximal 25% aufweist, wobei der Hauptschalter eine erste Reihenschaltung von mindestens zwei Leistungshalblei ¬ tern aufweist, wobei mittels eines ersten Leistungshalblei ¬ ters der mindestens zwei Leistungshalbleiter ein Strom durch die erste Reihenschaltung in Richtung vom Netzanschluss zum Transformator abschaltbar ist und mittels eines zweiten Leis- tungshalbleiters der mindestens zwei Leistungshalbleiter ein Strom durch die erste Reihenschaltung in Richtung vom Transformator zum Netzanschluss abschaltbar ist. Ferner wird diese Aufgabe durch ein Schienenfahrzeug mit einem solchen An ¬ triebssystem gelöst, wobei der Netzanschluss des Antriebssys- tems mit einem Stromabnehmer elektrisch verbunden ist, wobei das Schienenfahrzeug für den Betrieb in einem Wechselspan ¬ nungsnetz vorgesehen ist. Weiter wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Antriebssystems oder eines solchen Schienenfahrzeugs gelöst, wobei der Netzan- schluss des Antriebssystems, insbesondere mittels eines

Stromabnehmers, mit einem Fahrdraht oder einer Stromschiene elektrisch verbunden ist, wobei bei Erkennen eines Kurzschlusses auf der Sekundärseite des Transformators die min ¬ destens zwei Leistungshalbleiter der ersten Reihenschaltung gesperrt werden. Ferner wird die Aufgabe durch die Verwendung eines Hauptschalters zum Abschalten eines Kurzschlussstromes in einem mit Wechselspannung betreibbaren Schienenfahrzeug gelöst, wobei das Schienenfahrzeug einen Stromabnehmer und einen Transformator umfasst, wobei der Hauptschalter eine erste Reihenschaltung von mindestens zwei Leistungshalblei ¬ tern aufweist, wobei mittels eines ersten der mindestens zwei Leistungshalbleiter ein Strom durch die erste Reihenschaltung in Richtung vom Stromabnehmer zum Transformator abschaltbar ist und durch einen zweiten der mindestens zwei Leistungs ¬ halbleiter ein Strom durch die erste Reihenschaltung in Richtung vom Transformator zum Stromabnehmer abschaltbar ist. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich die Dimensionierung von Komponenten des Antriebssystems dadurch verbessern lässt, dass anstelle eines rein mechanischen

Hauptschalters ein Hauptschalter mit Leistungshalbleitern verwendet wird. Zum Unterbrechen des Stromflusses durch den Leistungshalbleiter werden die Leistungshalbleiter gesperrt. Es hat sich dabei als vorteilhaft erwiesen, wenn die Sperrfä- higkeit der Leistungshalbleiter des Hauptschalters um den

Faktor 1,5 bis 2 größer ist als der Spitzenwert der Netzspannung. Man bezeichnet als Auslösen des Hauptschalters den Vor ¬ gang, dass der Hauptschalter den durch ihn fließenden Strom unterbricht. Dieser neuartige Schalter ist durch die Verwen- dung von Leistungshalbleitern in der Lage, den Strom zu unterbrechen, bevor er auf zu hohe Werte bzw. unzulässig hohe Werte gestiegen ist. Das heißt, es muss nicht der Stromnull ¬ durchgang abgewartet werden, bei dem ein mechanischer Schalter seine Sperrwirkung erzielt. Bei dem Einsatz eines solchen Hauptschalters in einem Antriebssystem eines Schienenfahrzeugs kann schon im Anstieg bei Erreichen eines vorgebbaren Grenzwertes, der vorteilhafterweise oberhalb des Nennstromes liegt, der Stromfluss zwischen Fahrdraht bzw. Stromschiene und Schienenfahrzeug, bzw. zwischen Netzanschluss und Trans- formator unterbrochen werden.

Bisher werden Hauptschalter mit Leistungshalbleitern nur als Gleichspannungsschalter in HGÜ Anlagen verwendet, um einen Gleichstrom zu schalten. Da der Gleichstrom keinen Nulldurch- gang besitzt, muss der für Gleichstromanwendungen verwendete Schalter die Fähigkeit besitzen, einen Strom auch ohne Nulldurchgang abschalten zu können. Dies ist bei einer Anwendung mit Wechselspannung und Wechselstrom nicht erforderlich. Da- her wurde bisher insbesondere bei Bahnfahrzeugen ein konventioneller Hauptschalter eingesetzt, der im Nulldurchgang des Stroms schaltet und kostengünstig verfügbar ist. Es hat sich jedoch gezeigt, dass durch die Verwendung des Hauptschalters mit Leistungshalbleiterschaltern sich der Strom derart schnell abschalten lässt, dass dieser keine ho ¬ hen Werte erreicht. Gerade für ein Schienenfahrzeug bietet dies viele Vorteile. Zum einen sinkt damit die Anforderung an die Strombelastbarkeit der Dioden des Eingangsstromrichters. Diese Belastung, angegeben als i 2 t Wert, wird zum einen durch eine geringere Stromhöhe, die sogar quadratisch in den Wert der Belastung eingeht, und der deutlich kürzeren Einwirkdauer reduziert. Damit können kostengünstigere Dioden mit einer ge- ringeren Belastbarkeit (i 2 t-Wert) verwendet werden, die deut ¬ lich kostengünstiger verfügbar sind. Die kurze Auslösezeit kann auch dazu vorteilhafterweise genutzt werden, die Streu ¬ induktivität des Transformators zu verringern, da diese zur Verringerung des Kurzschlussstromes nicht mehr so hoch sein muss. Dieser Zusammenhang wird in einem der folgenden Absätze im Zusammenhang mit der Stromanstiegsgeschwindigkeit genauer beschrieben. Eine geringere Streuinduktivtät , gleichbedeutend mit einer geringeren Kurzschlussspannung Uk führt zu einer deutlichen Kostenreduzierung bei der Herstellung des Trans- formators .

Ein weiterer großer Vorteil insbesondere für mobile Anwendungen, wie beispielsweise in einem Schienenfahrzeug, liegt in der Auslegung des Transformators. Im Fehlerfall unterliegt der Transformator einem Stoßstrom, da der Kurzschlussstrom über den Transformator von der Primärseite zur Sekundärseite fließt. Dieser Stoßstrom verursacht hohe mechanische Kräfte im Innern des Transformators. Um eine Beschädigung oder gar Zerstörung des Transformators zu vermeiden, muss dieser eine hohe mechanische Festigkeit besitzen. Diese wird durch einen stabilen mechanischen Aufbau erreicht, der das Gewicht des Transformators je nach Höhe des anzunehmenden Stoßstroms er ¬ höht. Durch die Reduktion der Stoßstromanforderung kann somit das Gewicht des Transformators für Traktionsanwendungen teil ¬ weise sogar deutlich reduziert werden. Gerade bei Schienenfahrzeugen ist eine Gewichtsersparnis wichtig, da sich diese Fahrzeuge oftmals bereits an der zulässigen Gewichtsgrenze (beispielsweise zulässige Achslasten) bewegen. Darüber hinaus hilft die Reduktion von Gewicht, den Betrieb verbrauchsärmer und damit sowohl kostengünstiger als auch umweltschonender zu gestalten . Das Gewicht eines Transformators für HGÜ Anlagen spielt auf ¬ grund des zur Verfügung stehenden Gegebenheiten (Platzbedarf, Tragfähigkeit des Untergrundes) und des ohnehin schon hohen Gewichts, welches oftmals einen Spezialtransport erfordert, keine Rolle.

Es hat sich jedoch gezeigt, dass sich bei Wechselspannungen, wie sie im Bahnnetz vorkommen, insbesondere bei 25kV oder 15kV die Anzahl der in Reihe anzuordnenden Leistungshalbleiter deutlich geringer ist als bei einer Anwendung in einer HGÜ Anlage. Dies vereinfacht die Maßnahmen zur Aufteilung der Spannungen auf die einzelnen in Reihe angeordneten Leistungshalbleiter. Teilweise kann sogar vollständig auf eine solche Maßnahme verzichtet werden. Somit hat sich auf nicht vorher ¬ sehbarer Weise herausgestellt, dass sich das Prinzip eines Gleichspannungsschalters auf Basis von Leistungshalbleitern auf Wechselspannungen, wie sie im Bahnnetz vorherrschen, übertragen lassen und zu unerwarteten Vorteilen bei der Auslegung des Transformators (Kurzschlussspannung Uk) und Leis ¬ tungshalbleitern des Antriebsstromrichters (i 2 t) führen.

Im Falle eines Kurzschlusses wird der Kurzschlussstrom im We ¬ sentlichen von der Impedanz des Transformators bestimmt, wel ¬ che sich aus der Streuinduktivität ableitet. Der Kurzschluss ¬ strom wird im Fehlerfall vom Hauptschalter des Systems ausge- schaltet.

Es erfolgt eine Auslösung des Hauptschalters, insbesondere eine automatische Auslösung, durch den Strom, wenn dieser ei- nen zuvor festgelegten Grenzwert überschreitet. Herkömmliche mechanische Hauptschalter können jedoch prinzipbedingt erst im Nulldurchgang des Stromes abschalten. Zusammen mit der mechanischen Auslösegeschwindigkeit erfolgt typisch ein Ab- schalten je nach Netzfrequenz erst nach ca. 100ms. In der Konsequenz muss die Transformator-Impedanz so hoch gewählt werden, einen schnellen Anstieg des Kurzschlussstromes zu verhindern. Typisch ist eine Kurzschlussspannung des Transformators von mehr als 30%, damit der Kurzschlussstrom aus- reichend begrenzt wird. Das führt zu Transformatoren mit ho ¬ her Baugröße und schlechterem Wirkungsgrad, als es möglich wäre, ohne diese Auslegungsgrenze.

Durch den Einsatz von Leistungshalbleitern in einem Haupt- Schalter kann die Auslösezeit deutlich verkürzt werden, da die Leistungshalbleiter einen Strom auch ohne Nulldurchgang schnell abschalten können. Aufgrund der geringeren Auslösezeit kann eine deutlich größere Anstiegsgeschwindigkeit des Kurzschlussstromes toleriert werden. Trotz der hohen

Anstiegsgeschwindigkeit können hohe Ströme durch die kurze Auslösezeit verhindert werden. Dadurch ist es möglich die Streuinduktivitäten, die den Stromanstieg verringern, des Transformators zu reduziert. Dies äußert sich in einer gerin ¬ geren Kurzschlussspannung U k - Es hat sich gezeigt, dass Kurz- Schlussspannungen U k von maximal 25% hinreichend sind, um bei einer entsprechend schnellen Abschaltung des Kurzschlussstro ¬ mes durch den Hauptschalter hinreichend zu beschränken.

Gleichzeitig lässt sich darüber hinaus durch die kurze Auslö ¬ sezeit des Hauptschalters der Kurzschlussstrom derart redu- zieren, dass die Dioden des Eingangsstromrichters nicht mehr für so große Kurzschlussströme ausgelegt sein müssen und ent ¬ sprechend kostengünstiger sind. Bei dem vorgeschlagenem Antriebssystem ist die Höhe des Kurzschlussstromes nicht mehr unbedingt auslegungsbestimmend, so dass die Anforderungen an die Komponenten des Antriebssystems zurückgehen und billiger beschafft werden können. Neben den geringeren Kurzschlussströmen treten auch geringe Belastungen in den Dioden des Eingangsstromrichters auf. Die Strombelastbarkeit von Dioden wird dabei häufig als i 2 t Wert angegeben. Um die Dioden des Eingangsstromrichters sicher vor Beschädigung im Kurzschlussfall zu schützen, weisen diese einen i 2 t Wert auf, bei dem der Kurzschlussstrom einen zulässigen Wert des Stoßstroms des Transformators annimmt. Mit ande ¬ ren Worten besitzen die Dioden eine Strombelastbarkeit, cha ¬ rakterisiert durch den i 2 t Wert, von mindestens einer Höhe, dass sie durch den Stoßstrom welcher vom Transformator bestimmt wird, nicht zerstört werden.

Durch das schnelle Schalten des Hauptschalters kann neben dem Transformator auch der Eingangsstromrichter einfacher dimen- sioniert werden, da die Belastung durch den Kurzschlussstrom auch für den Eingangsstromrichter abnimmt. Dies liegt darin begründet, dass der Kurzschlussstrom zeitlicher kürzer auf den Eingangsstromrichter einwirkt. Die kurzfristige Strombe ¬ lastbarkeit, insbesondere der Dioden des Eingangsstromrich- ters, wird mittels des i 2 t-Wertes angegeben. Da die Belas ¬ tung, insbesondere die Zeitdauer sinkt, sinkt auch der i 2 t- Wert im Kurzschlussfall. Somit kann bei der Herstellung des Eingangsstromrichters auf Komponenten, insbesondere Dioden, zurückgegriffen werden, die einen geringeren i 2 t-Wert besit- zen und somit kostengünstiger beschaffbar sind.

Reduziert man beispielsweise bei einem Schienenfahrzeug mit ca. 6 MW, insbesondere bei einer Lokomotive, die Streuinduk ¬ tivität des Transformators von 30% auf 10% würde ohne Maßnah- men der Spitzenstrom in der sekundärseitigen Fehlerstelle von 25 kA auf 45kA ansteigen und das i 2 t von 2,3-10 7 A 2 s auf

8,9-10 7 A 2 s steigen. Durch den Hauptschalter mit Leistungshalbleitern werden die Werte stattdessen auf 19kA (Spitzenstrom) bzw. 0,15-10 7 A 2 s (Strombelastung) reduziert. Somit ist es be- sonders vorteilhaft, wenn die Parallelschaltung aus den Dio ¬ den des Eingangsstromrichters eine Strombelastbarkeit i 2 t im Bereich von 0,15-10 7 A 2 s bis 2,3 10 7 A 2 s aufweisen, wobei die Kurzschlussspannung U k des Transformators maximal 10% be ¬ trägt .

Besonders vorteilhaft ist die Anwendung des Antriebssystems in einem Schienenfahrzeug, wobei das Schienenfahrzeug für den Betrieb in einem Wechselspannungsnetz vorgesehen ist. Üblicherweise beträgt die Spannung in einem solchen Wechselspannungsnetz 15kV oder 25kV. Bei einem solchen Betrag, bzw. bei einem Betrag in dieser Größenordnung, brauchen nur wenige Leistungshalbleiter zur Erreichung einer hinreichenden Sperrfähigkeit in Reihe geschaltet zu werden, so dass ein entspre ¬ chender Hauptschalter mit Leistungshalbleitern kostengünstig herstellbar ist. Die dafür notwendige Symmetrierung, d.h. eine Maßnahme zur gleichmäßigen Aufteilung der Sperrspannung kann in diesem Fall besonders einfach und aufwandsarm erfolgen. Teilweise kann sie auch bei leichter Überdimensionierung entfallen. Bei dieser Überdimensionierung werden mehr Leistungshalbleiter in Reihe geschaltet als rechnerisch bei einer gleichmäßigen Aufteilung der Sperrspannung auf die einzelnen Leistungshalbleiter erforderlich sind. Damit sind die einzelnen Leistungshalbleiter auch bei einer nicht gleichmäßigen Aufteilung der Sperrspannung vor einer Überlastung geschützt.

Ein besonderer Vorteil ergibt sich bei einem Schienenfahrzeug dadurch, dass durch die schnelle Auslösung mittels des Haupt ¬ schalters mit Leistungshalbleitern auch bei geringer Streuinduktivität, d.h. bei geringer Kurzschlussspannung U k , des Transformators der Kurzschlussstrom durch den Transformator, auch als Stoßstrom bezeichnet, reduziert wird. Durch die ge- ringeren Anforderungen aus der Stoßstrombelastung an den

Transformator kann dieser mechanisch einfacher aufgebaut werden. Der Stoßstrom verursacht je nach Höhe innere Kräfte im Transformator, die diesen beschädigen oder zerstören können. Durch die Reduzierung des Stoßstroms im Fehlerfall kann der mechanische Aufbau des Transformators deutlich vereinfacht werden. Dies führt unter anderem zu einem geringeren Gewicht des Transformators. Gerade bei einem Schienenfahrzeug kann durch die Gewichtsreduzierung das Fahrzeug kostengünstiger hergestellt und betrieben werden. Durch das große Potenzial an Gewichtseinsprung kann an anderer Stelle auf Gewichtseinsparung verzichtet werden, an denen diese besonders kostentreibend sind.

Unter einem mit Wechselspannung betreibbaren Schienenfahrzeug versteht der Fachmann ein Schienenfahrzeug, welches mit einer an einem Fahrdraht oder an einer Stromschiene anliegenden Wechselspannung betrieben, insbesondere bewegt, werden kann.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Transformator eine Kurzschlussspannung im Bereich zwischen 5% und 8% auf. Ein elektrisch und/oder bezüglich der Baugröße optimaler Transformator hat eine Impedanz, d.h. eine Streuin- duktivität, die einer Kurzschlussspannung Uk von etwa 5% bis 8% entspricht. Dieser ist zudem leicht, was den Einsatz in einem Fahrzeug, insbesondere einem Schienenfahrzeug, begüns ¬ tigt. Darüber hinaus ist der Transformator einfach fertigbar, da keine Maßnahmen zur Erhöhung der Streuinduktivität berück- sichtigt werden müssen. Somit ist ein Transformator mit einer Kurzschlussspannung im Bereich zwischen 5% und 8% besonders kostengünstig herstellbar.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist parallel zu der ersten Reihenschaltung von mindestens zwei Leistungshalbleitern ein spannungsbegrenzendes Element, insbesondere ein Varistor, angeordnet. Mit dem Abschalten des Stromes durch den Hauptschalter ist eine schnelle Änderung des Stromes verbunden. Aufgrund von Induktivitäten im System, insbesondere den Streuinduktivitäten des Transformators, kann je nach Höhe dieser Induktivitäten eine Spannung, teilweise sogar eine recht hohe Spannung verursacht werden, welche die Sperrspannung der Leistungshalbleiter überschreitet. Damit diese Spannung die Leistungshalbleiter nicht schädigen kann, wird in einer vorteilhaften Ausgestaltung parallel zu den mindestens zwei Leistungshalbleitern ein spannungsbegrenzendes Element angeordnet. Dazu eignet sich im Besonderen ein Varistor. Dieser kann die induktive Energie beim Schaltvor- gang abbauen und den parallelen Leistungshalbleiter vor Zerstörung schützen. Damit kann das Antriebssystem vor Schäden durch zu hohe Spannung bewahrt werden. Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Hauptschalter einen Trenner auf, wobei der Trenner in Reihe zu der ersten Reihenschaltung von mindestens zwei Leistungshalbleitern angeordnet ist. Dabei ist der Trenner vorzugsweise derart angeordnet, dass im geöffneten Zustand des Trenners der Transformator galvanisch vom Netzanschluss getrennt ist. Ein Trenner ist ein Schalter, der nicht unter Last, d.h. bei Stromfluss geschaltet werden darf. Er ist günstig herstellbar, da dieser Trenner keine Teile enthält, die einen Strom beim Schalten gezielt reduzieren. Dieser ist daher im Vergleich zu einem Schalter deutlich kostengünstiger und lässt sich mit einem Hauptschalter mit Leistungshalblei ¬ tern derart kombinieren, dass mit Öffnen des Trenners der Transformator und die daran sekundärseitig angeschlossenen Komponenten sicher vom Bahnnetz, dem Energieversorgungsnetz des Schienenfahrzeugs, getrennt werden. Mittels mechanischer Verriegelungen lässt sich darüber hinaus ein unbeabsichtigtes Einschalten des Trenners auf einfache und kostengünstige Wei ¬ se sicher verhindern. Durch den Trenner kann eine sichere Trennung zwischen Bahnnetz und Antriebssystem hergestellt werden, wie sie unter anderem durch geltende Sicherheitsanforderungen definiert sind.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das Antriebssystem eine Schutzvorrichtung auf, mit der ein Netzstrom erfassbar ist, der vom Netzanschluss zum Transformator fließt, wobei die Schutzvorrichtung derart mit dem Hauptschalter verbunden ist, dass bei Überschreitung eines Grenzwertes durch den Netzstrom der Hauptschalter auslösbar ist. Zur Sicherstellung einer schnellen Reaktion auf einen

Kurzschluss wird keine Steuerungs- oder Regelungsvorrichtung benötigt. Eine Schutzvorrichtung zum Schutz vor Kurzschlussströmen benötigt lediglich einen Stromsensor zur Erfassung des Netzstroms, der vom Bahnnetz, d.h. vom Fahrdraht, zum Antriebssystem des Fahrzeugs fließt. Der Vergleich mit einem Grenzwert kann dabei beispielsweise mittels Hardware oder Software vorgenommen werden. Ein Treiber sorgt dafür, dass die Leistungshalbleiter mit einem Signal angesteuert werden, welches ein Abschalten der Leistungshalbleiter bewirkt, d.h. die Leistungshalbleiter in einen sperrenden Zustand versetzt.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Hauptschalter eine zweite Reihenschaltung von mindestens zwei weiteren Leistungshalbleitern auf, wobei mittels eines ersten weiteren Leistungshalbleiters der mindestens zwei weiteren Leistungshalbleiter ein Strom durch die zweite Reihenschaltung in Richtung vom Netzanschluss zum Transforma- tor abschaltbar ist und durch einen zweiten weiteren Leistungshalbleiter der mindestens zwei weiteren Leistungshalb ¬ leiter ein Strom durch die zweite Reihenschaltung in Richtung vom Transformator zum Netzanschluss abschaltbar ist, wobei in Reihe zu der zweiten Reihenschaltung ein mechanischer Schal- ter angeordnet ist, wobei die erste Reihenschaltung parallel zu der in Reihe angeordneten zweiten Reihenschaltung und dem mechanischen Schalter angeordnet ist, wobei die Sperrfähigkeit der ersten Reihenschaltung von mindestens zwei Leistungshalbleitern größer ist als die Sperrfähigkeit der zwei- ten Reihenschaltung von mindestens zwei weiteren Leistungshalbleitern. Diese Art von Hauptschalter wird auch als Hybridschalter bezeichnet. Dieser verfügt über die erste Reihenschaltung von Leistungshalbleitern. Parallel dazu ist in einem Hauptkreis ein mechanischer Schalter in Reihe mit einem weiteren elektronischen Schalter angeordnet. Dieser weitere elektronische Schalter, der über eine zweite Reihenschaltung von Leistungshalbleitern gebildet wird, benötigt nur eine ge ¬ ringere Sperrfähigkeit im Vergleich zur ersten Reihenschal ¬ tung. Dies ist deshalb möglich, da die Sperrwirkung, d.h. die Spannung im gesperrten Zustand dauerhaft über dem mechanischen Schalter abfällt und nicht von den dazu in Reihe ange ¬ ordneten Leistungshalbleitern aufgenommen werden muss. Der Hauptkreis ist im eingeschalteten Zustand für das Führen des Stroms zuständig, so dass dieser hinsichtlich geringer Durchlassverluste ist. Diese Optimierung kann zu Lasten der Sperrfähigkeit gehen, da die Sperrfähigkeit im geöffneten Zustand durch den mechanischen Schalter erreicht wird.

Beim Hybridschalter vollzieht sich die Auslösung, d.h. das Öffnen, zunächst durch Öffnen des Weiteren elektronischen Schalters, der durch die zweite Reihenschaltung von mindes ¬ tens zwei weiteren Leistungshalbleitern gebildet wird. Dieser wird auch als Hilfsschalters oder Load Commutation Switch be ¬ zeichnet. Da parallel dazu die erste Reihenschaltung von min ¬ destens zwei Leistungshalbleitern leitend ist, fällt keine nennenswerte Spannung, über den Hilfsschalter ab. Anschließend wird der mechanische Schalter, auch als Ultra Fast

Disconnector bezeichnet, geöffnet. Nachdem der mechanische

Schalter ausreichend spannungsfest ist, was bei Einsatz eines schnellen Schalters typischerweise in weniger als 3ms gegeben ist, wird der dazu parallele elektronische Schalter der ers ¬ ten Reihenschaltung geöffnet. Es hat sich gezeigt, dass die Schaltzeit im Wesentlichen davon abhängt, wie schnell der me ¬ chanische Schalter ausreichend spannungsfest ist, d.h. eine Spannung aufnehmen kann, ohne dass die Gefahr besteht dass dieser leitend werden kann. Daher hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, für den mechanischen Schalter einen be- sonders schnell schaltenden Schalter zu verwenden.

Durch die geringere Sperrfähigkeit der Leistungshalbleiter im Hauptkreis können hier Leistungshalbleiter mit geringeren Leitendverluste zur Anwendung kommen.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Anzahl der in Reihe angeordneten Leistungshalbleiter der ersten Reihenschaltung größer als die Anzahl der in Reihe angeordneten Leistungshalbleiter der zweiten Reihenschaltung. Auf diese Weise lässt sich insbesondere bei der Verwendung von baugleichen Leistungshalbleitern für die beiden Reihenschaltungen sowohl eine höhere Sperrspannung der ersten Reihenschaltung als auch geringe Leitendverluste, d.h. ein ge- ringer Durchlasswiderstand, der zweiten Reihenschaltung erzielen. Durch die verwendeten gleichen Leistungshalbleiter sind zudem die Beschaffungskosten und Lagerhaltungskosten für Ersatzteile und Wartung vergleichsweise gering.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die zweite Reihenschaltung genau zwei weitere Leis ¬ tungshalbleiter auf. Damit wird die zweite Reihenschaltung aus genau zwei weiteren Leistungshalbleitern gebildet. Diese beiden Leistungshalbleiter des Hauptkreises, sind dabei ent ¬ gegengesetzt zueinander angeordnet, so dass diese jeweils den Strom in eine Richtung schalten können. Durch den Verzicht auf weitere, in Reihe angeordnete Leistungshalbleiter ist der Bahnwiderstand der Leistungshalbleiter besonders gering. In einer besonders vorteilhaften Anordnung können für beide

Leistungshalbleiter der zweiten Reihenschaltung Leistungshalbleiter verwendet werden, die besonders geringe Durchlass ¬ verluste haben. Mit diesen ist es möglich, einen besonders verlustarmen Hauptschalter mit Leistungshalbleitern herzu- stellen. Darüber hinaus ist durch die geringe Anzahl der

Leistungshalbleiter dieser Hauptschalter besonders preisgünstig herstellbar.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und läutert. Es zeigen:

FIG 1 Ein Antriebssystem eines Schienenfahrzeugs,

FIG 2 das Zeitverhalten bei Abschalten eines Kurzschlussstromes durch einen mechanischen Hauptschalter,

FIG 3 das Zeitverhalten bei Abschalten eines Kurzschlussstromes durch einen Hauptschalter mit Leistungshalbleitern,

FIG 4 bis 6 jeweils ein Ausführungsbeispiel eines Hauptschal ¬ ters mit Leistungshalbleitern und

FIG 7 ein Ausführungsbeispiel eines Hybridschalters. FIG 1 zeigt ein Antriebssystem 1 eines Schienenfahrzeugs. Dieses weist einen Netzanschluss 12 zur Verbindung mit einem Fahrdraht 10 auf. Alternativ zum Fahrdraht 10 kann das Fahr ¬ zeug auch mittels einer Stromschiene mit elektrischer Energie versorgt werden. Den Kontakt zum Fahrdraht 10 oder zu der Stromschiene stellt ein Stromabnehmer 8 her. Der Netzan- schluss 12 ist mit der Primärwicklung 31 eines Transformators 3 verbunden. Zwischen Transformator 3 und Netzanschluss 12 ist ein Hauptschalter 2 angeordnet, der es erlaubt, einen Stromfluss, insbesondere während eines Kurzschlusses im

Schienenfahrzeug, zu unterbrechen. Um einen unerwünschten oder unzulässig hohen Stromfluss zu erkennen hat es sich als vorteilhaft erwiesen, in diesem Stromkreis einen Stromwandler 9 vorzusehen. Um den Stromkreis durch die Primärwicklung des Transformators zu schließen, ist die Primärwicklung noch über einen Masseanschluss 18 mit dem Rad und der Schiene verbun ¬ den .

Die Sekundärwicklung 32 ist mit einem Eingangsstromrichter 4 verbunden. Dieser wird häufig auch als Vierquadrantensteller oder kurz 4QS bezeichnet. Dieser weist schaltbare Halbleiter und Dioden 13 auf, mit denen im Zwischenkreis 6 eine Gleich ¬ spannung erzeugt werden kann, die an einem Zwischenkreiskon- densator 16 anliegt. Aus dieser Zwischenkreisspannung werden mittels eines Pulswechselrichters 4 Spannungen und Ströme er ¬ zeugt, die in den Fahrmotoren 7 ein gewünschtes Drehmoment bewirken. Das Schienenfahrzeug kann dabei einen oder mehrere Zwischenkreise 6 sowie einen oder mehrere Pulswechselrichter

5 aufweisen. Auch die Anzahl der Fahrmotoren 7 pro Pulswech- selrichter 5 kann abhängig von der Leistungsfähigkeit des

Schienenfahrzeugs gewählt werden. Dabei speist ein Pulswech ¬ selrichter 5 mindestens einen Fahrmotor 7. Ein Zwischenkreis

6 kann dabei jeweils von einem oder mehreren Eingangsstromrichtern 4 mit elektrischer Energie versorgt werden.

Um einen Strom, insbesondere einen Kurzschlussstrom, schnell und unabhängig von Nulldurchgängen der Wechselspannung des Energieversorgungsnetzes schalten zu kennen, wird als Haupt- Schalter 2 ein Hauptschalter 2 mit Leistungshalbleitern 21,22 verwendet .

Den Abschaltvorgang eines Kurzschluss mit Hilfe eines mecha- nischen Schalters zeigt FIG 2. Im Nennbetrieb nimmt der Netz ¬ strom i Ne tz einen maximalen Betrag (Amplitude) von I n an.

Tritt nun zum Zeitpunkt t F ein Fehler in Form eines Kurz ¬ schlusses auf der Sekundärseite des Transformators 3 auf, so erhöht sich abhängig von der Kurzschlussspannung Uk des

Transformators 3 der Netzstrom i Ne tz und nimmt dabei einen Wert I K s an, der teilweise um ein Vielfaches höher ist als der Wert I n im Nennbetrieb. Der mechanische Hauptschalter 2 kann diesen Strom erst nach einem oder zwei Nulldurchgängen abschalten. Dieser Zeitpunkt ist in FIG 2 mit t H s bezeichnet. Dabei entsteht während des Zeitintervalls zwischen t F und t H s insbesondere in den Dioden 13 des Eingangsstromrichters 4 ei ¬ ne Belastung duch den Kurzschluss, die mit Hilfe des i 2 t Wer ¬ tes beschreibbar ist. Diese ergibt sich zu

Die Höhe des Diodenstroms i üiocie ist dabei aufgrund des Trafo ¬ übersetzungsverhältnisses proportional zum Netzstrom i Ne tz · Dabei teilt sich der sekundärseitige Transformatorstrom in Abhängigkeit von seiner Phasenlage auf die unterschiedlichen Dioden 13 des Eingangsstromrichters 4 auf. Bei einem mechani ¬ schen Hauptschalter wird die Belastung durch eine Verringerung der Stromanstiegsgeschwindigkeit im Kurzschlussfall be ¬ schränkt, da die Zeitdauer der Abschaltung nicht beeinfluss- bar ist und von den Nulldurchgängen abhängt. Die Verringerung der Stromanstiegsgeschwindigkeit wird über

Streuinduktivitäten im Transformator 3 erreicht, die sich in einer entsprechend hohen Kurzschlussspannung Uk ausdrückt. Die FIG 3 zeigt den Verlauf des Netzstroms bei der Verwendung eines Hauptschalters 2 mit Leistungshalbleitern. Dieser

Hauptschalter 2 ist in der Lage, den Netzstrom inetz , insbe ¬ sondere den Wechselstrom, unabhängig von Nulldurchgängen zu schalten. Sobald der Netzstrom i Ne tz einen vorgebbaren Grenz ¬ wert I Gr überschreitet, wird der Strom abgeschaltet. Indukti ¬ ve Energie, die beispielseise in den Streuinduktivitäten ge ¬ speichert ist, wird abgebaut und der Strom zu null gebracht. In vorteilhafter Weise wird der Grenzwert I Gr größer als der Nennstrom I n , insbesondere 20% größer als der Nennstrom I n , gewählt. Sobald der Grenzwert überschritten wird, wird der Stromfluss mittels des Hauptschalters 2 unterbrochen. Auf ¬ grund der kurzen Ausschaltzeit kann eine deutlich größere Stromanstiegsgeschwindigkeit und somit auch eine geringere Kurzschlussspannung Uk des Transformators toleriert werden. Damit kann der Transformator kostengünstiger hergestellt werden, da auf ein Einbringen bzw. Konstruktion von zusätzlicher Streuinduktivität verzichtet werden kann. Wegen der geringe- ren Auslösezeit zwischen Auftreten des Fehlers t F und Ab ¬ schalten des Fehlerstroms t H s sinkt auch die Belastung der Dioden 13 des Eingangsstromrichters 4 entsprechend der ge ¬ nannten Formel für den i 2 t-Wert. Ein Ausführungsbeispiel für einen entsprechenden Hauptschal ¬ ter 2 mit Leistungshalbleitern 21, 22, 21a, 21b, 22a, 22b zeigt FIG 4. Um einen Strom in beiden Richtungen, d.h. einen Hinstrom I i, hin und einen Rückstrom I i, rück abschalten zu können, müssen mindestens zwei Leistungshalbleiter 21, 22, 21a, 21b, 22a, 22b in einer Reihenschaltung 25 angeordnet sein. Dabei ist ein erster Leistungshalbleiter 21a zum Abschalten des Hinstroms I i, h i n angeordnet und ein zweiter Leistungshalblei ¬ ter 21b bezüglich seiner Sperrwirkung entgegengesetzt zum erster Leistungshalbleiter 21a angeordnet. Zum Abbau von in- duktiver Energie, beispielsweise durch die

Streuinduktivitäten des Transformators 3 oder der Leitungen kann ein spannungsbegrenzendes Element 26, insbesondere ein Varistor, parallel zu der Reihenschaltung 25 angeordnet werden .

Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn in Reihe zu der Reihenschaltung ein Trenner 41 vorgesehen wird, dieser erlaubt das Schienenfahrzeug sicher vom Fahrdraht oder Strom- schiene zu isolieren und spannungsfrei zu schalten. Dabei kann der Trenner 41 sowohl zwischen Hauptschalter 2 und Netz- anschluss 12 als auch zwischen Hauptschalter 2 und Transformator 3 angeordnet werden. Bei der Anordnung zwischen Haupt- Schalter 2 und Netzanschluss 12 ergibt sich darüber hinaus der Vorteil, dass im abgeschalteten Zustand des Trenners 41 auch der Hauptschalter 2 potentialmäßig vom Fahrdraht sicher getrennt ist und dieser somit bei geöffnetem Trenner für Wartungsarbeiten zugänglich ist.

Die Ausrichtung der ersten und zweiten Leistungshalbleiter 21a, 21b der ersten Reihenschaltung 25 zum Abschalten von Hinstrom I i , h in und Rückstrom I i , rüc k kann auf die Ausrichtung der weiteren Leistungshalbleiter 22, 22a, 22b der zweiten Reihenschaltung 27, beispielsweise gemäß FIG 7, zum Schalten von Hinstrom I2, h in und Rückstrom l2, r üc k übertragen werden.

Um die Sperrwirkung zu erhöhen oder um einzelne Leistungshalbleiter 21, 22, 21a, 21b, 22a, 22b mit geringerer Sperr- Spannung einsetzen zu können, hat es sich als vorteilhaft erwiesen mehrere erste Leistungshalbleiter 21a, 22a und mehrere zweite Leistungshalbleiter 21b, 22b in einer Reihenschaltung anzuordnen, da damit eine für das Bahnnetz hinreichenden Sperrspannung realisiert werden kann. Ein Ausführungsbeispiel dafür zeigt FIG 6. Insbesondere bei einer Anordnung von gleichartigen ersten Leistungshalbleitern 21a, 22a und zweiten Leistungshalbleitern 21b, 22b ergeben sich dann bei der Reihenschaltung kaum Unterschiede in der Aufteilung der

Sperrspannung auf die einzelnen Leistungshalbleiter. Eine entsprechende Fehlaufteilung kann durch zusätzliche in Reihe angeordneter Leistungshalbleiter 21, 22 berücksichtigt werden. Um eine zu große anliegende Sperrspannung zu vermeiden, können auch Teile der Reihenschaltung 25 mit entsprechenden weiteren spannungsbegrenzenden Elementen 26 gesichert werden. Insbesondere bei einer Reihenschaltung mit einer Vielzahl von ersten und zweiten Leistungshalbleitern 21, 22 kann parallel zu jeder Teilreihenschaltung, die genau einen ersten Leistungshalbleiter 21a und genau einen zweiten Leistungshalblei- ter 22a aufweist, ein spannungsbegrenzendes Element 26 ange ¬ ordnet werden.

Zur Vermeidung von Wiederholungen wurde in den Figuren 5 und 6 auf die Darstellung eines Trenners 41 verzichten. Die Si ¬ chere Trennung kann allerdings auch hier, genauso wie in der FIG 7 mit einem solchen Trenner 41, wie bereits beschrieben, vorgenommen werden. FIG 7 zeigt einen Hybridschalter als Hauptschalter 2. Der unten dargestellte Zweig kann dabei alternativ nach einem der Figuren 4 bis 6 oder einer Kombination dieser Ausführungen ausgebildet sein. Erweitert wurde dieser Hauptschalter um ei ¬ nen oben dargestellten Hauptzweig. Dieser weist eine zweite Reihenschaltung 27 von mindestens zwei weiteren Leistungshalbleitern 22, 22a, 22b auf. Im Nennbetrieb führt der Haupt ¬ zweig den Netzstrom i Ne tz · Zum Abschalten des Stroms werden die weiteren Leistungshalbleiter 22, 22a, 22b gesperrt und der Strom fließt über den unteren Zweig. Da der untere Zweig leitend ist, fällt keine nennenswerte Sperrspannung über der zweiten Reihenschaltung 27 ab. Gleichzeitig mit dem Sperren der weiteren Leistungshalbleiter oder kurz danach wird der mechanische Schalter 28 geöffnet. Sobald dieser eine hinrei ¬ chende Spannungsfestigkeit erreicht hat, d.h. eine Sperrspan- nung aufnehmen kann, die der Netzspannung des Bahnnetzes entspricht, werden die Leistungshalbleiter 21 der ersten Reihenschaltung 25 gesperrt. Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, nach dem Öffnen des mechanischen Schalters 28 maximal 3ms zu warten bis die Leistungshalbleiter 21 der ersten Reihenschaltung 25 gesperrt werden.

Der Hybridschalter hat den Vorteil, dass er im Betrieb deut ¬ lich verlustärmer ist, da die elektrischen Verluste in der zweiten Reihenschaltung 27 deutlich kleiner gestaltbar sind als die Verluste der ersten Reihenschaltung, weil diese keine so große Sperrspannung realisieren muss. Zusammenfassend betrifft die Erfindung ein Antriebssystem für ein Schienenfahrzeug mit einem Transformator, einem Hauptschalter und einem Netzanschluss , wobei der Hauptschalter zwischen dem Netzanschluss und einer Primärwicklung des

Transformators angeordnet ist. Zur Verbesserung des Antriebs ¬ systems wird vorgeschlagen dass der Transformator eine Kurzschlussspannung Uk von maximal 25% aufweist, wobei der Haupt ¬ schalter eine erste Reihenschaltung von mindestens zwei Leis ¬ tungshalbleitern aufweist, wobei mittels eines ersten Leis- tungshalbleiters der mindestens zwei Leistungshalbleiter ein Strom durch die erste Reihenschaltung in Richtung vom Netzan- schluss zum Transformator abschaltbar ist und mittels eines zweiten Leistungshalbleiters der mindestens zwei Leistungs ¬ halbleiter ein Strom durch die erste Reihenschaltung in Rich- tung vom Transformator zum Netzanschluss abschaltbar ist.

Weiter betrifft die Erfindung ein Schienenfahrzeug mit einem solchen Antriebssystem, wobei der Netzanschluss des Antriebs ¬ systems mit einem Stromabnehmer elektrisch verbunden ist, wobei das Schienenfahrzeug für den Betrieb in einem Wechsels- pannungsnetz vorgesehen ist.