Beschreibung

Fahrzeug, insbesondere Schienenfahrzeug, mit einer Wandler ^¬ einheit und Verfahren zum Umwandeln einer Spannung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Fahrzeug mit den Merkmalen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Fahrzeuge dieser Art sind beispielsweise Diesellokomotiven des Typs öBB Rh2016, ME26 und ER20. Wie beispielhaft in den

Figuren 1 und 7 dargestellt ist, kann ein solches mit dem Be ^¬ zugszeichen 5 gekennzeichnetes Fahrzeug eine Gleichspannungs ^¬ quelle 6, einen Gleisspannungszwischenkreis 10, eine an den Gleichspannungszwischenkreis angeschlossene Wandlereinheit 15 sowie eine an die Wandlereinheit 15 angeschlossene Sammel ^¬ schiene 20 aufweisen. Bei der Sammelschiene 20 kann es sich beispielsweise um eine Zugsammeischiene handeln, mit der elektrische Verbraucher des Fahrzeugs 5 oder elektrische Verbraucher auf Fahrzeugen, die über die Zugsammeischiene mit dem Fahrzeug 5 verbunden sind, mit elektrischem Strom versorgt werden. Die Wandlereinheit 15 umfasst zwei Wandlerein ^¬ gangsanschlüsse 25 und 30 und zwei Wandlerausgangsanschlüsse 35 und 40 und ist zum Umwandeln einer eingangsseitig anlie ^¬ genden Gleichspannung Udc in eine Wechselspannung Uac geeig- net . Die Wandlereinheit 15 umfasst einen Wechselrichter 45, der mit zwei Wechselrichtereingangsanschlüssen 50 und 55 und zwei Wechselrichterausgangsanschlüssen 60 und 65 ausgestattet ist. Die zwei Wechselrichtereingangsanschlüsse 50 und 55 bil ^¬ den die Wandlereingangsanschlüsse 25 und 30 der Wandlerein- heit 15. Außerdem ist eine Tiefpasseinrichtung 70 vorhanden, die eingangsseitig mittelbar mit den zwei Wechselrichteraus ^¬ gangsanschlüssen 60 und 65 in Verbindung steht und ausgangs- seitig die zwei Wandlerausgangsanschlüsse 35 und 40 der Wand-

lereinheit 15 bildet. Es lässt sich in der Figur 1 erkennen, dass bei vorbekannten Fahrzeugen, wie beispielsweise jenen des Typs öBB Rh2016, ME26 und ER20, zwischen der Tiefpassfil ^¬ tereinrichtung 70 und dem Wechselrichter 45 ein Transformator 75, dessen Trafostreuinduktivität Lt einen Bestandteil der Tiefpassfiltereinrichtung 70 bildet, geschaltet ist. Der Transformator erlaubt zwar eine Umsetzung der Spannungshöhe, jedoch spielt diese für die Wandlereinheit 15 keine entschei ^¬ dende Rolle, vielmehr hat der Transformator 15 im Falle eines weich geerdeten Gleichspannungszwischenkreises 10 eine andere Hauptfunktion, nämlich ein Springen des Potentials des Gleichspannungszwischenkreises 10 gegen Erde während des Be ^¬ triebs des Wechselrichters 45 zu verhindern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Fahrzeug an ^¬ zugeben, das ein geringeres Gewicht und niedrigere Herstel ^¬ lungskosten aufweist als die oben beschriebenen vorbekannten Fahrzeuge .

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Fahrzeug, insbe ^¬ sondere ein Schienenfahrzeug, mit den Merkmalen gemäß Patent ^¬ anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Fahrzeuges sind in Unteransprüchen angegeben.

Danach ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Tiefpassfil ^¬ tereinrichtung zumindest einen Kondensator aufweist, der mit seinem einen Kondensatoranschluss an den einen der zwei Wechselrichtereingangsanschlüsse und mit seinem anderen Kondensa ^¬ toranschluss an einen der zwei Wandlerausgangsanschlüsse an- geschlossen ist.

Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Fahrzeugs ist darin zu sehen, dass bei diesem der Transformator in der

Wandlereinheit weggelassen werden kann. Ein Transformator ist im Bereich der Schienenfahrzeugtechnik im Allgemeinen relativ groß und schwer, weil die Betriebsfrequenzen bei Eisenbahnen recht klein (< 100 Hz) sind, so dass der Transformator die Herstellungskosten des Fahrzeugs sowie dessen Gewicht erheb ^¬ lich erhöht. Bei dem erfindungsgemäßen Fahrzeug kann in der Wandlereinheit - aufgrund der erfindungsgemäß vorgesehenen Rückkopplung durch den erfindungsgemäß vorgesehenen Kondensator - im Unterschied zu den Fahrzeugen nach dem Stand der Technik auf einen Transformator verzichtet werden; denn die Aufgabe des Verhinderns eines Springens des Potentials wird durch die erfindungsgemäße Rückkopplung auch ohne einen Transformator erfüllt.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Tiefpassfiltereinrichtung zwei Kondensatoren aufweist, von denen einer mit seinem einen Kondensatoran- schluss an den einen der zwei Wechselrichtereingangsanschlüs ^¬ se und mit seinem anderen Kondensatoranschluss an einen der zwei Wandlerausgangsanschlüsse angeschlossen ist und von de ^¬ nen der andere mit seinem einen Kondensatoranschluss an den einen oder den anderen der zwei Wechselrichtereingangsanschlüsse und mit seinem anderen Kondensatoranschluss an den anderen der zwei Wandlerausgangsanschlüsse angeschlossen ist.

Die Tiefpassfiltereinrichtung weist vorzugsweise zwei Filterdrosseln auf, von denen die eine mit ihrem einen Drosselan- schluss an den einen Wechselrichterausgangsanschluss und mit ihrem anderen Drosselanschluss an den einen Wandlerausgangs- anschluss angeschlossen ist, und von denen die andere mit ih ^¬ rem einen Drosselanschluss an den anderen Wechselrichteraus- gangsanschluss und mit ihrem anderen Drosselanschluss an den anderen Wandlerausgangsanschluss angeschlossen ist.

Um eine Doppelnutzung der Kondensatoren zu erreichen, wird es als vorteilhaft angesehen, wenn der eine Kondensator und die eine Filterdrossel einen ersten Tiefpass mit einer ersten Grenzfrequenz und der andere Kondensator und die andere FiI- terdrossel einen zweiten Tiefpass mit einer zweiten Grenzfre ^¬ quenz bilden. Die Kondensatoren üben bei dieser Ausgestaltung zwei Funktionen auf: Zum einen verhindern sie ein Springen des Potentials, und zum anderen filtern sie gemeinsam mit den Filterdrosseln Störfrequenzen, damit diese nicht zu dem Aus- gang der Wandlereinheit gelangen können.

Bevorzugt ist die Grenzfrequenz beider Tiefpässe jeweils grö ^¬ ßer ist als die Grundfrequenz der Ausgangspannung des Wechselrichters und/oder jeweils kleiner als eine Stellertaktfre- quenz, mit der der Wechselrichter betrieben wird. Die Grenzfrequenz beider Tiefpässe kann beispielsweise gleich sein.

Im übrigen kann die Wandlereinheit zusätzlich zu den beiden genannten Wandlerausgangsanschlüssen auch zumindest einen zu- sätzlichen Wandlerausgangsanschluss aufweisen. Dementspre ^¬ chend weist in diesem Falle auch der Wechselrichter bevorzugt zumindest einen zusätzlichen Wechselrichterausgangsanschluss auf .

Für den letztgenannten Fall wird es als vorteilhaft angese ^¬ hen, wenn die Tiefpassfiltereinrichtung zumindest einen zusätzlichen Kondensator aufweist, der mit seinem einen Konden- satoranschluss an einen beliebigen der zwei Wechselrichtereingangsanschlüsse oder einen Wandlerausgangsanschluss und mit seinem anderen Kondensatoranschluss an den zumindest ei ^¬ nen zusätzlichen Wandlerausgangsanschluss angeschlossen ist.

Auch wird es als vorteilhaft angesehen, wenn die Tiefpassfil ^¬ tereinrichtung zusätzlich zu den zwei Filterdrosseln eine zusätzliche Filterdrossel aufweist, die mit ihrem einen Dros- selanschluss an den zumindest einen zusätzlichen Wechselrich- terausgangsanschluss und mit ihrem anderen Drosselanschluss an den zumindest einen zusätzlichen Wandlerausgangsanschluss angeschlossen ist.

Wie bereits oben ausgeführt, kann einer der zwei Wandlerein- gangsanschlüsse weich geerdet sein. Beispielsweise sind die

Wandlereingangsanschlüssen mittelbar oder unmittelbar mit einer Gleichspannungsquelle verbunden, die ausgangsseitig weich geerdet ist.

Die Gleichspannungsquelle kann beispielsweise einen Verbren ^¬ nungsmotor (z. B. Dieselmotor), einen mit dem Verbrennungsmotor in Verbindung stehenden Generator und einen dem Generator nachgeordneten Stromrichter umfassen. Alternativ kann es sich bei dem Fahrzeug auch um ein wechselstrombetriebenes Fahrzeug handeln, bei dem die Gleichspannungsquelle einen Stromrichter umfasst, der der Wandlereinheit vorgeschaltet ist.

Als Erfindung wird außerdem ein Verfahren zum Umwandeln einer eingangsseitig anliegenden Gleichspannung in eine Wechsel- Spannung angesehen, bei dem die Gleichspannung mit einem

Wechselrichter wechselgerichtet und anschließend gefiltert wird und die wechselgerichtete und gefilterte Spannung an Wandlerausgangsanschlüsse ausgegeben wird.

Erfindungsgemäß ist bei einem solchen Verfahren vorgesehen, dass das Spannungspotential an zumindest einem der Wandler ^¬ ausgangsanschlüsse mit einem Kondensator an einen weich geerdeten Wechselrichtereingangsanschluss rückgekoppelt wird.

Bezüglich der Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sei auf die obigen Ausführungen im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Fahrzeug verwiesen.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass das Spannungspotential eines jeden der Wandler ^¬ ausgangsanschlüsse mit einem Kondensator an einen mittelbar oder unmittelbar weich geerdeten Wechselrichtereingangsan- schluss rückgekoppelt wird.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispie ^¬ len näher erläutert; dabei zeigen beispielhaft

Figur 2 ein erstes Ausführungsbeispiel für ein erfin- dungsgemäßes Fahrzeug, bei dem eine Rückkopp ^¬ lung eines Wandlerausgangsanschlusses zu einem Wandlereingangsanschluss durch einen einzigen Kondensator erfolgt,

Figur 3 ein zweites Ausführungsbeispiel für ein erfin ^¬ dungsgemäßes Fahrzeug, bei dem die Wandlerein ^¬ heit zwei Wandlerausgangsanschlüsse aufweist, die an unterschiedliche Wandlereingangsanschlüsse rückgekoppelt sind,

Figur 4 ein drittes Ausführungsbeispiel für ein erfin ^¬ dungsgemäßes Fahrzeug, bei dem die zwei Wand ^¬ lerausgangsanschlüsse an ein und denselben Wechselrichtereingangsanschluss und damit an ein und denselben Wandlereingangsanschluss rückgekoppelt sind,

Figur 5 ein viertes Ausführungsbeispiel für ein erfin ^¬ dungsgemäßes Fahrzeug, bei dem die Wandlerein-

heit drei Wandlerausgangsanschlüsse aufweist, von denen ein einziger an den Wandlereingang rückgekoppelt ist, und

Figur 6 ein fünftes Ausführungsbeispiel für ein erfin ^¬ dungsgemäßes Fahrzeug, bei dem jeweils alle Wandlerausgangsanschlüsse an die Eingangsseite der Wandlereinheit rückgekoppelt sind.

In den Figuren werden der übersicht halber für identische oder vergleichbare Komponenten stets dieselben Bezugszeichen verwendet .

In der Figur 2 erkennt man von dem Fahrzeug 5 - bei dem es sich beispielsweise um eine Lokomotive, zum Beispiel eine Diesellokomotive handeln kann - einen Gleichspannungszwischenkreis 10, der über zwei Widerstände Rl und R2 hochohmig mit Erde verbunden und somit weich geerdet ist. Außerdem er ^¬ kennt man von dem Gleichspannungszwischenkreis 10 noch einen Zwischenkreiskondensator Czk.

Der Gleichspannungszwischenkreis 10 ist mit zwei Wandlerein ^¬ gangsanschlüssen 25 und 30 einer Wandlereinheit 15 verbunden, die eingangsseitig einen Wechselrichter 45 aufweist. Die bei- den Wechselrichtereingangsanschlüsse 50 und 55 sind dabei mit den beiden Wandlereingangsanschlüssen 25 und 30 verbunden.

Ausgangsseitig steht der Wechselrichter 45 mit seinen beiden Wechselrichterausgangsanschlüssen 60 und 65 mit einer Tief- passfiltereinrichtung 70 in Verbindung. Die Tiefpassfiltereinrichtung 70 wird durch zwei Filterdrosseln bzw. Induktivitäten Ll und L2 sowie einen Kondensator Cl gebildet, der mit seinem einen Kondensatoranschluss 80 an den einen der zwei

Wechselrichtereingangsanschlüsse 55 und damit an den einen der zwei Wandlereingangsanschlüsse 25 sowie und mit seinem anderen Kondensatoranschluss 85 an einen der zwei Wandleraus ^¬ gangsanschlüsse 35 angeschlossen ist. Der andere Wandleraus- gangsanschluss 40 steht mit der Induktivität L2 in Verbin ^¬ dung.

Die Funktion des Kondensators Cl besteht darin, während des Betriebs der Wandlereinheit 15 ein Springen des Potentials des Gleichspannungszwischenkreises 10, der - wie bereits er ^¬ wähnt - weich geerdet ist, zu verhindern. Aufgrund der Ia- dungsspeichernden bzw. ladungspuffernden Wirkung des Kondensators Cl kann das Potential am Gleichspannungszwischenkreis 10 an keinem der beiden Wandleranschlüsse 25 oder 30 unmit- telbar auf Erdpotential springen, selbst wenn einer der bei ^¬ den Wandlerausgangsanschlüsse 35 oder 40 auf Massepotential gesetzt werden würde; denn durch den Kondensator Cl wird eine entsprechende Potentialpufferung, die ein Springen verhin ^¬ dert, sichergestellt.

In der Figur 3 ist ein zweites Ausführungsbeispiel für ein Fahrzeug gezeigt. Bei diesem Ausführungsbeispiel weist die Tiefpassfiltereinrichtung 70 zwei Kondensatoren auf, nämlich den Kondensator Cl und einen Kondensator C2. Der Kondensator C2 ist mit seinem einen Kondensatoranschluss 90 an den ande ^¬ ren Wechselrichtereingangsanschluss 50 und mit seinem anderen Kondensatoranschluss 95 an den Wandlerausgangsanschluss 40 angeschlossen .

Bei der Schaltung gemäß der Figur 3 sind beide Wandleraus ^¬ gangsanschlüsse 35 und 40 über die Kondensatoren Cl und C2 gepuffert, so dass ein Springen des Potentials des Gleich ^¬ spannungszwischenkreises 10 gegen Masse nicht auftreten kann.

In der Figur 4 ist ein drittes Ausführungsbeispiel für ein Fahrzeug gezeigt. Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 ist bei diesem Ausführungsbeispiel der zweite Kondensator C2 mit seinem einen Kondensatoranschluss 90 nicht an den anderen Wechselrichtereingangsanschluss 50 bzw. den

Wandlereingangsanschluss 30 angeschlossen, sondern statt des ^¬ sen an den Wechselrichtereingangsanschluss 55 sowie damit an den Wandlereingangsanschluss 25. Ansonsten entspricht das Ausführungsbeispiel gemäß der Figur 4 dem Ausführungsbeispiel gemäß der Figur 3.

In der Figur 5 ist ein Ausführungsbeispiel für ein Fahrzeug gezeigt, bei dem die Sammelschiene 20 für einen dreiphasigen bzw. dreipoligen Betrieb ausgelegt ist. Demgemäß weist die Filtereinrichtung 70 insgesamt drei Filterdrosseln bzw. Induktivitäten Ll, L2, L3 auf, die mit den drei Wandleraus ^¬ gangsanschlüssen 35, 40 und 100 in Verbindung stehen. Einer der drei Wandlerausgangsanschlüsse, hier der Wandlerausgangs- anschluss 35 ist über einen Kondensator Cl an den Wechsel- richtereingangsanschluss 55 und somit an den Wandlereingangs ^¬ anschluss 25 rückgekoppelt. Durch den Kondensator Cl wird wiederum ein Springen des Potentials des Gleichspannungszwischenkreises 10 gegen Erde vermieden, wenn der Wechselrichter 45 in Betrieb genommen wird.

In der Figur 6 ist ein fünftes Ausführungsbeispiel für ein Fahrzeug gezeigt. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Wandlereinheit 15 ausgangsseitig für einen dreiphasigen Be ^¬ trieb und den Anschluss an eine dreiphasige Sammelschiene 20 ausgelegt. Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel gemäß der Figur 5 ist bei diesem Ausführungsbeispiel die Filterein ^¬ richtung 70 mit insgesamt drei Kondensatoren Cl, C2, C3 aus ^¬ gestattet, die jeweils eine Rückkopplung der drei Wandleraus-

gangsanschlüsse 35, 40 und 100 auf einen oder mehrere der Wandlereingangsanschlüsse 25 und 30 bzw. einen oder mehrere der Wechselrichtereingangsanschlüsse 50 und 55 bewirken. Wie ^¬ derum besteht die Funktion der drei Kapazitäten Cl, C2 und C3 darin, ein Springen des Potentials des Zwischenkreises wäh ^¬ rend des Betriebs des Wechselrichters 45 zu vermeiden.

Zusammenfassend weisen die in den Figuren 2 bis 7 beschriebe ^¬ nen Wandlereinheiten 15 eine Vielzahl an Vorteilen auf, die hier noch einmal kurz stichpunktartig zusammengefasst werden sollen :

- Durch die beschriebene Schaltungstopologie der Filterein ^¬ richtung 70 wird erreicht, dass das Potential des Gleich- spannungszwischenkreises 70 gegen Erde bei Betrieb des

Wechselrichters 45 nicht springt, sondern allenfalls nur noch schwingt. Die Schwingung enthält im Wesentlichen die Frequenz der Spannung auf der Sammelschiene 20 im Falle einer einphasigen Sammelschiene bzw. das Dreifache dieser Frequenz im Falle einer dreiphasigen Sammelschiene sowie in beiden Fällen jeweils noch einen relativ kleinen Spannungsanteil mit der Taktfrequenz des Wechselrichters 45.

- Die in der Tiefpassfiltereinrichtung 70 vorgesehenen Filterdrosseln Ll, L2, L3 können kleiner und leichter ausge- führt werden als der im Zusammenhang mit dem Stand der

Technik in der Figur 1 gezeigte Transformator 75, so dass gegenüber dem Stand der Technik erheblich Gewicht eingespart wird.

- Die Filterdrosseln Ll, L2 ermöglichen es im Falle einer einphasigen Sammelschiene 20 darüber hinaus, eine Um ^¬ schaltmöglichkeit von Wechselspannung auf Gleichspannung (AC/DC) ohne zusätzlichen Hardwareaufwand zu ermöglichen, in dem die Frequenz auf der Sammelschiene (z. B. Zugsam-

melschiene) durch eine entsprechende Ansteuerung des Wech ^¬ selrichters 45 auf 0 Hz umgestellt wird.

Das Gewicht des Fahrzeugs bzw. Schienenfahrzeugs ist bei gleicher Funktionalität geringer als das Gewicht des Fahr- zeugs bzw. Schienenfahrzeugs gemäß Figur 1, da auf den re ^¬ lativ schweren Transformator 75 verzichtet werden kann. Die Gewichtsreduktion liegt beispielsweise bei einer Be ^¬ messungsleistung der Wandlereinheit von 400 kVA im Bereich zwischen 500 kg und 1000 kg. Der Wegfall des in der Figur 1 dargestellten Transformators 75 lässt sich darüber hinaus nutzen, um die Länge des Fahrzeugs 5 zu reduzieren oder den nicht benötigten Einbauraum anderweitig zu nutzen, beispielsweise für eine Vergrößerung des Kraftstofftanks, wenn es sich bei dem Fahrzeug 5 beispielsweise um eine Diesellokomotive han ^¬ delt.

Be zugs z e i chenl i ste

5 Fahr z eug

10 GIeisspannungs zwischenkreis

15 Wandlereinheit

20 Sammelschiene

25, 30 Wandlereingangsanschlüsse

35, 40 Wandlerausgangsanschlüsse

45 Wechselrichter 5500,, 5555 Wechselrichtereingangsanschlüsse

60, 65 Wechselrichterausgangsanschlüsse

70 Tiefpasseinrichtung

75 Transformator

80 KondensatoransehIuss 8855 Kondensatoranschluss

90 KondensatoransehIuss

95 Kondensatoranschluss

100 WandlerausgangsansehIuss

C1,C2,C3 Kondensatoren

Czk Zwischenkreiskondensator

L1,L2,L3 Induktivitäten

Rl, R2 Widerstände

Udc Gleichspannung Uac Wechselspannung