Der Antriebsstrang von Umrichter Triebfahrzeugen unter

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'HU$QWULHEVVWUDQJYRQ
8PULFKWHU7ULHEIDKU]HXJHQ
XQWHUGHP*HVLFKWVSXQNW
GHU/HEHQV]\NOXVNRVWHQ
(7+=ULFK
'U&KULVWLDQ*HUVWHU'U0DUNXV0H\HU
%RPEDUGLHU7UDQVSRUWDWLRQ=ULFK2HUOLNRQ
6FKLHQHQYHUNHKUVWHFKQLNEHL%RPEDUGLHU
.DSLWDOGLHQVWOHLVWXQJHQ
)UHL]HLWPRELOH
8PVDW]
$XIWUDJVEHVWDQG
0LWDUEHLWHU
/lQGHU
3URGXNWLRQVZHUNH
&+)0UG
&+)0UG
/XIWYHUNHKU
(2001)
6FKLHQHQYHUNHKU
Seminar Leistungselektronische Systeme, ETH Zürich, 29. Januar 2003
%RPEDUGLHU7UDQVSRUWDWLRQLQGHU6FKZHL]
3UDWWHOQ:HUN
,&=JH,&1XQG,&
7UDP&REUD
7XUJL
.XQGHQGLHQVW
+DXSWYHUZDOWXQJ
Engineering, Testzentrum
Verkauf und Marketing
Projektleitung
Engineering Lokomotiven
und Triebfahrzeuge
Antriebe (Stromrichter)
Kundendienst
3UDWWHOQ
/DXVDQQH
:LQWHUWKXU
7XUJL
%HUQ
=ULFK
9LOOHQHXYH
9LOOHQHXYH:HUN
%HUQ
$Q]DKO0LWDUEHLWHQGH
LQGHU6FKZHL] 9HUNDXI
:LQWHUWKXU
5HJLRQDO]JH/59
Engineering, Endmontage
Kundendienst
$QWULHEH6WURPULFKWHU
Engineering, Endmontage
Unterhalt
/DXVDQQH
=ULFK2HUOLNRQ
'UHKJHVWHOOH
Engineering Drehgestelle
Seminar Leistungselektronische Systeme, ETH Zürich, 29. Januar 2003
/RNRPRWLYHQYRQ%RPEDUGLHU7UDQVSRUWDWLRQ
(OHNWULVFKH/RNRPRWLYHQXQG7ULHEN|SIH
'LHVHOHOHNWU/RNRPRWLYHQ
BR 185 (Deutschland)
ALP 46 (New Jersey, USA)
"Blue Tiger" (Deutschland)
Re 460 (Schweiz)
E 464 (Italien)
DE 2850 (Projekt)
*WHUZDJHQ
IORE (Schweden)
Talgo 350 - Triebkopf (Spanien)
Schiebewandwagen (Schweden)
Seminar Leistungselektronische Systeme, ETH Zürich, 29. Januar 2003
6FKLHQHQYHUNHKULQ(XURSD
1RUG6G.RUULGRUH
n Niederlande / Belgien
- Deutschland - Italien
n Schweden - Deutschland
n Deutschland - Frankreich Spanien
2VW:HVW.RUULGRU
n Frankreich - Polen
Seminar Leistungselektronische Systeme, ETH Zürich, 29. Januar 2003
(LVHQEDKQ6WURPYHUVRUJXQJLQ(XURSD
6SHLVHVSDQQXQJWHLOW(XURSDLQ6HJPHQWH
◆
$&6HJPHQW (15 und 25 kV AC)
◆
'&6HJPHQW (3 kV DC)
◆
0HKUV\VWHP6HJPHQW
(Mehrsystemländer und grenzüberschreitender Verkehr)
◆
'LHVHO6HJPHQW
(nicht betrachtet)
25 kV AC
(im Norden)
1.5 kV DC
(im Süden)
1HW]VSDQQXQJ
15 kV / 16.7 Hz
und 25 kV / 50 Hz
3 kV DC
Mehrsystem
15 / 25 kV AC und 1.5 / 3 kV DC
Seminar Leistungselektronische Systeme, ETH Zürich, 29. Januar 2003
$QWULHEVVWUDQJHLQHU8PULFKWHUORNRPRWLYH
1HW]VWURPULFKWHU 0RWRUVWURPULFKWHU
%ORFNVFKHPD
LQGXNWLY
$&
NDSD]LWLY
LQGXNWLY
1HW]
)DKUPRWRU
a
'&
7UDIR
=ZLVFKHQNUHLV
1HW]
a
RSWLRQDO
)DKUPRWRU
)LOWHU
Seminar Leistungselektronische Systeme, ETH Zürich, 29. Januar 2003
3:08PULFKWHU
)DKUPRWRU
7UDIR
1HW]VWURPULFKWHU
0RWRUVWURPULFKWHU
Spannung
Spannung
4000
1000
3000
0
2000
V
V
2000
1000
-1000
0
-2000
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
-1000
0.12
Strom
0.1
0.15
0.1
0.15
1000
0
A
A
0.05
2000
1000
-1000
-2000
0
Strom
2000
0
-1000
0
0.02
0.04
0.06
Zeit s
0.08
0.1
0.12
±
3KDVHQEDXVWHLQH
-2000
0
0.05
Zeit s
±
Seminar Leistungselektronische Systeme, ETH Zürich, 29. Januar 2003
3KDVHQEDXVWHLQH
hEHUJDQJYRP*727K\ULVWRU
]XP,*%7,QVXODWHG*DWH%LSRODU7UDQVLVWRU
u
EHVFKDOWXQJVIUHLHU%HWULHE
u
9ROXPHQUHGXNWLRQ
u
*HZLFKWVUHGXNWLRQ
u
9HUOXVWUHGXNWLRQ
Seminar Leistungselektronische Systeme, ETH Zürich, 29. Januar 2003
3KDVHQEDXVWHLQH
PLW,QVXODWHG*DWH%LSRODU7UDQVLVWRUHQ,*%7GHUXQG*HQHUDWLRQ
3XQNW
3XQNW
3XQNW
3XQNW
0D[6SHUUVSDQQXQJ
9
9
9
9
9
9
=ZLVFKHQNUHLVVSDQQXQJ
(Traktionsanwendungen)
9
9
9
9
QD
QD
0D[7UDNWLRQVOHLVWXQJ
(pro Motorstromrichter)
0:
0:
0:
!0: QD
QD
Seminar Leistungselektronische Systeme, ETH Zürich, 29. Januar 2003
+DXSWVWURPVFKDOWXQJHQ.DWHJRULHQ
SW
SW
SW
SW
SW
SW
SW
SW
XQJHUHJHOW
3XQNW
XQJHUHJHOW
JHUHJHOW
3XQNW
XQJHUHJHOW
JHUHJHOW
=ZLVFKHQNUHLV
3XQNW
3KDVHQEDXVWHLQ
'&
=ZLVFKHQNUHLV
3KDVHQEDXVWHLQ
$&
3XQNW
'&
'RSSHOVWHUQ
XQJHUHJHOW
'&JHUHJHOW
'&JHUHJHOW
3XQNWGLUHNW
%56LHPHQV
3XQNW&KRSSHU &ODVV$GWUDQ]($$QVDOGR
5(1)(6FKDOWXQJ
66LHPHQV(%$QVDOGR
JHUHJHOW
'&JHUHJHOW
'&XQJHUHJHOW
6\PPHWU&KRSSHU,&(6LHPHQV
'&9ROWDJH'LYLGHU 3ULPD$OVWRP
3XQNWGLUHNW
5K$%%
'&
'&
JHUHJHOW
'&
($GWUDQ](%RPEDUGLHU
3XQNW&KRSSHU Seminar Leistungselektronische Systeme, ETH Zürich, 29. Januar 2003
XQG3XQNW6FKDOWXQJ
Schaltungen
am $&1HW]:
6%%5H (ABB)
2-Pt / ZK geregelt
'%$*
%5
(Siemens)
3-Pt / ZK geregelt
Alle im folgenden vorgestellten Schaltungen entsprechen am AC-Netz einer dieser beiden
Seminar Leistungselektronische Systeme, ETH Zürich, 29. Januar 2003
'RSSHOVWHUQ6FKDOWXQJ
7UHQLWDOLD( (Adtranz / Bombardier)
Schaltung
am '&1HW]:
2-Pt / ZK ungeregelt
Weitere Beispiele:
Trenitalia ( und ( (Adtranz / Bombardier)
SZD (3 (MPS / Adtranz)
Seminar Leistungselektronische Systeme, ETH Zürich, 29. Januar 2003
3XQNWGLUHNW
'%$*%5 (Siemens)
Schaltung
am '&1HW]:
2-Pt / ZK ungeregelt
Weitere Beispiele:
MOB *H (ABB)
Seminar Leistungselektronische Systeme, ETH Zürich, 29. Januar 2003
3XQNWPLW+RFKVHW]VWHOOHUVWHSXSFKRSSHU
ex-%ULWLVK5DLO&ODVV (ABB)
Schaltung
am '&1HW]:
2-Pt / ZK geregelt
Weitere Beispiele:
Trenitalia ($ (Ansaldo)
Seminar Leistungselektronische Systeme, ETH Zürich, 29. Januar 2003
3XQNWPLW7LHIVHW]VWHOOHUVWHSGRZQFKRSSHU
7UHQLWDOLD7$)(Trevi-Konsortium)
Schaltung
am '&1HW]:
2-Pt / ZK geregelt
(Aufgebaut mit zwei reihengeschalteten Eingangschoppern)
Weitere Beispiele:
Cisalpino (75 (Parizzi)
Seminar Leistungselektronische Systeme, ETH Zürich, 29. Januar 2003
5(1)(6FKDOWXQJ
5(1)(6 (Siemens)
Schaltung
am '&1HW]:
2-Pt / ZK geregelt
Weitere Beispiele:
Trenitalia (% (Ansaldo)
Trenitalia (75< (Ansaldo)
SNCF %%(Alstom)
Seminar Leistungselektronische Systeme, ETH Zürich, 29. Januar 2003
,&(6FKDOWXQJ
'%$*,&( (Siemens)
Schaltung
am '&1HW]:
2-Pt / ZK geregelt
Seminar Leistungselektronische Systeme, ETH Zürich, 29. Januar 2003
'&6SDQQXQJVWHLOHU
61&)3ULPD (Alstom)
Schaltung
am '&1HW]:
2-Pt / ZK geregelt
Seminar Leistungselektronische Systeme, ETH Zürich, 29. Januar 2003
3XQNWGLUHNW
g%%5K (ABB / Siemens)
Schaltung
am '&1HW]:
3-Pt / ZK ungeregelt
Weitere Beispiele:
Trenitalia (75; (ABB)
Seminar Leistungselektronische Systeme, ETH Zürich, 29. Januar 2003
:HLWHUH6FKDOWXQJHQ (ohne Anwendungsbeispiele)
u
,&(0
u
$V\PPHWULVFKHU&KRSSHU
u
)O\LQJFDSDFLWRU
u
3XQNWPLW&KRSSHU
Seminar Leistungselektronische Systeme, ETH Zürich, 29. Januar 2003
$QZHQGXQJVEHLVSLHO)6( (Adtranz)
Seminar Leistungselektronische Systeme, ETH Zürich, 29. Januar 2003
%HLVSLHO)6(
(Adtranz)
Seminar Leistungselektronische Systeme, ETH Zürich, 29. Januar 2003
7UDQVIRUPDWRU
7\SLVFKH$XVIKUXQJ
u 1HW]IUHTXHQ]hEHUWUDJXQJ
u (VWHUJHNKOW
u ,QWHJULHUWH6DXJNUHLVGURVVHOQ
u 8QWHUIOXUPRQWDJH
%HLVSLHO
DB %5(Bombardier)
1HW]VSDQQXQJ
7UDNWLRQVOHLVWXQJ
+HL]ZLFNOXQJ
*HVDPWJHZLFKW
Seminar Leistungselektronische Systeme, ETH Zürich, 29. Januar 2003
N9
N9$
N9$
NJ
7UDNWLRQVVWURPULFKWHU
%HLVSLHO
RENFE +67(Bombardier)
,*%7/HLVWXQJVKDOEOHLWHU
1HW]VSDQQXQJ
N9
7UDNWLRQVOHLVWXQJ N:
,QWHJULHUWHU+65 N9$
*HVDPWJHZLFKW NJ
Seminar Leistungselektronische Systeme, ETH Zürich, 29. Januar 2003
)DKUPRWRU
'UHLSKDVLJH'UHKVWURP$V\QFKURQPDVFKLQHQ
n %LVFD0:'DXHUOHLVWXQJ
n /XIWJHNKOW
n %LVNJ
DB %5(AEG / Bombardier)
DB%5(Bombardier)
Seminar Leistungselektronische Systeme, ETH Zürich, 29. Januar 2003
7\SLVFKH/HEHQV]\NOXVNRVWHQHLQHU/RNRPRWLYH
(OHNWULVFKH/RNRPRWLYH
/&&EHU-DKUH
$QVFKDI
IXQJ
(QHUJLH
8QWHU
KDOW
$QJDEHQJHOWHQIU6WUHFNHQORNVDEKlQJLJYRQGHU
%HWULHEVDUW
u ,QNOXVLYH1XW]HQHUJLH
u 1LFKWPLWEHUFNVLFKWLJW n 7HXHUXQJ
u
n (QWVRUJXQJVNRVWHQ
n *OHLVXQWHUKDOW
Seminar Leistungselektronische Systeme, ETH Zürich, 29. Januar 2003
0HWKRGLNIUGLH.RVWHQHUPLWWOXQJ
$XVOHJXQJYRQ/RNRPRWLYHQLQ9DULDQWHQ
'DQQ.RVWHQEHZHUWXQJ'LIIHUHQ]%HZHUWXQJ
u
$QVFKDIIXQJVNRVWHQ+DXSWVWURPNUHLVH2IIHUWHQ8QWHUOLHIHUDQWHQ
u
.DSLWDONRVWHQ
n QXUIUGLH$QVFKDIIXQJV.RVWHQGLIIHUHQ]
u
(QHUJLHNRVWHQ
n QXUIUGLH9HUOXVWHLP$QWULHEVVWUDQJXQGIUGLH)DKUPRWRUYHQWLODWLRQ
n QLFKWIUGLH*UXQGZHOOHQYHUOXVWHLP7UDQVIRUPDWRU
n EDVLHUHQGDXIW\SLVFKHQ=XJI|UGHUXQJV$XIJDEHQ
n 6WURPSUHLV&+)N:K
1LFKWEHUFNVLFKWLJWGDIUGLH(YDOXDWLRQQLFKWUHOHYDQW
u
8QWHUKDOWVNRVWHQGLH'LIIHUHQ]HQZHUGHQYHUQDFKOlVVLJEDUNOHLQ
u
.RVWHQGHU*OHLVEHDQVSUXFKXQJGXUFK0RWRUPDVVHVHKUVFKZLHULJ]X
HUPLWWHOQ
Seminar Leistungselektronische Systeme, ETH Zürich, 29. Januar 2003
$XVOHJXQJHLQHU/RNRPRWLYH
Geschwindigkeit, Zugkraft gegen Zeit
$QIRUGHUXQJHQ
=XJI|UGHUXQJVSURJUDPPH
u
1HW]DQIRUGHUXQJHQ
km/h, kN
u
200
0
Spannungsverteilung Brenner-Linie
-200
(v.a. Spannungsvariationen)
12.5
13
13.5
Uhrzeit h
14
14.5
15
(FNGDWHQGHU/RNRPRWLYHQ
u
DFKVLJ
u
3HUVRQHQYHUNHKUXQG8QLYHUVDOORN (200 km/h)*WHUYHUNHKU (140 km/h)
u
0D[LPDOOHLVWXQJ0:
u
0D[LPDOH$QIDKU]XJNUDIWN1
2000
2200
2400
2600
2800
3000
V
3200
3400
3600
3800
4000
Zugkraft-/Geschwindigkeits-Diagramm
300
200
Zugkraft kN
100
0
-100
-200
-300
0
50
100
150
Geschwindigkeit km/h
Seminar Leistungselektronische Systeme, ETH Zürich, 29. Januar 2003
200
Beispiel:
Universallok
0RWRUDXVOHJXQJ
Verlustleistungsdiagramme
.ULWLVFKH$VSHNWH
0.a
.LSSPRPHQWEHL
KRKHU'UHK]DKO
/σ
8G
WLHI
9HU]HUUXQJVVWURPYHUOXVWH
EHL7HLODXVVWHXHUXQJ
40
3XQNW
35
3Ya5,Y
a
8G
30
40
25
35
/σ
20
Ud 3600 V
Ud 3600 V
30
15
25
10
[kW]
u
8G
[kW]
u
8G
QHQQ
5
0
Ud 2800 V
0
20
Beispiele:
Leerlaufverluste gegen Geschwindigkeit
(Annahme: Nennfluss bei Teilaussteuerung)
40
60
80
100 120
[km/h]
20
160 15180
140
3XQNW
200
220
Ud 2800 V
10
5
0
0
20
40
Seminar Leistungselektronische Systeme, ETH Zürich, 29. Januar 2003
60
80
100 120
[km/h]
140
160
180
200
220
6WURPULFKWHUVFKDOWXQJXQG0RWRUHUZlUPXQJ
Shi
Airs
Sho
Airg
In
Rhi
Airr
Rho
Out
Ro4
%HLVSLHO
5RWRU(QGHUZlUPXQJJHJHQ$UEHLWVSXQNWHLQHU*WHU]XJORNRPRWLYH
Ro3 Ro2 Ro1
3XQNW
3XQNW
St4 St3 St2 St1
9
9
1HQQVSDQQXQJ
9
Wechselrichter-Eingangsspannung
Seminar Leistungselektronische Systeme, ETH Zürich, 29. Januar 2003
/HLVWXQJVDXVOHJXQJIUYDULDEOH1HW]VSDQQXQJ
%HLVSLHO%HWULHEDPN91HW]
Nennspannung
Typische statistische
Spannungsverteilung
Netzleistungsbegrenzung
100
60
40
Leistung %
Fahren
80
Bremsen
u
20
0
-20
-40
-60
-80
-100
2000
2200
2400
2600
2800
3000
3200
3400
3600
3800
4000
sehr
kurzzeitig
Spannung V
< 5 Minuten
dauernd
< 5 Minuten
Seminar Leistungselektronische Systeme, ETH Zürich, 29. Januar 2003
$XVOHJXQJDXI%HWULHEVSURILOH
%HLVSLHO(LQLJH+LVWRJUDPPH]XU*HVFKZLQGLJNHLWVYHUWHLOXQJ
"FREIGHT Transalpine"
"INTERCITY Transalpine"
2500
1600
1400
*WHU]XJ
DOSHQTXHUHQG
1500
1000
1200
Number of seconds
Number of seconds
2000
,QWHUFLW\
DOSHQTXHUHQG
1000
800
600
400
500
200
0
0
20
40
60
80
100
120
Speed [km/h]
140
160
180
0
200
0
20
40
60
"INTERREGIO Valley"
80
100
120
Speed [km/h]
140
160
180
200
140
160
180
200
"INTERCITY Valley"
800
2500
700
,QWHUUHJLR
)ODFKODQG
,QWHUFLW\
)ODFKODQG
2000
Number of seconds
600
Number of seconds
u
500
400
300
1500
1000
200
500
100
0
0
20
40
60
80
100
120
Speed [km/h]
140
160
180
200
0
0
20
40
60
80
100
120
Speed [km/h]
Seminar Leistungselektronische Systeme, ETH Zürich, 29. Januar 2003
(QHUJLHYHUEUDXFKEHL%DKQHQ*UXQGODJHQ
(QHUJLHDXIQDKPHDP)DKUGUDKW
)DKUHQ
8PZDQGOXQJVYHUOXVWH
(QHUJLHDEJDEHDP5DG
5HNXSHUDWLRQV
EUHPVXQJ
(QHUJLHDXIQDKPHDP5DG
8PZDQGOXQJVYHUOXVWH
(QHUJLHDEJDEHDP)DKUGUDKW
VWHKWDQGHUHQ=JHQ]XU9HUIJXQJ
.RQVHTXHQ] 'LH8PZDQGOXQJVYHUOXVWHVLQGEHUPlVVLJYHUWUHWHQ
VLHEHWUDJHQGHU1HWWRHQHUJLHDXIQDKPHDP)DKUGUDKW
Seminar Leistungselektronische Systeme, ETH Zürich, 29. Januar 2003
5HGXNWLRQGHV(QHUJLHYHUEUDXFKV,*%77HFKQRORJLH
6WURPULFKWHUZLUNXQJVJUDG%HLVSLHO%5N9$&0:DP5DG
,*%78PULFKWHUbeschaltungslos
*728PULFKWHU mit FGTOs
η [%]
Berechnung unter Berücksichtigung der arbeitspunktabhängigen Absenkung der Zwischenkreisspannung
Seminar Leistungselektronische Systeme, ETH Zürich, 29. Januar 2003
0LQLPLHUXQJGHV(QHUJLHYHUEUDXFKV
7HFKQLVFKH0DVVQDKPHQEHLJHJHEHQHU$QWULHEVWRSRORJLH
u
9HUOXVWDUPH$XVOHJXQJGHU+DXSWNRPSRQHQWHQ
u
%HWULHEVSXQNWDEKlQJLJH5HGXNWLRQGHU=ZLVFKHQNUHLVVSDQQXQJ
u
2SWLPLHUXQJGHU7DNWPXVWHULP0RWRUVWURPULFKWHU
u
$EVHQNXQJGHV0RWRUIOXVVHVEHL7HLOODVW
u
%HGDUIVDEKlQJLJHYDULDEOH/IWXQJ
)DKUPRWRUHQ+DXSWWUDQVIRUPDWRUXQG6WURPULFKWHU
%HWULHEOLFKH0DVVQDKPHQ
u
1XW]XQJGHU5HNXSHUDWLRQVEUHPVXQJ (Voraussetzung für die Studie)
u
(QHUJLHJQVWLJH)DKUZHLVH (nicht betrachtet; ist topologieunabhängig)
Seminar Leistungselektronische Systeme, ETH Zürich, 29. Januar 2003
5HVXOWDWHIU0HKUV\VWHPEHWULHE*WHU]XJ
0HKUV\VWHP*WHU]XJ
$OSHQTXHUHQG
DOSHQTXHUHQG
/&&(
125%
'RSSHOVWHUQ
'&
3XQNWGLUHNW
$&
100%
3XQNW
'&
&KRSSHU
75%
$&
50%
3XQNW
25%
'&
&KRSSHUGLUHNW
FKRSSHUGLUHNW
$&
0
0
2
4
0LRNP
6
8
Seminar Leistungselektronische Systeme, ETH Zürich, 29. Januar 2003
10
5HVXOWDWHLPhEHUEOLFN
/&&(
0 H K U V \V WH P 3 D V V D J LH U] X J
0 H K UV \ V WH P *  WH U] X J
) OD F K OD Q G
$ OS H Q T X H UH Q G
125%
'&
' R S S H O V WH UQ 3 X Q N W G L UH N W
100%
' L Y 3 X Q N W
3 X Q N W
50%
' R S S H O V W H U Q '&
3 X Q N W G LU H N W $&
$&
'&
3 X Q N W
& K R S S H U
75%
DOSHQTXHUHQG
$&
'&
& K R S S H U
$&
'&
& K R S S HU
$&
25%
3 X Q N W
&KRSSHUGLUHNW
F
K R S S H U G L U H N W
'&
$&
0
0
2
4
6
8
10
0
2
4
6
/&&(
N 9 3 D V V D J LH U ] X J
N 9 *  WH U ] X J
) OD F K OD Q G
$ OS H Q T X H UH Q G
' R S S H O V W H U Q ' R S S H O V WH U Q '&
' L Y 3 X Q N W
3 X Q N W
'&
3XQNWGLUHNW
O H Y H O G L U H N W O H Y H O G L U H N W
3XQNWGLUHNW
100%
10
DOSHQTXHUHQG
125%
75%
8
0 LR N P
0 LR N P
'&
'&
& K R S S H U
& K R S S H U
' LY 50%
3 X Q N W '&
O H
Y H O G L U H N W
3XQNW
'&
G L UH N W
25%
0
0
0
2
4
6
0 LR N P
8
10
0
2
4
6
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Seminar Leistungselektronische Systeme, ETH Zürich, 29. Januar 2003
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