ISBN 9783843908047

978-3-8439-0804-7, Reihe Energietechnik

Holger Hoffmann
Elektronischer Transformator für Hochleistungs-Traktionssysteme am Wechselspannungsnetz

187 Seiten, Dissertation Universität Erlangen-Nürnberg (2012), Softcover, A5

Zusammenfassung / Abstract

Triebfahrzeuge, die in Bahnstromnetzen am Wechselspannungsfahrdraht betrieben werden, verfügen im Antriebsstrang über einen Netztransformator. Insbesondere bei Bahnstromsystemen mit 16,7 Hz hat der Transformator erheblichen Einfluss auf die Gesamtmasse sowie den Gesamtwirkungsgrad des Antriebssystems.

Durch die im Eisenbahnbetrieb vorgeschriebenen maximalen Achslasten und Lichtraumprofile sind dessen Einbauvolumen sowie dessen Masse jedoch begrenzt und es ergeben sich erhebliche Restriktionen im Hinblick auf die maximal installierbare Leistung. Die Entwicklungen am bisherigen Konzept sind insofern ausgereizt, als dass eine weitere Reduktion der Transformatormasse beziehungsweise des -volumens zu einer weiteren Reduktion des ohnehin schlechten Wirkungsgrades führen würde. Um den zunehmenden Anforderungen hinsichtlich Effizienz, Wirtschaftlichkeit und Attraktivität Rechnung zu tragen, müssen neue Antriebssystemkonzepte in Erwägung gezogen werden.

In der vorliegenden Arbeit wird eine Topologie vorgestellt, welche den Ersatz des konventionellen Transformators durch eine netzseitig kaskadierte Serienschaltung einzelner Stromrichtermodule und einer Netzdrossel ermöglicht. Die beschriebene Topologie verspricht eine Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades um etwa 3-4% bei Nennleistung sowie eine Masseersparnis von bis zu 30%.

Der DC/DC-Wandler mit Mittelfrequenztransformator, welcher die Funktion der Potentialtrennung zwischen Netz- und Motorseite übernimmt, stellt den Schwerpunkt dieser Arbeit dar. Bei der Auslegung des DC/DC-Wandlers spielen die Parameter DC/DC-Wandler-Gesamtwirkungsgrad sowie Mittelfrequenztransformatormasse und -volumen eine entscheidende Rolle.

Ziel der Arbeit ist es, einen möglichst optimalen Kompromiss zwischen den vorgenannten Parametern, unter Berücksichtigung thermischer Randbedingungen, zu finden. Dazu werden zwei unterschiedliche 6,5 kV Leistungshalbleitertypen miteinander verglichen und verschiedene Schaltmodi im Hinblick auf die erzielbaren Schaltfrequenzen bei identischem Wechselrichterwirkungsgrad gegenübergestellt.

Basierend auf diesen Ergebnissen werden Mittelfrequenztransformatoren für diverse Kern- und Leitermaterialkombinationen sowie unterschiedliche Kühlungskonzepte ausgelegt und hinsichtlich der Parameter Masse und Wirkungsgrad beurteilt.