In der vorliegenden Arbeit wird eine Umrichtertopologie für Bahnantriebe vorgestellt, die den Ersatz des konventionellen netzseitigen und netzfrequenten Transformators ermöglicht und dadurch wesentlich an Masse und Verlusten einspart. Die Topologie ist in Form einer kaskadierten Serienschaltung einzelner Submodule realisiert. Jedes Submodul verfugt dabei über einen netzseitigen Vierquadrantensteller und einen in Reihe geschalteten DC/DC-Wandler. Die Anzahl der erforderlichen Modulstufen resultiert aus der Amplitude der Netzspannung, den verwendeten Leistungshalbleitern sowie der installierten Gesamtleistung. Vergleicht man die Verluste des konventionellen Transformators (etwa 8%) mit den sich ergebenden Verlusten der Komponenten, die für den Ersatz des Transformators notwendig sind (3-4% im DC/DC-Wandler und etwa 1% in der Netzdrossel), so ergibt sich mit dem neuartigen Antriebssystem eine Verbesserung des Gesamtsystemwirkungsgrades von etwa 3-4% bei Nennleistung. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Untersuchung des DC/DC-Wandlers, der die Punktion der Potentialtrennung zwischen Netz- und Motorseite übernimmt. Grundsätzlich kann dieser hartschaltend oder resonantschaltend betrieben werden. Die hartschaltende Variante wird infolge zu hoher Verluste allerdings nicht weiter verfolgt. Der Fokus liegt daher auf einer resonantschaltenden Topologie mit serienresonantem Zwischenkreis. Um einen bewertenden Vergleich diverser resonanter Schaltvarianten wie Zero-Current turn-off (ZCS) beziehungsweise non-Zero-Current turn-off (non-ZCS) und Zero-Voltage turnon (ZVS) beziehungsweise non-Zero-Voltage turnon (non-ZVS) anstellen zu können, werden Messungen in einem DC/DC-Wandler-Prüfstand aufgezeigt. Das Hauptziel der Untersuchungen besteht darin, potentielle Schaltfrequenzen sowie verschiedene optimale Betriebspunkte verfügbarer hochsperrender Leistungshalbleiter zu ermitteln, um basierend hierauf eine detaillierte Analyse des Mittelfrequenztransformators durchführen zu können.

    This study presents a converter topology for railroad traction that makes it possible to replace the conventional mains-side transformer, offering substantial reductions in mass and losses. The topology is implemented in the form of a cascading series circuit of individual submodules. Each submodule has a mains-side four-quadrant H-bridge and a series-connected DC/DC converter. The number of series-connected stages required depends on the amplitude of the mains voltage, the power semiconductors used, and the total power installed. When losses with the conventional transformer (approximately 8 %) are compared with the losses resulting from the components needed to replace the transformer (3-4% in the DC/DC converter and approximately 1% in the mains choke), the new type of traction system provides an improvement in the efficiency of the overall system of approximately 3-4% at the rated power. This study is mainly concerned with an investigation of the DC/DC converter, which takes over the function of galvanic insulation between the mains and the motor side. In principle, this can be operated either with hard switching or resonance switching. However, the hard-switch version is not further investigated, as losses are too great. The focus is therefore on a resonance-switching topology with a series-resonant intermediate circuit. To allow evaluative comparison of various resonant switch versions, such as zero current turn-off (ZCS) or non-zero current turn-off (non-ZCS) and zero voltage turn-on (ZVS) or non-zero voltage turn-on (non-ZVS), measurements are recorded in a DC/DC converter test bench. The main goal of the investigations is to determine potential switching frequencies and various optimal operating points with available high-blocking power semiconductors, to provide the basis for a detailed analysis of the medium-frequency transformer. Comparison of implementable switching frequencies on the basis of an identical inverter efficiency for a switching-loss optimized 6.5 kV insulated-gate bipolar transistor (IGBT) shows that using non-ZCS/ZVS along with a defined turn-off angle allows the maximum switching frequency to be achieved. Although increasing the switching frequency in the DC/DC converter can help reduce the transformer mass, it has negative effects on its efficiency. Analytical investigations show that the ratio of cycle time to conduction time is decisively important here. This ratio increases with increasing frequency due to an increase in the proportion of the interlocking time and influences the current amplitude and thus losses in the transformer winding.


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    Titel :

    Elektronischer Transformator für Hochleistungs-Traktionssysteme am Wechselspannungsnetz


    Beteiligte:

    Erschienen in:

    Erscheinungsdatum :

    2012


    Format / Umfang :

    177 Seiten, Bilder, Tabellen, 95 Quellen



    Medientyp :

    Hochschulschrift


    Format :

    Print


    Sprache :

    Deutsch





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