Modulares Mehrpunkt-Umrichtersystem - ein neuartiges Konzept am Beispiel der elektrischen Traktion

Ein neuartiges Konzept für einen Mittelspannungstraktionsstromrichter mit Modularem Direktumrichter im direkten Betrieb am Fahrdraht wurde entwickelt und auf seine Eignung für Bahnfahrzeuge im Rahmen dieser Dissertation untersucht. Dieses Stromrichterkonzept bietet gute Voraussetzungen, die sehr hohen Anforderungen für neue Fahrzeuganwendungen zu erfüllen. Das System verfügt über ein sehr gutes statisches und dynamisches Betriebsverhalten, hohe Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit, einfache Wartung und Ersatzteilhaltung und eine gute Mehrsystemfähigkeit ohne aufwendige Schaltgeräte. Der Modulare Direktumrichter ist die Schlüsselkomponente des vorgestellten Mittelspannungstraktionsstromrichters. Er gehört zu einem Modularen Mehrpunktstromrichterkonzept, mit dem sowohl Direktumrichter als auch aus Zwischenkreisumrichter realisiert werden können. Für dieses Stromrichterkonzept wird ein Steuerverfahren am Beispiel des einphasigen Direktumrichters vorgestellt. Es ist geeignet, beliebige Ausgangsspannungen und -ströme mit einem speziellen Pulsweitenmodulationsverfahren zu realisieren. Das Steuerverfahren ermöglicht sowohl Wechselstrom- als auch Gleichstrombetrieb. Ergänzend wird ein Steuerverfahren vorgestellt, mit dem es möglich ist, Ausgangsspannungen mit uneinheitlichen PWM-Stufenspannungen zu erzeugen, ohne dass dafür speziell angepasste Komponenten benötigt werden. Für das Modulare Stromrichterkonzept wird ein allgemein gültiges mathematisches Verfahren zur Bestimmung der Halbleiterverluste vorgestellt. Dieses Verfahren bildet die Grundlage eines durchgeführten Vergleichs eines einphasigen Zweipunktstromrichters mit Gleichspannungszwischenkreis in Gegenparallelschaltung (back-to-back) mit dem einphasigen Modularen Direktumrichter. Anhand der hierfür hergeleiteten Gleichungen können die Stromrichterwirkungsgrade sowie der Halbleiteraufwand beider Schaltungen für unterschiedliche Betriebsbedingungen und Halbleitertechnologien miteinander verglichen werden. Es kann somit gezeigt werden, dass für einen Großteil typischer Stromrichteranwendungen der Halbleiter- und Energiespeicheraufwand des Modularen Direktumrichters vergleichbar ist mit den heute sehr weit verbreiteten Zweipunktstromrichtern mit Gleichspannungszwischenkreis. Die vorgestellten Untersuchungsergebnisse an der am Lehrstuhl entwickelten und in dieser Arbeit vorgestellten Versuchsanlage belegen die vorteilhaften Eigenschaften des modularen Stromrichteraufbaus aus identischen Submodulen. Der abschließend durchgeführte Vergleich des untersuchten Mittelspannungstraktionsstromrichters mit Modularem Direktumrichter mit dem Mittelspannungstraktionsstromrichter mit Kaskadenschaltung von Vierquadrantenstellern und zugehörigen DC/DC-Wandler zeigt, bei praktisch vergleichbarem Halbleiter- und Energiespeicheraufwand, die wichtigsten Unterschiede zwischen beiden Schaltungsvarianten auf. Der geringere Netzfilteraufwand, das sehr gute dynamische Regelverhalten sowie die sehr hohe netzseitige Spannungsreserve und die damit verbundene hohe Verfügbarkeit sind die wesentlichen Vorteile des Mittelspannungstraktionsstromrichters mit Modularem Direktumrichter.