МОДУЛЬНАЯ СХЕМА ПРОМЕЖУТОЧНОГО КОНТУРА ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА, СХЕМА ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА, ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЭНЕРГИИ И ТРАНСПОРТНОЕ СРЕДСТВО
MODULAR CIRCUIT OF AC CONVERTER INTERMEDIATE CIRCUIT, ALTERNATING CURRENT CONVERTER CIRCUIT, ENERGY CONVERTER AND VEHICLE

Область техники
Изобретение находится в области силовой электронной техники, прежде всего силового преобразователя переменного тока, и относится к конструкции фазового модуля для силового преобразователя переменного тока и к преобразователю переменного тока. Кроме того, изобретение относится к транспортному средству с преобразователем переменного тока.
Уровень техники
Преобразователи переменного тока служат для преобразования переменного напряжения и переменного тока, причем при этом приводятся в соответствие характеристические свойства, такие как амплитуда напряжения и частота. Преобразователь переменного тока может иметь промежуточный контур. Он служит в качестве промежуточного накопителя и в качестве электрического буфера. У преобразователей переменного тока равным образом преобразуются напряжение и ток.
Преобразователи переменного тока используются, например, для приведения в действие электродвигателей с переменной частотой вращения. Они имеются в транспортных средствах, прежде всего в рельсовых транспортных средствах, таких как трамваи, электрические локомотивы или высокоскоростные поезда. Транспортное средство снимает напряжение, например, через контактный провод или токовый рельс. Затем оно приводится в соответствие в преобразователе переменного тока для электрического привода.
Электродвигатели также используются в качестве динамо-машины для выработки электрического тока из энергии движения, например, в процессе торможения электрического транспортного средства. Преобразователь переменного тока обычно действует в обоих направлениях.
Преобразователи переменного тока могут иметь управляемые полупроводниковые элементы, например, IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором). За счет частотного управления в фазовом модуле генерируется фазовый ток. Он может, например, приводить в действие электродвигатель.
Недостатки уровня техники
Модули преобразователей переменного тока состоят из больших систем из блоков преобразователей переменного напряжения, причем каждый блок преобразователя напряжения подключен к промежуточному контуру. Длинные соединительные элементы к промежуточному контуру создают высокую индуктивность и связанную с этим потерю мощности.
Постановка задачи
Задача заключается в улучшении конструкции преобразователя переменного тока.
Решение согласно изобретению
Эта задача решена посредством модульной схемы промежуточного контура для силового преобразователя переменного тока. Кроме того, эта задача решена посредством схемы преобразователя переменного тока, преобразователя энергии и транспортного средства, прежде всего рельсового транспортного средства.
Предлагается модульная схема промежуточного контура для преобразователя переменного тока, имеющая по меньшей мере два или более параллельно в цепи подключенных конденсаторных модуля промежуточного контура, причем каждый конденсаторный модуль промежуточного контура имеет первый соединительный вывод, второй соединительный вывод, и по меньшей мере один первый конденсатор промежуточного контура, который электрически соединен с первым соединительным выводом и вторым соединительный выводом, первые соединительные выводы следующих соответственно непосредственно друг за другом в виде цепи конденсаторных модулей промежуточного контура соединены соответственно через первое низкоомное, высокоиндуктивное соединение и подключенное ему параллельно первое высокоомное, низкоиндуктивное соединение, и вторые соединительные выводы следующих соответственно непосредственно друг за другом в виде цепи конденсаторных модулей промежуточного контура соединены соответственно через второе низкоомное, высокоиндуктивное соединение и подключенное ему параллельно второе высокоомное, низкоиндуктивное соединение. При этом первое низкоомное, высокоиндуктивное соединение и второе низкоомное, высокоиндуктивное соединение имеют соответственно меньшее омическое сопротивление и большую индуктивность, чем соответственно первое высокоомное, низкоиндуктивное соединение и второе высокоомное, низкоиндуктивное соединение.
В этой связи "модульный" означает, что схема промежуточного контура силового преобразователя переменного тока имеет несколько отдельных компонентов, причем в отношении компонентом речь идет, прежде всего, о конденсаторах промежуточного контура, конденсаторных модулях промежуточного контура и соответствующих соединениях, которые сведены в общий промежуточный контур.
Под низкоомным соединением, прежде всего, понимается соединение, которое в отличие от высокоомного соединения имеет меньшее значение сопротивления. Предпочтительно, низкоомное сопротивление имеет, однако, значение сопротивления между 10 мкОм и 1 Ом, тогда как высокоомное соединение, предпочтительно, имеет значение сопротивления между 100 Ом и 10 МОм.
Под низкоиндуктивным сопротивлением понимается, прежде всего, соединение, которое в отличие от высокоиндуктивного сопротивления имеет меньшее значение индуктивности. Предпочтительно, низкоиндуктивное соединение имеет, однако, значение индуктивности между 10 нГн и 100 мкГн, тогда как высокоиндуктивное соединение, предпочтительно, имеет значение индуктивности между 10 мГн и 10 Гн.
В промежуточные контуры преобразователей переменного тока обычно встроены электрические конденсаторы. При высоких токах или высокой удельной мощности преобразователей переменного тока для эффективности может быть предпочтительной высокая токовая нагрузка при одновременно низкой собственной индуктивности конденсатора промежуточного контура. Меньшее эффективное последовательное сопротивление (ESR) и меньшая эффективная последовательная индуктивность (ESL) являются требованиями для хорошей эффективности. Низкоиндуктивное подсоединение конденсатора промежуточного контура к переключающему устройству также может приводить к повышению эффективности.
Поскольку модульная схема промежуточного контура может быть выполнена для больших токов от нескольких сотен до более чем тысячи ампер, в электрических проводниках возникают индуктивности, которые зависят от магнитной проницаемости материала проводника, поперечного сечения проводника и величины шлейфа проводников. Эти индуктивности являются паразитными и, предпочтительно, минимизируются. Прежде всего, эти индуктивности ненамеренно встраиваются в схему промежуточного контура за счет, например, катушки или тому подобного.
Согласно одному варианту осуществления соответственно одно переключающее устройство подключается параллельно конденсаторному модулю промежуточного контура и является соединяемым с ним. Предпочтительно, переключающие устройства соотносятся соответственно с одним конденсаторным модулем промежуточного контура и подключаются к нему параллельно. Переключающие устройства могут иметь по меньшей мере один первый и один второй соединительный вывод постоянного тока, так что они могут подключаться параллельно первому и второму соединительному выводу конденсаторного модуля промежуточного контура.
Согласно одному варианту осуществления переключающее устройство имеет по меньшей мере одно или более соединительных выводов переменного тока. Переключающее устройство эксплуатируется таким образом, что постоянное напряжение между его соединительными выводами постоянного тока преобразуется в переменное напряжение на его или их соединительных выводах переменного тока. Согласно одному варианту осуществления переключающее устройство может эксплуатироваться в обоих направлениях, то есть что переменное напряжение может преобразовываться в постоянное напряжение.
Каждый конденсаторный модуль промежуточного контура имеет по меньшей мере один конденсатор. Конденсатор действует в качестве конденсатора промежуточного контура для переключающего устройства. Во время процесса переключения переключающего устройства ток в конденсаторе изменяется. Поэтому он является частью коммутирующей схемы. Конденсатор промежуточного контура называется также коммутирующим конденсатором.
В одном рабочем состоянии силового преобразователя переменного тока с модульной схемой промежуточного контура между первым низкоомным, высокоиндуктивным соединительным выводом и вторым низкоомным, высокоиндуктивным соединительным выводом может быть приложено постоянное напряжение, которое соответственно питает переключающие устройства. Типичным образом переключающие устройства имеют выход переменного тока, причем за счет соответствующего управления переключающими устройствами из постоянного напряжения на выходе переменного тока вырабатывается переменное напряжение.
В другом рабочем состоянии силового преобразователя переменного тока с модульной схемой промежуточного контура между первым низкоомным, высокоиндуктивным соединительным выводом и вторым низкоомным, высокоиндуктивным соединительным выводом может вырабатываться постоянное напряжение за счет того, что переключающие устройства имеют вход переменного тока, и за счет соответствующего управления переключающими устройствам из переменного напряжения на входе переменного тока вырабатывается постоянное напряжение.
В одном из этих рабочих состояний схема промежуточного контура, которая соотнесена с соответствующим переключающим устройством, действует в качестве электрического буфера и, прежде всего, конденсатор промежуточного контура действует в качестве электрического промежуточного накопителя. Поэтому емкость и класс по напряжению конденсаторного модуля промежуточного контура или конденсатора промежуточного контура должны быть приведены в соответствие с возможными напряжениями и токами в рабочем состоянии силового преобразователя переменного тока.
Согласно одному варианту осуществления напряжение между первым соединительным выводом конденсаторного модуля промежуточного контура и вторым соединительным выводом конденсаторного модуля промежуточного контура в рабочем состоянии составляет по меньшей мере 1 кВ или по меньшей мере 3 кВ. Поэтому схема промежуточного контура выполнена для напряжений между первым соединительным выводом конденсаторного модуля и вторым соединительным выводом конденсаторного модуля по меньшей мере в 1 кВ или по меньшей мере в 3 кВ.
Каждый конденсаторный модуль промежуточного контура имеет по меньшей мере один конденсатор промежуточного контура. Дополнительно, конденсаторный модуль промежуточного контура может иметь другие типичным образом подключенные параллельно конденсатору промежуточного контура конденсаторы. Типичные емкости конденсаторного модуля промежуточного контура лежат в диапазоне от нескольких сотен микрофарад до более чем 1000 микрофарад, и могут выбираться в зависимости от напряжения промежуточного контура. Например, емкость может быть 400 мкФ для 3,6 кВ, 700 мкФ для 2,8 кВ, 1600 мкФ для 1,8 кВ или 9000 мкФ для 750 В. Эти дискретные значения задаются лишь посредством типичных целевых значений при изготовлении конденсаторов и ими не ограничиваются. Общая емкость задается посредством одного или нескольких включенных параллельно конденсаторов в конденсаторном модуле промежуточного контура.
Согласно одному варианту осуществления по меньшей мере один из конденсаторных модулей промежуточного контура дополнительно имеет второй конденсатор промежуточного контура, который подключен параллельно первому конденсатору промежуточного модуля. Прежде всего, несколько или все конденсаторные модули промежуточного контура могут дополнительно иметь второй конденсатор промежуточного контура. Могут использоваться и комбинироваться в схеме разные конденсаторы промежуточного контура.
Согласно одному варианту осуществления конденсаторный модуль промежуточного контура имеет собственную индуктивность (ESL) менее чем 100 нГн или менее чем 50 нГн.
Индуктивности соответственно первых соединительных выводов и вторых соединительных выводов конденсаторного модуля промежуточного контура, которые предусмотрены для подключения параллельно соответственно одному переключающему устройству, определяются, кроме того, длиной электрические соединений или размерами образующихся шлейфов проводников. Чем больше шлейфы проводников, тем больше индуктивность. Поэтому конденсаторный модуль промежуточного контура должен быть пространственно подключен наиболее близко к соответствующему переключающему устройству.
Согласно одному варианту осуществления для каждого конденсаторного модуля промежуточного контура предусмотрено по меньшей мере одно переключающее устройство, которое может быть подключено параллельно соединительным выводам соответствующего конденсаторного модуля промежуточного контура. Прежде всего, параллельно соединительным выводам соответствующих конденсаторных модулей промежуточного контура могут быть подключены также группы параллельно подключенных переключающих устройств. Группы переключающих устройств могут быть подключены в виде полного моста или в виде полумоста.
Согласно одному варианту осуществления группы переключающих устройств размещены в силовом фазовом модуле. Силовой фазовый модуль может быть использован в модульно выполненном преобразователе переменного тока для преобразования постоянного тока в переменный ток или переменного тока в постоянный ток. В преобразователе переменного тока несколько силовых фазовых модулей могут эксплуатироваться параллельно, независимо или зависимо друг от друга. Силовые фазовые модули выполнены компактно и могут размещаться в модульном преобразователе переменного тока рядом друг с другом с экономией места. Предпочтительно, силовой фазовый модуль является заменяемым.
Согласно одному варианту осуществления каждый силовой фазовый модуль соотнесен точно с одним конденсаторным модулем промежуточного контура, и наоборот. Это также означает, что каждое переключающее устройство соотнесено точно с одним конденсаторным модулем промежуточного контура.
Согласно одному варианту осуществления переключающее устройство имеет по меньшей мере один из следующих электронных компонентов: диод, силовой MOSFET и IGBT. Прежде всего, группы переключающих устройств могут иметь несколько диодных или IGBT полумостов или полных мостов.
При преобразовании постоянного напряжения в переменное напряжение переключающее устройство согласно одному варианту осуществления вырабатывает частоту или задает частоту, с которой постоянный ток будет преобразован в переменный ток с этой частотой. Для этого переключающее устройство может иметь устройство управления, прежде всего устройство управления затвором, или быть соединенным с управляющим устройством. Согласно одному варианту осуществления силовой фазовый модуль, прежде всего переключающее устройство, имеет один или несколько соединительных выводов управляющего устройства для управления одним или несколькими переключающими устройствами. Управление может происходить посредством электрических сигналов, например через медные проводники, или посредством оптических сигналов, например через световоды.
Низкоомное, высокоиндуктивное соединение имеет более высокую индуктивность, чем высокоомное, низкоиндуктивное соединение. Согласно одному варианту осуществления индуктивность определяется по существу размером шлейфа проводников при высоких напряжениях и токах и электропроводностью и поперечным сечением проводников. Размер шлейфа проводников задается механическим размещением модульных схем промежуточного контура.
Согласно одному варианту осуществления первые низкоомные, высокоиндуктивные соединения и вторые низкоомные, высокоиндуктивные соединения имеют по меньшей мере в два раза или по меньшей мере в пять раз более высокую индуктивность, чем первые высокоомные, низкоиндуктивные соединения и вторые высокоомные, низкоиндуктивные соединения.
Согласно одному варианту осуществления индуктивности и омические сопротивления первых высокоомных, низкоиндуктивных соединений и вторых высокоомных, низкоиндуктивных соединений по существу идентичны. Также индуктивности и омические сопротивления первых низкоомных, высокоиндуктивных соединений и вторых высокоомных, низкоиндуктивных соединений по существу идентичны. Предпочтительно, модульная схема промежуточного контура имеет поэтому симметрию.
За счет модульной конструкции модульной схемы промежуточного контура другие идентичные или почти идентичные конденсаторные модули промежуточного контура выполнены с возможностью подключения соединенными параллельно и друг с друг в виде цепи. Согласно одному варианту осуществления модульная схема промежуточного контура имеет три конденсаторных модуля промежуточного контура, и три конденсаторных модуля промежуточного контура соединены параллельно и в виде цепи. Модульная схема промежуточного контура может быть дополнительно расширяемой за счет других конденсаторных модулей промежуточного контура.
Согласно одному варианту осуществления модульная схема промежуточного контура образует цепную линию. При этом цепная линия составлена из подключенных в виде цепи идентичных четырехполюсников, и один четырехполюсник соответствует одному модулю схемы промежуточного контура. Возможная эквивалентная схема четырехполюсника образована соединенной последовательно с образованием четырехполюсника низкоомной, высокоиндуктивной RL-цепью и подключенной к ней параллельно высокоомной, низкоиндуктивной RL-цепью, а также подключенным параллельно четырехполюснику С-компонентом. С-компонент образован конденсаторным модулем промежуточного контура. Низкоомная, высокоиндуктивная RL-цепь образована первым и вторым низкоомным, высокоиндуктивным соединением, и высокоомна, низкоиндуктивная RL-цепь образована первым и вторым высокоомным, низкоиндуктивным соединением.
Факультативно, модули хотя и могут по своей структуре быть идентичными, но отдельные компоненты могут иметь разные соответствующие полные сопротивления.
Эквивалентная схема четырехполюсника может быть также описана в виде пассивного фильтра нижних частот второго порядка из первой подключенной последовательно к четырехполюснику RL-цепи и подключенного параллельно к четырехполюснику С-компонента с дополнительной второй RL-цепью, которая подключена параллельно первой RL-цепи. Постоянный ток и низкочастотные составляющие тока текут через низкоомную, высокоиндуктивную RL-цепь, а высокочастотные составляющие тока текут через высокоомную, низкоиндуктивную RL-цепь. Посредством омического сопротивления, предпочтительно, демпфируются высокочастотные составляющие тока.
Согласно одному варианту осуществления сопротивлением низкоомного, высокоиндуктивного соединения можно пренебречь. Тогда эквивалентная схема четырехполюсника соответствует LC колебательному контуру с подключенной параллельно L-компоненту дополнительной RL-цепью. За счет подводимых токов переключающих устройств, которые подключены параллельно С-компоненту (то есть, конденсаторному модулю промежуточного контура), возбуждаются колебательные токи. За счет этих колебательных токов повышается эффективное значение тока в конденсаторах промежуточного контура. За счет параллельного подключения первого высокоомного, низкоиндуктивного соединения и второго высокоомного, низкоиндуктивного соединения, параллельно к L-компоненту LC колебательного контура подключается RL-цепь с повышенным омическим сопротивлением. За счет этого демпфируется колебание.
Модуль схемы промежуточного контура представляет собой LC колебательный контур с подключенной параллельно L-компоненту RL-цепью, когда омическим сопротивлением низкоомного, высокоиндуктивного соединения можно пренебречь. Оптимально LC колебательный контур демпфировался бы подключенным параллельно L-компоненту R-компонентом. Однако на практике это невозможно, так как каждый R-компонент в действительности имеет также не ничтожно малую индуктивность L из-за механических расстояний и связанных с ними шлейфов проводников при больших токах. Демпфирование LC колебательного контура с помощью параллельного L-компонента дополнительного омического сопротивления имеет плоский оптимум при
В то время как постоянный ток и низкочастотная составляющая переменного тока текут через низкоомное, высокоиндуктивное соединение, более высокочастотные составляющие переменного тока направляются через низкоиндуктивное, высокоомное соединение с меньшей индуктивностью, но с более высоким омическим сопротивлением, и при этом демпфируются. Предпочтительно, за счет этого уменьшаются неиспользованные эффективные токи в низкоомных, высокоиндуктивных соединениях и в конденсаторах промежуточного контура.
Поскольку схема промежуточного контура выполнена для очень больших токов, то устройство без второй RL-цепи представляло бы собой очень слабо демпфированную CLCL-цепную линию из LC колебательных контуров. За счет подводимого тока переключающих устройств возбуждаются колебательные токи и повышается эффективное значение тока в конденсаторах промежуточного контура. За счет параллельного подключения второй RL-цепи демпфируются высокочастотные колебательные токи. Демпфирование является зависимым от частоты и следует из значений индуктивности и емкости LC колебательного контура.
opt
opt
Согласно одному варианту осуществления омическое сопротивление низкоиндуктивного, высокоомного соединения приведено в соответствие с оптимумом демпфирования, то есть при  с индуктивностью L низкоомного, высокоиндуктивного соединения и емкостью С конденсаторного модуля промежуточного контура, прежде всего омическое сопротивление низкоиндуктивного, высокоомного соединения находится в диапазоне от 0,1⋅R, до 10⋅R.
opt
Например, для оптимального демпфирования при емкости конденсаторного модуля промежуточного контура в 1000 мкФ и индуктивности низкоомного, высокоиндуктивного соединения в 25 нГн оптимум омического сопротивления R находится при 5 мОм. Тогда выбранное омическое сопротивления может находиться, предпочтительно, в диапазоне от 0,5 мОм до 50 мОм. При таких емкостях подлежащие демпфированию частоты находятся в диапазоне примерно между 5 кГц и 25 кГц.
В случае короткого замыкания в силовом фазовом модуле, прежде всего в одном из переключающих устройств, конденсатор или конденсаторы соответствующего конденсаторного модуля промежуточного контура очень быстро разряжаются. Другие конденсаторы прилегающих конденсаторных модулей промежуточного контура подают питание через низкоомные, высокоиндуктивные соединения и низкоиндуктивные, высокоомные соединения к месту короткого замыкания. Низкоиндуктивные, высокоомные соединения между конденсаторными модулями промежуточного контура за счет их омического сопротивления приводят к быстрому затуханию вызванных коротким замыканием колебаний. Большая часть энергии короткого замыкания будет преобразована в низкоиндуктивных, высокоомных соединениях в тепло и за счет этого обезврежена. Другие силовые фазовые модули, прежде всего другие переключающие устройства и конденсаторные модули промежуточного контура, за счет этого будут защищены от разрушения. Поэтому модульная схема промежуточного контура является, предпочтительным образом, устойчивой к импульсным токам.
Согласно одному варианту осуществления модульной схемы промежуточного контура первые соединительные выводы соседних конденсаторных модулей промежуточного контура соединены соответственно через третье низкоомное, высокоиндуктивное соединение, а вторые соединительные выводы соседних конденсаторных модулей промежуточного контура соединены соответственно через четверное низкоомное, высокоиндуктивное соединение. Тогда ток течет в первом и третьем низкоомном, высокоиндуктивном соединении в одном и том же направлении. Аналогично, ток во втором и четвертом низкоомном, высокоиндуктивном соединении течет в одном и том же направлении. Чтобы индуктивность шлейфов проводников могла быть уменьшена, два противоположных направления протекания тока должны прокладываться близи друг друга.
Согласно одному варианту осуществления модульная схема промежуточного контура может быть выполнена так, что соответственно к каждому низкоомному, высокоиндуктивному соединению подведено другое соответствующие низкоомное, высокоиндуктивное соединение с противоположным направлением тока. За счет пространственно близкой друг к другу прокладки обоих направлений тока эффективно минимизируется величина шлейфов проводников. За счет этого индуктивность снижается, и работа преобразователь переменного тока становится более эффективной.
Согласно одному варианту осуществления первое и второе низкоомное, высокоиндуктивное соединение, а также третье и четвертой низкоомное, высокоиндуктивное соединение проложены пространственно близко и участками параллельно. Аналогично, этому первое и четверное низкоомное, высокоиндуктивное соединение, в также второе и третье низкоомное, высокоиндуктивное соединение могут быть проложены пространственно близко и участками параллельно. Прежде всего, "пространственно близко и участками параллельно" означает, что между проводниками не располагается другой проводник с протекающим током.
Согласно одному варианту осуществления модульной схемы промежуточного контура первые соединительные выводы соседних конденсаторных модулей промежуточного контура соединены через третье высокоомное, низкоиндуктивное соединение, и вторые соединительные выводы соседних конденсаторных модулей промежуточного контура соединены через высокоомное, низкоиндуктивное соединение. Факультативно, два высокоомных, низкоиндуктивных соединения могут быть выполнены в виде общего соединения. При этом тогда они имеют удвоенное омическое сопротивление обоих других высокоомных, низкоиндуктивных соединений.
Чтобы индуктивность проводников может быть уменьшена, два противоположных направления тока должны быть проложены вблизи друг друга. Предпочтительно, высокоомные, низкоиндуктивные соединения участка расположены участками параллельно и с переменным направлением тока; или выполненное совместно соединение пространственно расположено между обоими другими соединениями. Прежде всего, между проводниками не располагается другой проводник с протекающим током.
Согласно одному варианту осуществления конденсаторный модуль промежуточного контура имеет третий соединительный вывод и четвертый соединительный вывод. Конденсаторный модуль промежуточного контура может также иметь другие соединительный выводы, например, в качестве измерительных контактов. Несколько соединительных выводов могут снижать индуктивность соединительных выводов. Предпочтительно, соединительные выводы выполнены так, что они имеют по существу идентичные полные сопротивления, так что становится возможным симметричное протекание тока в конденсаторный модуль промежуточного контура от всех соединительных выводов. Тогда конденсаторы в конденсаторном модуле промежуточного контура подключены, например, параллельно парам соединительных выводов.
Согласно одному варианту осуществления каждый конденсаторный модуль промежуточного контура дополнительно имеет третий соединительный вывод и четвертый соединительный вывод, и третьи соединительные выводы следующих соответственно непосредственно друг за другом в виде цепи конденсаторных модулей промежуточного контура соединены соответственно через третье низкоомное, высокоиндуктивное соединение, и четвертые соединительные выводы следующих соответственно непосредственно друг за другом в виде цепи конденсаторных модулей промежуточного контура соединены соответственно через четвертое низкоомное, высокоиндуктивное соединение.
Согласно одному варианту осуществления каждый конденсаторный модуль промежуточного контура дополнительно имеет третий соединительный вывод и четвертый соединительный вывод, и третьи соединительные выводы следующих соответственно непосредственно друг за другом в виде цепи конденсаторных модулей промежуточного контура соединены соответственно через третье высокоомное, низкоиндуктивное соединение, и четвертые соединительные выводы следующих соответственно непосредственно друг за другом в виде цепи конденсаторных модулей промежуточного контура соединены соответственно через четвертое высокоомное, низкоиндуктивное соединение.
Согласно одному варианту осуществления третьи соединительный выводы и четвертые соединительные выводы следующих соответственно непосредственно друг за другом в виде цепи конденсаторных модулей промежуточного контура соединены через два параллельных подключения, причем третьи высокоомные, низкоиндуктивные соединения подключены параллельно третьим низкоомным, высокоиндуктивным соединениям, и четверные высокоомные, низкоиндуктивные соединения подключены параллельно четверным низкоомным, высокоиндуктивным соединениям.
Согласно одному варианту осуществления вышеописанная цепная линия выполнена сдвоенной и пространственно таким образом, что возникает симметрия так, что проводники с протекающим током с противоположными направлениями токов простираются рядом друг с другом.
Кроме того, предлагается схема преобразователя переменного тока с модульной схемой промежуточного контура согласно вышеописанным вариантам осуществления. Схема преобразователя переменного тока имеет по меньшей мере два или более переключающих устройств по меньшей мере с соответственно одной парой соединительных выводов постоянного тока и по меньшей мере с соответственно одним первым соединительным выводом переменного тока, причем с каждым переключающим устройством соотнесен точно один конденсаторный модуль промежуточного контура, и пара соединительных выводов постоянного тока каждого переключающего устройства подключена параллельно соотнесенному конденсаторному модулю промежуточного контура.
Переключающее устройство может иметь одну или несколько групп переключающих устройств. Группы переключающих устройств имеют по меньшей мере один выход переменного тока, и с каждой группой переключающих устройств соотнесен точно один конденсаторный модуль промежуточного контура и является подключаемым к нему параллельно. Тогда соединительные выводы постоянного тока переключающих устройств объединены, например, в общий соединительный вывод постоянного тока.
Согласно одному варианту осуществления переключающее устройство выполнено таким образом, что от пары соединительных выводов постоянного тока к соединительному выводу переменного тока в рабочем состоянии переключающего устройства может протекать ток по меньшей мере в 500 А или по меньшей мерее 1000 А.
С помощью выработанного преобразователем переменного тока переменного тока может, например, приводить в действие электродвигатель для приведения в движение транспортного средства. Также током может обеспечиваться током бортовая электроника. Частота и напряжение на выходе или выходах переменного тока могут быть приведены в соответствие с использованием в транспортном средстве.
Кроме того, предлагается преобразователь энергии, прежде всего соединенные со схемой преобразователя переменного тока электрический двигатель или динамо-машина, причем с преобразователем энергии соединен по меньшей мере один соединительный вывод переменного тока переключающего устройства.
Преобразователь энергии может действовать в качестве динамо-машины, например, при процессе торможения с рекуперативным тормозом. Тогда электрическая энергия вырабатывается посредством динамо-машины из механической энергии и направляется к преобразователю переменного тока. Этот преобразователь преобразует переменный ток в постоянный ток.
Кроме того, предлагается транспортное средство, прежде всего рельсовое транспортное средство, с преобразователем энергии, прежде всего тяговым двигателем, для преобразования электрической энергии в энергию движения или наоборот. Наряду с тяговым двигателем, в качестве динамо-машины может быть использован рекуперативный тормоз. При этом преобразователь энергии подключен к схеме преобразователя переменного тока таким образом, что преобразователь энергии соединен по меньшей мере с одним из первых соединительных выводов переменного тока одного из переключающих устройств.
В качестве рельсового транспортного средства рассматриваются, прежде всего, поезда, поезда метрополитена, трамваи, высокоскоростные поезда или тому подобное.
Модульная схема промежуточного контура может быть реализована за счет того, что в силовой фазовый модуль интегрировано по меньшей мере одно переключающее устройство.
Согласно еще одному аспекту предлагается силовой фазовый модуль, в котором могут быть реализованы эти варианты осуществления.
Фигуры
Прилагаемые чертежи делают наглядными варианты осуществления и вместе с описанием служат для разъяснения принципов изобретения. Элементы чертежей представлены относительно друг друга и не обязательно с соблюдением масштаба. Одинаковые ссылочные знаки обозначают аналогичные детали.
Фиг. 1 показывает силовой фазовый модуль согласно одному варианту осуществления.
Фиг. 2 показывает силовой фазовый модуль согласно показанному на фиг. 1 варианту осуществления, причем удален поперечный мостик.
Фиг. 3 показывает силовой фазовый модуль согласно показанному на фиг. 1 варианту осуществления с подключенным конденсаторным модулем промежуточного контура.
Фиг. 4 показывает преобразователь переменного тока согласно одному варианту осуществления.
Фиг. 5 показывает подробный вид токоведущих шин согласно одному варианту осуществления.
Фиг. 6 показывает схематическое изображение компоновки преобразователя переменного тока.
Фиг. 7 показывает модульную схему промежуточного контура согласно одному варианту осуществления.
Фиг. 8 показывает упрощенную модульную схему промежуточного контура согласно одному варианту осуществления.
Фиг. 9 показывает модульную схему промежуточного контура для преобразователя переменного тока с 8 модулями.
Фиг. 10 показывает рельсовое транспортное средство согласно одному варианту осуществления.
Примеры осуществления
На фиг. 1 показан один вариант осуществления силового фазового модуля 10. Силовой фазовый модуль 10 имеет приблизительно форму сплющенного параллелепипеда с двумя имеющими большую площадь сторонами и четырьмя имеющими небольшую площадь сторонами. Стороны с небольшой площадью могут быть торцевыми сторонами силового фазового модуля 10. На торцевой стороне 12 силового фазового модуля 10 расположены первая пара 14 соединительных выводов постоянного тока и вторая пара 20 соединительных выводов постоянного тока. Кроме того, на торцевой стороне 12 расположены первая пара 15 конденсаторных соединительных выводов постоянного тока и вторая пара 21 конденсаторных соединительных выводов постоянного тока. На другой стороне, в данном случае противолежащей торцевой стороне 11 силового фазового модуля 10, расположен первый соединительный вывод 13 переменного тока. Второй соединительный вывод 22 переменного тока также расположен на противолежащей торцевой стороне 11.
Первое переключающее устройство 16 соединено с первой парой 14 соединительных выводов постоянного тока и с первым соединительным выводов 13 переменного тока. Переключающее устройство 16 расположено на охлаждающем устройстве 17, так что охлаждающее устройство 17 может отводить образующееся тепло из переключающего устройства 16 и из силового фазового модуля 10.
Кроме того, силовой фазовый модуль 10 имеет второе переключающее устройство 23, которое соединено с первой парой 14 соединительных выводов постоянного тока и со вторым соединительным выводом 22 переменного тока. Оно расположено рядом с первым переключающим устройством 16 на охлаждающем устройстве 17. Оба переключающих устройства 16, 23 расположены перпендикулярно торцевой поверхности.
Пары 15, 21 конденсаторных соединительных выводов постоянного тока расположены рядом друг с другом и между обоими парами 14, 20 соединительных выводов постоянного тока в одной плоскости и в одном ряду.
Пары 15, 21 конденсаторных соединительных выводов постоянного тока и пары 14, 20 соединительных выводов постоянного тока имеют соответственно первый соединительный вывод 14а, 15а, 20а, 21а и второй соединительный вывод 14b, 15b, 20b, 21b. Соединительные элементы расположены на соединительных выводах. Первые соединительный выводы 14а, 15а, 20а, 21а соединены друг с другом через первый поперечный мостик 18. Вторые соединительные выводы 14b, 15b, 20b, 21b соединены друг с другом через второй поперечный мостик 19. Части второго поперечного мостика 19 на фиг. 1 скрыты. Они показаны на фиг. 2, которая показывает вариант осуществления силового фазового модуля 10, у которого второй поперечный мостик 19 не показан.
Первые соединительные выводы 14а, 15а, 20а, 21а сформованы заодно с первым поперечным мостиком 18. Первый поперечный мостик 18 имеет металлический лист. Расположенные под углом области металлического листа образуют первые соединительные выводы 14а, 15а, 20а, 21а для подключения к токоведущим шинам. Соединительные элементы выполнены в виде отверстий для, например, резьбового соединения. Первые соединительные выводы 14а, 15а, 20а, 21а могут также иметь составную конструкцию, то есть быть собранным из нескольких деталей. Аналогично, но не обязательно идентично в одном варианте осуществления, это также относится ко второму поперечному мостику 19 и вторым соединительным выводам 14b, 15b, 20b, 21b. Первый поперечный мостик 18 и второй поперечный мостик 19 могут быть выполнены различно и, например, отличаться монолитностью конструкции, разными материалами или покрытиями.
Первый поперечный мостик 18 соединяет первый соединительный вывод 14а первой пары 14 соединительных выводов постоянного тока с первым переключающим устройством 16. Второй поперечный мостик 19 соединяет второй соединительный вывод 14b первой пары 14 соединительных выводов постоянного тока с первым переключающим устройством 16. За счет этого постоянный ток течет от первой пары 14 соединительных выводов через поперечный мостик 18, 19 в переключающее устройство 16 и там преобразуется. Выработанный переменный ток может сниматься на первом соединительном выводе 13 переменного тока. Наоборот, переменный ток также может преобразовываться в постоянный ток.
Первый и второй поперечные мостики 18, 19 простираются непосредственно рядом друг с другом и участками параллельно. Они пространственно расположены рядом друг с другом и электрически изолированы друг от друга, и выполнены для высоких напряжений выше 500 В, прежде всего напряжений между примерно 600 В и 4500 В, и больших токов более 100 А, прежде всего для токов от 100 А до 1000 А. Например, ток у сдвоенного переключающего модуля может составлять 500 А, а у одиночного переключающего модуля - 800 А. За счет максимальной мощности в рабочем состоянии приложенное напряжение может ограничивать протекание тока.
В этом варианте осуществления поперечный мостик 18, 19 имеет участок из металлического листа с большой площадью и по меньшей мере два расположенных под углом участка. Через поперечные мостики 18, 19 в рабочем состоянии течет большой ток в несколько сотен Ампер. Поэтому материал и толщина поперечных мостиков 18, 19 должны подбираться соответственно этой токовой нагрузке.
Участки из металлического листа с большой площадью поперечных мостиков 18, 19 могут быть по существу параллельны имеющим большую площадь сторонам силового фазового модуля. Поэтому поперечные мостики 18, 19 могут быть расположены поперек, то есть по существу перпендикулярно прохождению подключенных токоведущих шин.
Например, охлаждающее устройство 17 может быть расположено на одной из имеющих большую площадь сторон или вдоль одной из имеющих большую площадь сторон силового фазового модуля, или их образовывать.
Переключающее устройство 16 может быть расположено на охлаждающем устройстве 17. Охлаждающее устройство 17 может быть расположено на одной стороне переключающего устройства 16, а поперечные мостики 18, 19 расположены на противоположной стороне переключающего устройства 16.
В этом варианте осуществления переключающие устройства 16, 23 имеют сдвоенный переключающий модуль и поэтому соединены как с первым поперечным мостиком 18, так и со вторым поперечным мостиком 19. Сдвоенные переключающие модули выполнены электрически в виде двухполупериодного выпрямителя и могут преобразовывать потенциалы обоих поперечных мостиков 18, 19 для фазы переменного тока.
В одном рабочем состоянии каждое переключающее устройство 16, 23 может приводиться в действие независимо друг от друга посредством устройства 24 управления, прежде всего устройства управления затвором, в качестве двухполупериодного выпрямителя и вырабатывать переменный ток на соответствующих соединительных выводах 13, 22 переменного тока. Прежде всего, переключающие устройства имеют управляемые полупроводниковые элементы. Это могут быть полупроводниковые элементы с управляемыми электродами затвора. Тогда устройство 24 управления управляет напряжениями затвора на электродах затвора и за счет этого протеканием тока через полупроводниковые элементы или переключающие устройства 16, 23. Прежде всего, полупроводниковые элементы могут быть IGBT, и устройство управления включает в себя устройство 24 управления затвором затвора IGBT.
Согласно одному варианту осуществления устройство 24 управления быть расположено на противолежащей парам соединительных контактов силового фазового модуля торцевой стороне, которая также может называться второй или задней торцевой стороной.
Согласно одному варианту осуществления устройство 24 управления механически поддерживается охлаждающим устройством 17 или переключающими устройствами 16, 23.
Силовой фазовый модуль 10 на фиг. 1 имеет две пары 15, 21 конденсаторных соединительных выводов постоянного тока. При этом соединительные выводы 15а, 15b, 21а, 21b расположены в ряд таким образом, что в рабочем состоянии оба вторых соединительных вывода 15b, 21b находятся под одним потенциалом и снаружи окружены находящимися под другим потенциалом первыми соединительными выводами 15а, 21а. Образуется зеркальная симметрия соединительных выводов и за счет этого потенциалов. В этом варианте осуществления соединительные выводы обеих пар 14, 20 соединительных выводов также обладают зеркальной симметрией. Первые соединительные выводы 14а, 15а, 20а, 21а и вторые соединительные выводы 14b, 15b, 20b, 21b могут быть заменены на соответствующий соединительный вывод соответствующей пары. Зеркальная симметрия при этом сохраняется. Симметрия имеет преимущество, что полное сопротивление на соединительных выводах для обоих направления тока одинаково или почти одинаково. За счет этого становится возможным более равномерное протекание тока.
Соединительные выводы 14а, 15а, 20а, 21а, 14b, 15b, 20b, 21b постоянного тока для подключения к токоведущим шинам или к конденсаторному модулю промежуточного контура могут иметь соединительные элементы для электрического соединения и/или крепежные средства для механического закрепления. В этом примере осуществления для введения соответствующего контактного элемента и/или крепежного средства предусмотрены отверстия.
Соединительные элементы конденсаторных соединительных выводов 21, 15 постоянного тока могут быть выполнены иначе, чем соединительные элементы пар 14, 20 соединительных выводов постоянного тока. Например, могут изменяться размеры отверстий или могут использоваться совершенно разные соединительные элементы. Расстояние между первым соединительным выводом 14а, 15а, 20а, 21а и вторым соединительным выводом 14b, 15b, 20b, 21b у пары 15, 21 или пар конденсаторных соединительных выводов постоянного тока также может быть иного размера, чем у пары 14, 20 или пар соединительных выводов переменного тока. Пары 15, 21 конденсаторных соединительных выводов соединяются с соединительным элементом и конденсаторным модулем промежуточного контура, а пары 14, 20 соединительных выводов соединяются с токоведущими шинами.
Силовой фазовый модуль 10 на фиг. 1 имеет устройство 24 управления затвором. Устройство 24 управления затвором соединено с переключающими устройствами 16, 23. Оно управляет переключающими устройствами 16, 23 таким образом, что приложенное к переключающему устройству 16, 23 постоянное напряжение преобразуется в переменное напряжение, или наоборот. При этом переключающее устройство может иметь, прежде всего, IGBT с управляемым затвором.
Устройство 24 управления затвором задает частоту, с которой управляются переключающие устройства 16, 23, таким образом, что на соответствующих выходах 13, 22 переменного тока вырабатывается переменное напряжение с соответствующей частотой. Частоты и/или кривые напряжения на выходах переменного тока могут быть различными. Прежде всего, переменные напряжения могут быть согласованы друг с другом, так что разные фазовые входы электродвигателя могут питаться от разных выходов 13, 22 переменного тока.
Охлаждающее устройство 17 может иметь гидравлические соединители для ввода охлаждающего средства в охлаждающее устройство 17 или вывода из охлаждающего устройства. Предпочтительно, гидравлические соединители расположены на торцевой стороне 12, так что при подключении путем надвигания силового фазового модуля 10 на пары токоведущих шин и конденсаторный модуль промежуточного контура охлаждающее устройство также будет с помощью своих гидравлических соединителей подсоединено к системе транспортировки охлаждающего средства.
На фиг. 2 показан вариант осуществления силового фазового модуля 10 согласно фиг. 1 без второго поперечного мостика 19 и первых соединительных выводов 14b, 15b, 20b, 21b, пар 15', 21' конденсаторных соединительных выводов постоянного тока и пар 14', 20' соединительных выводов постоянного тока.
На фиг. 1 второй поперечный мостик 19 скрывает, что переключающее устройство 16 соединено с первым поперечным мостиком 18. Также переключающее устройство 16 соединено с относящимся к нему соединительным выводом 13 переменного тока.
На фиг. 3 показан силовой фазовый модуль 10 с подключенным конденсаторным модулем 30 промежуточного контура. Конденсаторный модуль 30 промежуточного контура имеет четыре соединительных вывода и поэтому подключен как в первой паре 15конденсаторных соединительных выводов постоянного тока, так и ко второй паре 21 конденсаторных соединительных выводов постоянного тока.
Переключающие устройства 16, 23 контактируют с помощью соответственно двух контактных точек с поперечными мостиками 18, 19. Каждое переключающее устройство выполнено в виде сдвоенного переключающего модуля и имеет два полумоста, причем каждый полумост контактирует с помощью одной контактной точки с поперечными мостиками.
Конденсаторный модуль 30 промежуточного контура имеет по меньшей мере один конденсатор, который пригоден для использования в качестве конденсатора промежуточного контура. Поперечные мостики 18, 19 вместе с конденсатором конденсаторного модуля 30 промежуточного контура являются частью промежуточного контура в рабочем состоянии силового фазового модуля 10 или преобразователя переменного тока. При этом конденсатор промежуточного контура является частью коммутирующего контура, то есть электрическим контуром, в котором в процессе переключения переключающего устройства 16, 23 изменяется ток. Поэтому конденсатор промежуточного контура конденсаторного модуля 30 промежуточного контура называется также коммутирующим конденсатором.
Электрическое соединение между переключающими устройствами 16, 23 и конденсаторным модулем 30 промежуточного контура является низкоиндуктивным. Это достигается компактной конструкцией силового фазового модуля 10. Конденсаторный модуль 30 промежуточного контура является пространственно близким и тем самым низкоиндуктивно подключен к переключающим устройствам 16, 23. Дополнительно, поперечные мостики 18, 19 расположены вблизи друг друга или друг над другом. За счет этого пути тока в поперечных мостиках 18, 19 между переключающими устройствами 16, 23, конденсаторным модулем 30 промежуточного контура и парами 14, 20 соединительных выводов постоянного тока оптимально перекрываются, и индуктивность силового фазового модуля 10 уменьшается.
На фиг. 4 показан преобразователь переменного тока согласно варианту осуществления с двумя силовыми фазовыми модулями 10, 10*. По причинам наглядности показаны только два силовых фазовых модуля 10, 10*. Дополнительные силовые фазовые модули могут быть расположены рядом с другими в соответствии с ориентацией обоих показанных силовых фазовых модулей. Силовые фазовые модули 10, 10* расположены рядом друг с другом так, что их торцевые поверхности ориентированы в одном направлении. Пары соединительных выводов постоянного тока подключены соответственно к парам 31, 32 токоведущих шин, которые проходят за торцевыми сторонами силового фазового модуля 10, 10*. Пары 31, 32 токоведущих шин имеют первую токоведущую шину 31а и вторую токоведущую шину 31b, третью токоведущую шину 32а и четвертую токоведущую шину 32b. Подробный вид пары 32 токоведущих шин показан на фиг. 5.
С каждым силовым фазовым модулем 10, 10* соотнесен конденсаторный модуль 30, 30* промежуточного контура, и каждый силовой фазовый модуль 10, 10* соединен с соотнесенным с ним конденсаторным модулем 30, 30* промежуточного контура. На изображении согласно фиг. 4 второй конденсаторный модуль 30* промежуточного контура не виден, так как он расположен за другим силовым фазовым модулем 10* на его торцевой стороне. Соединение создается электрически и механически через соединительные элементы. Соединительными элементами с соответствующими контактными элементами являются отверстия или гайки и винты.
Пары 31, 32 токоведущих шин простираются по существу параллельно друг другу и находятся на таком расстоянии друг от друга, что между парами 31, 32 токоведущих шин может быть помещен конденсаторный модуль 30 промежуточного контура. Соединительные выводы пар 31, 32 токоведущих шин и соединительные выводы конденсаторного модуля 30 промежуточного контура расположены в одной плоскости и в один ряд, так что силовой фазовый модуль своей торцевой стороной может быть сдвинут вперед в этой плоскости и подключен.
Преобразователь переменного тока имеет пары 33, 34 соединителей. Первый соединитель 33а, второй соединитель 33b, третий соединитель 34а и четвертый соединитель 34b электрически соединяют друг с другом конденсаторные модули 30 промежуточного контура. В зависимости от числа соединительных выводов конденсаторных модулей 30 промежуточного контура или числа пар конденсаторных соединительных выводов постоянного тока силовых фазовых модулей 10, 10* число соединителей 33а, 33b, 34а, 34b может изменяться. Предпочтительно, число соединителей 33а, 33b, 34а, 34b равно числу соединительных выводов пар конденсаторных соединительных выводов, так что могут соединяться все соединительные выводы. Соединители 33а, 33b, 34а, 34b соединяют конденсаторные модули 30 промежуточного контура, так что они подключены параллельно.
У преобразователя постоянного тока с соединителями 33а, 33b, 34а, 34b согласно одному варианту осуществления как конденсаторные модули 30, 30* промежуточного контура, так и переключающие устройства 16, 16* в силовых фазовых модулях 10, 10* подключены параллельно. В дополнение к параллельному подключению посредством соединителей 33а, 33b, 34а, 34b, переключающие устройства 16, 16* и конденсаторные модули 30, 30* промежуточного контура подключены параллельно посредством токоведущих шин 31а, 31b, 32а, 32b и поперечных мостиков 18, 19, 18*, 19*. Это второе параллельное подключение имеет более высокую индуктивность и меньшее омическое сопротивление, чем соединители 33а, 33b, 34а, 34b. Поэтому конденсаторные модули 30, 30* промежуточного контура подключены электрически параллельно, с одной стороны, через два низкоиндуктивных, высокоомных соединения и, с другой стороны, через два высокоиндуктивных, низкоомных соединения.
Согласно одному варианту осуществления материал соединителей 33а, 33b, 34а, 34b имеет большее удельное сопротивление, чем материал токоведущих шин 31а, 31b, 32а, 32b. Например, соединители 33а, 33b, 34а, 34b выполнены по существу из стали, а токоведущие шины 31а, 31b, 32а, 32b выполнены по существу из меди или алюминия.
Соединители 33а, 33b, 34а, 34b выполнены, например, из металлического листа. Он может быть участками составным, так что при снятии конденсаторного модуля 30, 30* промежуточного контура соединители 33а, 33b, 34а, 34b должны сниматься только на местах соединения с конденсаторным модулем 30, 30* промежуточного контура.
На фиг. 5 показан подробный вид пары 32 токоведущих шин с первой токоведущей шиной 32а и второй токоведущие шиной 32b. Токоведущие шины механически соединены друг с другом посредством изоляции 35 и электрически изолированы друг от друга. Изоляция может состоять из твердого материала, например, синтетического материала.
Токоведущие шины могут иметь соответствующий контактный элемент 36 для закрепления на соединительном элементе пары соединительных выводов постоянного тока. В этом варианте осуществления соответствующий контактный элемент является стержнем с резьбой или без резьбы для закрепления, например, гайки или клеммы на паре 14, 20 соединительных выводов постоянного тока.
На фиг. 6 показано упрощенное схематическое изображение конструкции модульного преобразователя переменного тока. Для наглядности показаны только два силовых фазовых модуля 10, 10*. Каждый силовой фазовый модуль 10, 10* имеет переключающее устройство 16, 16* и охлаждающее устройство 17, 17*. Соединительные выводы переменного тока или управляющие устройства на этом изображении не показаны.
Согласно одному варианту осуществления силовой фазовый модуль имеет по меньшей мере устройство 24 управления для управления переключающим устройством 16, 23. Предпочтительно, устройство управления расположено на другой торцевой стороне 11. Прежде всего, устройство управления может быть устройством 24 управления затвором, и управление переключающим устройством 16, 23 может выполняться через затвор полупроводникового компонента.
Силовые фазовые модули 10, 10* подключены к паре 31, 32 токоведущих шин. Между парами 31, 32 токоведущих шин расположены конденсаторные модули (30), 30* промежуточного контура. С каждым силовым фазовым модулем 10, 10* соотнесен конденсаторный модули (30), 30* промежуточного контура, однако на данном изображении виден только один из обоих конденсаторных модулей (30), 30* промежуточного контура. Другой конденсаторный модуль 30** промежуточного контура расположен так, что другой силовой фазовый модуль с одинаковой ориентацией обоих других силовых фазовых модулей 10, 10* может быть размещен над ним.
Конденсаторные модули промежуточного контура подключены параллельно через соединители 33а, 33b, 34а, 34b. Дополнительно, конденсаторные модули промежуточного контура подключены параллельно через поперечные мостики 18, 19, 18*, 19* и пары 31, 32 токоведущих шин.
На фиг. 7 показан вариант осуществления модульной схемы промежуточного контура. Эскизно изображены три конденсаторных модуля 30 промежуточного контура. Переключающие устройства 16 подключены параллельно соответственно одному конденсаторному модулю 30 промежуточного контура. Для наглядности ссылочными обозначениями снабжены только одно из переключающих устройств 16 и только один из конденсаторных модулей 30 промежуточного контура. Три показанных переключающих устройства 16 и три конденсаторных модуля промежуточного контура 30 в этом варианте осуществления являются идентичными. Конденсаторные модули 30 промежуточного контура имеют соответственно первый соединительный вывод и второй соединительный вывод, причем первые соединительные выводы двух следующих соответственно непосредственно друг за другом конденсаторных модулей 30 промежуточного контура соединены через первое низкоомное, высокоиндуктивное соединение VL1 и первое высокоомное, низкоиндуктивное соединение VR1, вторые соединительные выводы двух следующих соответственно непосредственно друг за другом конденсаторных модулей 30 промежуточного контура соединены через второе низкоомное, высокоиндуктивное соединение VL2 и второе высокоомное, низкоиндуктивное соединение VR2, первое высокоомное, низкоиндуктивное соединение VR1 подключено параллельно второму высокоомному, низкоиндуктивному соединению VR2, и первое низкоомное, высокоиндуктивное соединение VL1 подключено параллельно второму низкоомному, высокоиндуктивному соединению VL2.
Посредством первого низкоомного, высокоиндуктивного соединения VL1 и второго низкоомного, высокоиндуктивного соединения VL2 два следующих соответственно непосредственно друг за другом конденсаторных модуля 30 промежуточного контура подключены параллельно низкоомно и высокоиндуктивно. Дополнительно, посредством первого высокоомного, низкоиндуктивного соединения VR1 и второго высокоомного, низкоиндуктивного соединения VR2 два следующих соответственно непосредственно друг за другом конденсаторных модуля 30 промежуточного контура подключены параллельно высокоомно и низкоиндуктивно.
Полные сопротивления первого низкоомного, высокоиндуктивного соединения VL1 и второго низкоомного, высокоиндуктивного соединения VL2 одинаковы, и полные сопротивления первого высокоомного, низкоиндуктивного соединения VR1 и второго высокоомного, низкоиндуктивного соединения VR2 одинаковы. Поэтому модульная схема промежуточного контура обладает симметрией, которая делает возможным симметричное протекание тока в обоих направлениях тока.
Конденсаторные модули 30 промежуточного контура в варианте осуществления согласно фиг. 7 имеют соответственно по одному конденсатору промежуточного контура. Поэтому показанные конденсаторы образуют соответственно конденсаторный модуль 30 промежуточного контура. Каждый конденсатор промежуточного контура имеет первый соединительный вывод и второй соединительный вывод, и первый соединительный вывод и второй соединительный вывод конденсатора промежуточного контура образуют одновременно первый соединительный вывод и второй соединительный вывод конденсаторного модуля промежуточного контура. Факультативно, также несколько конденсаторов промежуточного контура образуют конденсаторный модуль 30 промежуточного контура.
DC
DC
DC
DC
Низкоомные, высокоиндуктивные соединения VL1, VL2 могут быть реализованы, например, посредством двух параллельных токоведущих шин 30а, 30b и поперечного мостика 18. В рабочем состоянии между верхней токоведущей шиной 30а и нижней токоведущей шиной 30b приложено постоянное напряжение U. Это постоянное напряжение U питает переключающие устройства 16, которые посредством устройства управления генерируют переменное напряжение. Соответствующие конденсаторы промежуточного контура в конденсаторных модулях 30 промежуточного контура служат в качестве промежуточных накопителей и буферов. Между первым соединительным выводом и вторым соединительным выводом конденсаторного модуля промежуточного контура 30 приложено напряжение U*. Подключение конденсаторных модулей 30 промежуточного контура является параллельным и в виде цепи относительно приложенного между первым соединительным выводом и вторым соединительным выводом конденсаторного модуля 30 промежуточного контура постоянного напряжения U*.
Низкоомные, высокоиндуктивные соединения VL1, VL2 показаны пунктирными линиями и содержат соответственно три индуктивности и одно омическое сопротивление. Высокоомные, низкоиндуктивные соединения VR1, VR2 показаны штриховыми линиями и содержат соответственно одну индуктивность и одно омическое сопротивление. При этом омическое сопротивление в высокоомных, низкоиндуктивных соединения VR1, VR2 соответственно больше, чем омическое сопротивления в низкоомных, высокоиндуктивных соединениях VL1, VL2.
Показанные на фиг. 7 индуктивности и омические сопротивления определяются по существу размером шлейфов проводников, электропроводностью проводников и поперечным сечением проводников. Поскольку преобразователь переменного тока выполнен в виде силового преобразователя переменного тока с большими токами, то проводники должны быть соответствующим образом приведены в соответствие этому. Например, проводники, которые образуют низкоомные, высокоиндуктивные соединения VL1, VL2, содержат материал с высокой электропроводностью, прежде всего медь или алюминий, а проводники, которые образуют высокоомные, низкоиндуктивные соединения VR1, VR2, содержат материал с меньшей электропроводностью, прежде всего сталь.
На фиг. 8 показано упрощенное изображение схемы согласно фиг. 7. Омические сопротивления низкоомных, высокоиндуктивных соединений VL1, VL2 и индуктивности высокоомных, низкоиндуктивных соединений VR1, VR2 уже не показаны. На практике проводники без омического сопротивления или без индуктивности сами по себе не возможны. Поэтому специалист должен понимать схему так, что проводники отличаются по существу или их индуктивными свойствами или их омическими свойствами.
Поскольку промежуточный контур выполнен для очень больших токов, то структура без высокоомных, низкоиндуктивных соединений VR1, VR2 представляет собой очень слабо демпфированную LC цепную линию. На изображении согласно фиг. 8 модульная схема промежуточного контура образует LC цепную линию с дополнительным параллельным L-компоненту R-компонентом. При этом индуктивностью высокоомных, низкоиндуктивных соединений VR1, VR2, а также омическим сопротивлением низкоомных, высокоиндуктивных соединений VL1, VL2 пренебрегают. L-компонент образован посредством индуктивности L первых низкоомных, высокоиндуктивных соединений VL1 и вторых низкоомных, высокоиндуктивных соединений VL2, а С-компонент образован посредством емкости С конденсаторного модуля 30 промежуточного контура, причем L-компонент и С-компонент образуют LC колебательный контур, и R-компонент дополнительно подключен параллельно L-компоненту. R-компонент образован посредством первого высокоомного, низкоиндуктивного соединения VR1 и второго высокоомного, низкоиндуктивного соединения VR2. Поэтому омическое сопротивление высокоомных, низкоиндуктивных соединений VR1, VR2 подключено так, что оно демпфирует колебания LC колебательного контура.
DC
DC
opt
opt
В дополнение к постоянным напряжениям U и постоянному напряжению U* за счет переключающего устройства и LC колебательного контура в системе создаются паразитные составляющие переменного напряжения. Составляющие переменного тока снижают эффективность преобразователя переменного тока и должны демпфироваться. Для оптимального демпфирования LC колебательного контура омическое сопротивление первых высокоомных, низкоиндуктивных соединений VR1 и вторых высокоомных, низкоиндуктивных соединений VR2 находится в диапазоне от 0,1⋅R до 10⋅R, и  с индуктивностью L низкоомных, высокоиндуктивных соединений VL1, VL2 и емкостью С конденсаторного модуля 30 промежуточного контура.
Модульная схема промежуточного контура согласно фиг. 7 и 8 может быть расширена посредством дополнительных конденсаторных модулей промежуточного контура с соответствующим подключением параллельно и в виде цепи с другими конденсаторными модулями 30 промежуточного контура. Прежде всего, модульная схема промежуточного контура может содержать, например, от 1 до 6 или от 1 до 8 конденсаторных модулей 30 промежуточного контура. Все конденсаторные модули 30 промежуточного контура в цепи подключены между собой идентично их соседним конденсаторным модулям 30 промежуточного контура. Исключением являются оба конденсаторных модуля 30 промежуточного контура на краях цепи, так как они имеют только одного непосредственно соседа.
На фиг. 8 показана часть схемы, которая соответствует одному силовому фазовому модулю 10. При этом переключающее устройство 16 и часть низкоомных, высокоиндуктивных соединений VL1, VL2, а именно поперечные мостики 18, являются частью силового фазового модуля 10. Высокоомные, низкоиндуктивные соединения VR1, VR2 не являются частью силового фазового модуля. Силовой фазовый модуль 10 надевается на токоведущие шины 30а, ЗОЬ и таким образом образует с ними и расположенными на силовом фазовом модуле 10 поперечными мостиками 18 низкоомные, высокоиндуктивные соединения VL1, VL2. Модульная схема промежуточного контура в этом варианте осуществления создается лишь с помощью силового фазового модуля 10.
На фиг. 9 показан вариант осуществления модульной схемы промежуточного контура. Показаны восемь модулей. Для наглядности переключающие устройства не показаны. Они являются подключаемым соответственно параллельно конденсаторным модулям 30 промежуточного контура. Все конденсаторные модули 30 промежуточного контура подключены параллельно и в виде цепи. Они имеют четыре соединительных вывода. Далее, для лучшей наглядности ссылочные обозначения показаны только один раз. Каждый модуль схемы промежуточного контура имеет идентичные составные части.
Аналогично, фиг. 8, на фиг. 9 омические сопротивления низкоомных, высокоиндуктивных соединений VL1, VL2, VL3, VL4, а также индуктивности высокоомных, низкоиндуктивных соединений VR1, VR2, VR3, VR4 не показаны.
DC
В варианте осуществления согласно фиг. 9 конденсаторный модуль 30 промежуточного контура имеет соответственно два конденсатора промежуточного контура. Конденсаторы промежуточного контура подключены между первым соединительным выводом и вторым соединительным выводом, а также между третьим соединительным выводом и четвертым соединительным выводом конденсаторного модуля 30 промежуточного контура. Второй и третий соединительные выводы находятся под одним и тем же потенциалом, и первый и второй соединительные выводы находятся под одним и тем же потенциалом. Между первым и вторым соединительным выводом или между третьим и четвертым соединительным выводом в рабочем состоянии приложено постоянное напряжение U*. Относительно этого постоянного напряжения оба конденсатора промежуточного модуля подключены параллельно. Четыре соединительных вывода конденсаторного модуля промежуточного контура соединены соответственно через одно из низкоомных, высокоиндуктивных соединений VL1, VL2, VL3, VL4 и одно из высокоомных, низкоиндуктивных соединений VR1, VR2, VR3, VR4. При этом первое высокоомное, низкоиндуктивное соединение VR1 подключено параллельно второму высокоомному низкоиндуктивному соединению VR2, первое низкоомное, высокоиндуктивное соединение VL1 подключено параллельно второму низкоомному, высокоиндуктивному соединению VL2, третьи высокоомные, низкоиндуктивные соединения VR3 подключены параллельно четвертым высокоомные низкоиндуктивным соединениям VR4, и третьи низкоомные, высокоиндуктивные соединения VL3 подключены параллельно четвертым низкоомные, высокоиндуктивным соединениям VL4.
Прежде всего, четыре низкоомных высокоиндуктивным соединения VL1, VL2, VL3, VL4 являются отделенными друг от друга и по существу, а именно в отношении деталей, которые определяют их электрические свойства, отсоединенными друг от друга. Также аналогично, но независимо от этого, высокоомные, низкоиндуктивные соединения VR1, VR2, VR3, VR4 являются отделенными друг от друга и по существу, а именно в отношении деталей, которые определяют их электрические свойства, отсоединенными друг от друга.
DC
DC
Постоянное напряжение U приложено соответственно между одной из токоведущих шин 31а, 31b первой пары 31 токоведущих шин и одной из токоведущих шин 32а, 32b второй пары 32 токоведущих шин. Постоянное напряжение U в рабочем состоянии, в котором модульная схема промежуточного контура используется в схеме преобразователя переменного тока для выработки переменного тока, питает не показанные переключающие устройства. С одного выхода переменного тока переключающего устройства может сниматься переменное напряжение. В другом рабочем состоянии преобразователь переменного тока может, наоборот, вырабатывать из переменного напряжения постоянное напряжение.
Модульная схема промежуточного контура на фиг.9 выполнена так, что пространственно рядом с каждым проводником с протекающим током расположен другой проводник с протекающим током, направление тока в котором противоположно относительно первого проводника. За счет этого минимизируется величина шлейфов проводников и снижается индуктивность. Поэтому схема преобразователя переменного тока может быть также геометрически преобразована в преобразователе переменного тока. Часть схемы, которая соответствовала бы силовому фазовому модулю 10 преобразователя переменного тока, на фиг. 9 также показана, причем переключающее устройство не показано.
На фиг. 10 показано рельсовое транспортное средство 100 согласно одному варианту осуществления. При этом схема преобразователя переменного тока может быть соединена с преобразователем энергии, прежде всего тяговым двигателем, для преобразования электрической энергии в энергию движения или наоборот таким образом, что преобразователь переменного тока соединен по меньшей мере с одним из первых соединительных выводов переменного тока одного из переключающих устройств. Наряду с тяговым двигателем, также бортовая электроника или рекуперативный тормоз могут быть подключены к схеме преобразователя переменного тока через соединительный вывод переменного тока соединенного с ним переключающего устройства.
Описанные выше варианты осуществления могут произвольно комбинироваться друг с другом, например, конденсаторные модули 30 промежуточного контура согласно фиг. 7 и 8 имеют также несколько конденсаторов промежуточного контура.
Даже если здесь представлены и описаны специфические варианты осуществления, в рамках объема настоящего изобретения находится подходящее изменение показанных вариантов осуществления без отклонения от объема охраны настоящего изобретения. Нижеследующие пункты формулы изобретения представляют собой первую не ограничивающую попытку общего определения изобретения.