[0001] Die Erfindung bezieht sich auf einen Transformator für ein elektrisch angetriebenes
Fahrzeug.
[0002] Elektrische Lokomotiven und Triebwagen für Wechselstrombahnen haben üblicherweise
eingangsseitig einen Transformator. Moderne Fahrzeuge weisen Stromrichter zur Antriebssteuerung
auf, die an die Sekundärseite des Transformators angeschlossen sind. Fahrzeuge mit
Drehstromantriebstechnik haben üblicherweise auch auf der Netzseite getaktete Stromrichter
(Vierquadrantensteller = 4QS), mit denen sich ein nahezu sinusförmiger Netzstromverlauf
erzielen läßt. Jedoch ergeben sich aus der Taktfrequenz der netzseitigen Stromrichter
unerwünschte höhere Harmonische im Netzstrom des Fahrzeuges, deren Frequenz bis in
den Tonfrequenzbereich reicht. Sie müssen im Hinblick auf mögliche nachteilige Beeinflussungen
von Signalanlagen der Bahnen und von Fernsprechkabeln begrenzt werden.
[0003] Um die Netzstrom-Harmonischen im Tonfrequenzbereich abzuschwächen, wurde bisher dem
Transformator auf der Primärseite ein Störstromfilter vorgeschaltet, wie z.B. aus
der BBC-Druckschrift DVK 1357 85D,

Drehstromantriebstechnik: Entwicklung und Bewährung neuer elektrischer Komponenten
am Beispiel der Lokomotiven der Baureihe (BR) 120 der DB" oder aus der AEG/ABB/Siemens-Druckschrift
VT 62.89/26

Triebköpfe der Baureihe 401 des Hochgeschwindigkeitszuges ICE für die Deutsche Bundesbahn
(siehe Seite 2, Bild 2) bekannt und in Fig. 9 dargestellt ist. Darin ist die Wirkung
der taktenden Vierquadrantensteller in einer resultierenden, auf die Primärseite umgerechneten
Stellerspannung Ust' zusammengefaßt (U0 = Netzspannung, U1 = Eingangsspannung). Ohne
weitere Filterelemente werden die Harmonischem im Netzstrom im wesentlichen nur durch
die Kurzschlußinduktivität LT zwischen Ober- und Unterspannungsseite (OS und US) des
Transformators bestimmt. Dabei sei die Netzimpedanz Z0 klein gegen LT. Um sie abzuschwächen,
wird dem Transformator der Filterquerzweig, bestehend aus Filterkondensator (Filterkapazität)
CF*, Filterwiderstand (Dämpfungswiderstand) RF*, vorgeschaltet. Bei kleiner Netzimpedanz
ZO kann eine Filterwirkung nur erzielt werden, wenn zusätzlich noch eine Filterdrossel
(Filterinduktivität) LF* in den Längszweig geschaltet wird. Da sie vom vollen Eingangsstrom
I1 (Netzstrom) durchflossen wird, läßt sich mit vertretbarem Aufwand nur eine Induktivität
LF* realisieren, die wesentlich kleiner ist als LT. Abschwächend wirkt das Filter
nur für Frequenzen, die hinreichend oberhalb der durch LF* und CF* bestimmten Filtereigenfrequenz
liegen. Daraus folgt eine Mindestgröße für CF*. Der Filterwiderstand RF* ist notwendig,
um die Neigung des Filters zu Resonanzen zu begrenzen. Nachteilhaft an diesem bekannten
Filterkonzept sind folgende Gesichtspunkte:
- Alle Filterelemente sind auf der Primärseite des Transformators und müssen also hochspannungsmäßig
ausgelegt und gestaltet werden. Dies ist besonders aufwendig für die vom Hauptstrom
durchflossene Filterdrossel.
- Die kleine realisierbare Filterinduktivität LF* zieht eine entsprechend große Filterkapazität
CF* nach sich, um die gewünschte Eigenfrequenz zu erreichen. Sie bedingt entsprechend
große Verluste im Dämpfungswiderstand RF* schon allein durch den Grundschwingungs-Ladestrom.
- Das Filter erniedrigt die Eingangsimpedanz des Fahrzeuges und kann beim Vorhandensein
von Harmonischen in der Netzspannung den Störstrom sogar erhöhen.
[0004] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Transformator für ein elektrisch
angetriebenes Fahrzeug mit Störstromfilter anzugeben, mit dem der Aufwand zur Störstromfilterung
reduziert wird.
[0005] Diese Aufgabe wird alternativ in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs erfindungsgemäß
durch die im Kennzeichen der Ansprüche 1 und 2 angegebenen Merkmale gelöst.
[0006] Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile liegen insbesondere darin, daß die große
im Transformator realisierte Induktivität für die Störstromfilterung benutzt wird.
Entsprechend kleiner kann die zur Erzielung der gewünschten Eigenfrequenz notwendige
Filterkapazität gewählt werden. Hierdurch werden die Verluste herabgesetzt. Die Bauelemente
des Störstromfilters müssen nicht mehr für Hochspannung ausgelegt werden. Insgesamt
ergeben sich beträchtliche Vorteile aufgrund der zu erzielenden Raumbedarfreduktion,
der Gewichtsreduktion und der Kostenreduktion.
[0007] Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung.
[0008] Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
[0009] Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele
erläutert. Es zeigen:
- Fig. 1
- ein Ersatzschaltbild für einen Transformator mit Filter an einer eigenen Filterwicklung,
- Fig. 2a, b,c
- Filterschaltungen zur Figur 1,
- Fig. 3
- ein Wicklungsschema mit besonderer Filterwicklung (

Zweiwickler"),
- Fig. 4
- die Benutzung einer Lage der Oberspannungswicklung für den Filteranschluß (Sparschaltung),
- Fig. 5
- ein Schema eines Transformators mit Filteranschlüssen in Sparschaltung (

Zweiwickler"),
- Fig. 6
- einen Filteranschluß über Saugdrosseln an einen Transformator (

Vierwickler") in Sparschaltung,
- Fig. 7a, b, c
- eine Integration von Saugdrossel und Filterdrossel,
- Fig. 8a, b
- ein Einfachfilter für einen Transformator mit Filterwicklungssparschaltung,
- Fig. 9
- ein Ersatzschaltbild für einen Transformator mit separatem Störstromfilter (= Stand
der Technik),
- Fig. 10
- eine Alternative zur Anordnung nach Fig. 7a ohne Saugdrossel.
[0010] In Fig. 1 ist ein Ersatzschaltbild für einen Transformator mit Filter an einer besonderen
Filterwicklung dargestellt. Durch eine besondere Störstromfilterwicklung FiW zwischen
Primär- und Sekundärwicklungen läßt sich die großem Transformator realisierte Induktivität
für die Filterung nutzen. Die Spannung an dieser besonderen Filterwicklung kann so
gewählt werden (vorzugsweise ≤ 1000 V), daß das Filter nicht mehr für Hochspannung
ausgelegt werden muß. Im T-förmigen Ersatzschaltbild des Transformators ist die Transformator-Kurzschlußinduktivität
LT von Fig. 9 jetzt durch die Induktivitäten L1+L2 ersetzt. Dabei sollte der Anteil
L1 im Bereich von 30% bis 70% von LT liegen. Dann ist L1 ein Mehrfaches von der bisher
realisierbaren zusätzlichen Filterinduktivität LF* nach Fig. 9. Entsprechend kleiner
kann die Filterkapazität bemessen werden und zusätzlich kann dennoch eine niedrigere
Filtereigenfrequenz und damit eine weitergehende Abschwächung der Störströme erreicht
werden. Die Eingangsimpedanz der Gesamtschaltung wird durch dieses Filter weniger
erniedrigt.
[0011] Die dritte, dem Filterzweig zugeordnete Induktivität Lfi im Transformator-Ersatzschaltbild
soll möglichst klein sein (Fi = Filterwicklungsanschluß). Dann hat das Ersatzschaltbild
nach Fig. 1 dieselbe Struktur wie das nach Fig. 9. Je nach den im Transformator vorliegenden
Kopplungsverhältnissen kann die Induktivität Lfi sogar schwach negativ ausfallen.
[0012] Mögliche Ausgestaltungen des Filters zeigen die Fig. 2a bis 2c. Das Ersatzschaltbild
ist hierbei auf die Primärseite bezogen, alle hierin verwendeten Filterelemente sind
in der Realität mit dem Quadrat des Übersetzungsverhältnisses zwischen Filterwicklung
und Oberspannungswicklung zu denken.
[0013] Die Filterwirkung wird beschrieben durch das Übertragungsverhalten

, mit dem die Harmonischen in der OS-bezogenen Stellerspannung Ust' in Stromharmonische
des Eingangsstromes I1 umgesetzt werden. Ohne Filter verläuft es als

, also mit 1/f (f= Frequenz).
[0014] Fig. 2a stellt das einfache CF-RF-Filter dar, mit Filterkondensator CF und Filterwiderstand
RF. Wenn die Induktivität Lfi nahezu Null ist, bewirkt das Filter oberhalb seiner
Eigenfrequenz einen Abfall TR(f) mit 1/f
2. Bei der Eigenfrequenz, in die für ZO<<L1 die Parallelschaltung der Induktivitäten
L1, L2 und der Filterkondensator CF eingehen, wird TR durch das Filter vergrößert,
und zwar um so mehr, je weniger das Filter durch den Filterwiderstand RF bedämpft
wird.
[0015] Fig. 2b zeigt eine weitere Ausgestaltung des Filters mit einer Filterdrossel LF,
im Vergleich mit LF* gemäß Fig. 9 jedoch im Querzweig und damit vorteilhaft für nur
sehr geringe Strombelastung auszulegen. Die Filterdrossel LF kann benutzt werden,
um
- a)
- bei einer Transformatorkonstruktion mit negativer Induktivität Lfi diese Induktivität
zu kompensieren und so auf die mit Fig. 9 gleichwertige Struktur zu kommen (also

),
- b)
- dem Filter Saugkreisverhalten zu verleihen und damit bei der durch LF+LFi mit CF gegebenen
Frequenz bereits eine besonders große Abschwächung zu erzielen. Diese Frequenz kann
in den Bereich gelegt werden, in dem die Harmonischen besonders groß sind oder besonders
stören. Erkauft wird dies damit, daß oberhalb dieser Frequenz die Abschwächung zwar
auf einem niedrigeren Niveau als ohne Filter, aber nur noch mit TR(f)∼1/f geht.
[0016] Eine Kombination der Saugkreiswirkung mit einer zu höheren Frequenzen stärkeren Abschwächung
wird durch die Ausstattung des Filters mit einem Parallelwiderstand RP zu LF nach
Fig. 2c erreicht.
[0017] Die auf der Netzseite erwünschte Wirkung der Filterwicklung und des Filters ist aus
dem Ersatzschaltbild in Fig. 1 und 2a bis 2c vollständig ableitbar. Statt der einzelnen
Stellerspannungen der n mit versetzter Taktung am gleichen Transformator arbeitenden
Vierquadrantensteller ist hier nur der Mittelwert der n Spannungen als resultierende
Stellerspannung USt' einzusetzen. Gegebenenfalls sind auch Unsymmetrien durch etwas
unterschiedliche Bewertungen der Einzelspannungen in der Mittelwertbildung zu berücksichtigen.
Die Anzahl n der Vierquadrantensteller und zugehörigen Transformatorwicklungen kann
üblicherweise 2, 3, 4 oder 6 sein. Das Ersatzschaltbild zeigt jedoch nicht die Stromkreise
der n einzelnen Vierquadrantensteller und den Einfluß des Filters auf sie.
[0018] Die anzustrebende gute Entkopplung der n Wicklungen für die einzelnen Vierquadrantensteller
erlaubt es zur Erleichterung des Verständnisses, sich ersatzweise n einzelne Transformatoren
für die n Vierquadrantensteller zu denken, die jeder eine eigene Filterwicklung haben.
Die n Filterwicklungen können nun parallel oder in Reihe geschaltet und mit dem gemeinsamen
Filter verbunden werden. Wenn die Induktivität des Gesamttransformators LT ist und
sich in L1 und L2 aufgliedert, so haben die n Einzeltransformatoren entsprechend

. Es ist nun offensichtlich, daß bei Parallelschaltung der Filterwicklung alle n im
Ersatzschaltbild den Vierquadrantenstellern zugewandten Induktivitäten n·L2 in dem
Filterknoten verbunden sind. Die n Vierquadrantensteller werden gleichmäßig versetzt
getaktet, so daß sich ihre niedrigen Taktfrequenz-Harmonischen (unterhalb der n-fachen
Frequenz eines Vierquadrantenstellers) zum Netz hin weitestgehend auslöschen. Jedoch
in den einzelnen Vierquadrantenstellern selbst und den ihnen zugeordneten Transformatorenwicklungen
bilden sich am ausgeprägtesten die niederen Stromharmonischen aus. Die sie begrenzende
Induktivität ist in diesem Fall nur noch n·L2 zwischen Vierquadrantensteller und Filterknoten,
während sie ohne den Filterknoten n·LT ist. Das heißt, diese dominierenden Stromharmonischen
werden durch den Filterknoten etwa doppelt so groß.
[0019] Diesen Nachteil vermeidet man mit der Reihenschaltung der Filterwicklungen. Dann
wirkt das Filter nur auf die Harmonischen, die sich nicht sowieso schon gegenseitig
auslöschen, sondern im Netz erscheinen. Für die sich auslöschenden Harmonischen ist
die volle Induktivität n·LT wirksam wie ohne Filter. Damit führt das Filter kaum noch
zu einer Vergrößerung des effektiven Oberschwingungsstromes in den Vierquadrantenstellern
und Transformatorenwicklungen.
[0020] Fig. 3 zeigt am Beispiel n=2 die Schaltung und Wicklungsanordnung eines solchen Transformators
mit Reihenschaltung der Filterwicklung FiW1, FiW2 (

Zweiwickler"). Mit US1, US2 sind die Unterspannungswicklungen bezeichnet. Der eine
der Filterwicklungsanschlüsse Fi liegt z.B. auf Erdpotential.
[0021] Die Filterwicklung beansprucht Platz im Wickelfenster und vergrößert damit gegebenenfalls
den Transformator. Im Fall, daß die OS-Wicklung als Lagenwicklung ausgebildet ist,
kann statt einer zusätzlichen Filterwicklung auch die der US-Wicklung gegenüberliegende,
am Erdpotential anzuschließende erste Lage der OS-Wicklung als Filterwicklung mitbenutzt
werden. Fig. 4 zeigt diese Benutzung einer Lage der Oberspannungswicklung für den
Filteranschluß (Sparschaltung, Fi = Filterabgriff an Oberspannungswicklung = Filterwicklungsanschluß).
Fig. 5 zeigt hierzu ein Schema eines Transformators mit Filteranschlüssen in Sparschaltung
(

Zweiwickler", F1, F2 = Filterabgriffe an Oberspannungswicklung = Filterwicklungsanschlüsse).
[0022] Bei dieser Sparschaltung der Filterwicklungen, wie für n=2 in Fig. 5 skizziert, ist
allerdings zunächst die Möglichkeit der Reihenschaltung verwehrt. Sie kann jedoch
durch Zusammenschalten der Filterabgriffe F1, F2.... über Stromteilerdrosseln (= Saugdrosseln)
SD ersetzt werden, weil damit weitestgehend die Gleichheit der Ströme wie bei der
Reihenschaltung erzwungen wird. Fig. 6 zeigt hierzu einen Filteranschluß über Saugdrosseln
an einen Transformator (

Vierwickler") in Sparschaltung (F1, F2, F3, F4 = Filterabgriffe an Oberspannungswicklung
= Filterwicklungsanschlüsse).
[0023] Bei einem System mit n = 4 Wicklungen und Vierquadrantenstellern sind allerdings,
wie in Fig. 6 dargestellt, schon drei Saugdrosseln SD1, SD2, SD3 erforderlich. Am
vorteilhaftesten ist daher diese Alternative bei n=2. Die Fig. 7a, 7b zeigen einige
Ausgestaltungen in diesem Fall.
[0024] Fig. 7a steht für alle Filtermodifikationen, wie in Fig. 2a, 2b, 2c gezeigt.
[0025] In Fig. 7b sind die Funktionen der Filterdrossel LF und der Saugdrossel SD zu einer
Drossel LF'' zusammengefaßt.
[0026] In Fig. 7c ist dieser Ansatz für n>2 verallgemeinert (F1, F2, F3, F4...Fn = Filterabgriffe
an Oberspannungswicklung = Filterwicklungsanschlüsse).
[0027] In Fig. 10 ist eine Alternative zur Anordnung nach Fig. 7a ohne Saugdrossel dargestellt.
Ausgehend von einer Schaltung nach den Figuren 5 und 7a entfällt die Saugdrossel SD
und jeder Filterabgriff F1, F2 der Oberspannungswicklung ist mit einem eigenen Filter
(Filtermodifikationen siehe Fig. 2a bis 2c) beschaltet. Jedes der beiden Filter wirkt
auf alle Harmonischen des zugeordneten Stellers. Im Vergleich zu den Schaltungen gemäß
Fig. 5 und 7a treten höhere Verluste in den Filterwiderständen auf.
[0028] Für Anwendungen, die mit einem kleinen Filter auskommen, z.B. weil vorwiegend im
höheren Frequenzbereich eine Abschwächung notwendig ist, kann auf die Saugdrossel
und Filterdrossel ganz verzichtet werden. Nach Fig. 8a wird das Filter dann sehr einfach,
wenn der Filterwiderstand in zwei Teile mit je 2·RF aufgespalten wird und zugleich
die Aufgabe der Stromteilung mit übernimmt. Es wird dabei in Kauf genommen, daß über
der Reihenschaltung 4·RF die durch die versetzte Taktung bedingte Differenzspannung
der Abgriffe F1 und F2 anliegt und zusätzliche Verluste erzeugt. Da bei einem kleinen
Filter der Filterwiderstand RF vergleichsweise groß sein kann, ist das vertretbar.
[0029] Dieser Gedanke ist auch auf Systeme mit n>2 gut übertragbar, wie in Fig. 8b gezeigt
ist. Der Filterwiderstand wird dabei in n Teile mit je n·RF aufgeteilt.
1. Transformator für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug, gekennzeichnet durch mindestens eine im Transformator integrierte Störstromfilterwicklung (FiW),
die eine oder mehrere Lagen der Oberspannungswicklung nutzt, die der Unterspannungswicklung
benachbart sind, wodurch hinsichtlich der Störstromfilterwicklung eine Spartransformatorschaltung
gebildet wird, wobei an den Filterwicklungsanschlüssen (Fi, F1....Fn) mindestens ein
Filter angeschlossen ist, das aus der Reihenschaltung mindestens eines Filterwiderstandes
(RF) und eines Filterkondensators (TF) besteht.
2. Transformator für ein elektrisch angetriebenes Fahrzeug, gekennzeichnet durch eine
im Transformator integrierte Störstromfilterwicklung (FiW), die separat zwischen Oberspannungs-
und Unterspannungswicklung angeordnet ist, wobei an den Filterwicklungsanschlüssen
(Fi) ein Filter angeschlossen ist, das aus der Reihenschaltung mindestens eines Filterwiderstandes
(RF) und eines Filterkondensators (TF) besteht.
3. Transformator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Störstromfilterwicklung
in mehrere, in Reihe geschaltete Einzelwicklungen aufgeteilt ist, wobei jeder Unterspannungswicklung
eine eigene Einzelwicklung (FiW1, FiW2) zugeordnet ist (Fig. 3).
4. Transformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei durch die Spartransformatorschaltung
gebildete Filterabgriffe (F1, F2) über eine Saugdrossel (SD) miteinander verbunden
sind, wobei der Anschluß für das Filter durch den Mittenabgriff der Saugdrossel gebildet
wird (Fig. 7a).
5. Transformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei vier durch die Spartransformatorschaltung
gebildeten Filterabgriffen (F1, F2, F3, F4) jeweils zwei Filterabgriffe (F1 und F2,
F3 und F4) über eine Saugdrossel (SD1, SD2) miteinander verbunden sind und daß die
Mittenabgriffe dieser beiden Saugdrosseln mit einer dritten Saugdrossel (SD3) verbunden
sind, deren Mittenabgriff den Anschluß für das Filter bildet (Fig. 6).
6. Transformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei n (n=2,3,4,...) durch
die Spartransformatorschaltung gebildeten Filterabgriffen (F1, F2, F3, F4....Fn) jeweils
die n Filterabgriffe über eine Drossel (D1....Dn) mit einem gemeinsamen Knotenpunkt
verbunden sind, wobei der Anschluß für das Filter durch den gemeinsamen Verbindungspunkt
aller Drosseln gebildet wird (Fig. 7c).
7. Transformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei durch die Spartransformatorschaltung
gebildete Filterabgriffe (F1, F2) über zwei gleiche Teilwiderstände (2RF) miteinander
verbunden sind, wobei der Anschluß für das Filter durch den gemeinsamen Verbindungspunkt
beider Teilwiderstände gebildet wird (Fig. 8a).
8. Transformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei n (n=3,4,..) durch
die Spartransformatorschaltung gebildeten Filterabgriffen (F1, F2, F3, F4...Fn) jeweils
die n Filterabgriffe über n gleiche Teilwiderstände (nRF) mit einem gemeinsamen Knotenpunkt
verbunden sind, wobei der Anschluß für das Filter durch den gemeinsamen Verbindungspunkt
aller Teilwiderstände gebildet wird (Fig. 8b).
9. Transformator nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilwiderstände
(2RF, nRF) zugleich die Funktion des Filterwiderstandes (RF) erfüllen.
10. Transformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei durch die
Spartransformatorschaltung gebildete Filterabgriffe (F1, F2, F3, F4...Fn) direkt miteinander
verbunden sind, um den Anschluß für das Filter zu bilden.
11. Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter
zusätzlich eine in Reihe geschaltete Filterdrossel (LF) aufweist (Fig. 2b).
12. Transformator nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur Filterdrossel
(LF) ein Parallelwiderstand (RP) angeordnet ist (Fig. 2c).
13. Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß verschiedene
Filter oder für verschiedene Frequenzen dimensionierte Filter parallelgeschaltet sind.
14. Transformator nach Anspruch 4, 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens
eine Saugdrossel bzw. Drossel (SD, SD1, SD2, SD3, D1...Dn) zugleich die Funktion der
Filterdrossel (LF) erfüllt (Fig. 7a).