IGBT versus GCT in der Mittelspannungsanwendung – ein experimenteller und simulativer Vergleich

Das deutsche und weitere Teile des europäischen Schienennetzes sind mit einer einphasigen Wechselspannung von 15kV, 16 2/3 Hz elektrifiziert. Auf den Bahnfahrzeugen wird die hohe Netzspannung mit einem Transformator auf eine Leistungshalbleiter und Motoren günstige Spannung heruntergesetzt. Dieser niederfrequente Transformator macht einen erheblichen Teil des Gewichts, des Volumens und der Verluste eines Bahnantriebs aus. Daher gehen Forschungsaktivitäten dahin, ihn durch leichtere und effizientere leistungselektronische Komponenten zu ersetzen. In der vorliegenden Arbeit wird ein transformatorloses Konzept entworfen und detailliert untersucht, bei dem das Antriebssystem eines Fahrzeugs direkt an den 15kV Fahrdraht angeschlossen und die Isolation der Netzspannung bis in den Motor geführt wird.

Auf Basis einer simulationsgestützten Analyse und ersten Auslegung der wesentlichen Teilkomponenten - Motoren, Halbleiter und Stromrichter - wird zunächst eine Konzeptentscheidung für ein System mit in Reihe geschalteten Antrieben getroffen. Für dieses Konzept werden mögliche Leistungshalbleiter (IGBTs) und Multilevel-Stromrichter ausführlich hinsichtlich ihrer Verluste, ihrer Netzrückwirkungen und der einzusetzenden passiver Filter untersucht. Mit den in der Entwurfsphase bestimmten Systemparametern wird schließlich ein Regelungskonzept zur Regelung des Leistungsbezugs des Antriebssystems vorgestellt.