AT402458B - Wandlerschaltung - Google Patents

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AT402458B AT0255093A AT255093A AT402458B AT 402458 B AT402458 B AT 402458B AT 0255093 A AT0255093 A AT 0255093A AT 255093 A AT255093 A AT 255093A AT 402458 B AT402458 B AT 402458B
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Description

AT 402 458 B
Oie Erfindung bezieht sich auf eine Wandlerschaltung zur Umwandlung einer stark schwankenden Eingangsgleichspannung entsprechend der Fahrspannung von Nahverkehrstriebfahrzeugen in eine erste galvanisch getrennte 3-Phasen Ausgangs-Wechselspannung sowie in eine zweite, von der ersten unabhängige Ausgangs-Gleichspannung, gekennzeichnet durch die Kombination der folgenden, zum Teil an sich bekannten Merkmale:
Die Speisespannung für Nahverkehrstriebfahrzeuge, wie Straßenbahn, U-Bahn, beträgt je nach System üblicherweise 600 V oder 750 V Gleichspannung, wobei Schwankungen von + 30% zu berücksichtigen sind. Diese Speisespannungen sollen mit einer Wandlerschaltung in zumindest zwei voneinander unabhängige Bordnetzspannungen umgewandelt werden, nämlich in eine 3-Phasen Wechselspannung, z.B. 3x400/230 V bei 50 Hz und in eine Gleichspannung, z.B.24 V = . Die Wechselspannung dient z.B. zur Speisung von Klimaanlagen, Asynchronmotoren für Lüfter etc., die Gleichspannung zur Speisung anderer Verbraucher und zum Laden der Bordbatterien. Diese beiden erzeugten Bordnetze sind voneinander unabhängig belastbar.
Sollen Wandler der gegenständlichen Art auch für zwei Spannungssysteme einsetzbar sein, so ergibt sich ein extremer Eingangsspannungsbereich von 420 V bis 975 V. Weiters muß ein Wandler über einen sehr hohen Temperaturbereich einsatzfähig sein und er soll bei möglichst hohem Wirkungsgrad geringes Gewicht besitzen.
Es sind verschiedene Ausführungen von Wandlern zur Bereitstellung eines Bordnetzes bekannt geworden. Einige in Dokumenten beschriebene Wandler seien nachstehend erwähnt.
Ein Wandler für die elektrische Versorgung der europäischen Standard-Reisezugwagen ist beispielsweise in ZEV-Glasers Annalen 100 (1976) Nr. 6, Seiten 187-191 beschrieben. Dort wird ein Drehstrom-Bordnetz von einem statischen Viersystem-Umrichter gespeist, der hochspannungsseitig mit einer der vier UlC-Spannungen (1500 V = , 3000 V = , 1500 V - 50 Hz, 1000 V - 16 2/3 Hz) verbunden ist. Ein Gleichstromsteller arbeitet mit sieben seriell geschalteteten Thyristoren, zu denen weitere sieben Löschthyristoren parallelgeschaltet sind. Die Löschenergie muß ständig von dem Drehstromwechselrichter verbraucht werden, wodurch der Gleichstromsteller nicht leerlauffest ist. Die Netzspannung wird von einem dem Drehstromwechselrichter nachgeschalteten Isoliertransformator erzeugt. Der Spannungsverlauf weist rechteckige oder zweistufige Form aufund ist nicht zur Speisung handelsüblicher Geräte geeignet.
Aus der DE-A-27 13 667 geht der prinzipielle Aufbau eines Wandlers hervor, der eingangsseitig an einer der vorhin erwähnten UlC-Spannungen liegen kann, und der ausgangsseitig 24 oder 110 V Gleichspannung, 380/220 V, 50 Hz 3-Phasen Wechselspannung sowie eine veränderbare Gleichspannung bis 1000 V für den Motor einer Kältemaschine liefert. Die Eingangsspannung wird - gegebenenfalls nach Gleichrichtung - einem Mittelfrequenz-Wechselrichter zugeführt, der einen Transformator speist, dessen drei Sekundärwicklungen zur Gewinnung der genannten Spannungen dienen, wobei je eine Gleichrichtung erfolgt und - für das 50 Hz Netz - noch ein Wechselrichter nachgeschaltet ist.
Der Artikel "Static Converters for Rolling Stock" in "Alsthom Review", Nr. 4/1986, p.39-50 beschäftigt sich mit den prinzipiellen Anforderungen und Bauarten von Wandlern der gegenständlichen Art und deren Baugruppen, wobei auf Wandler für Eisenbahn- und für Nahverkehrsfahrzeuge eingegangen wird und ebenso auf Mehrsystem-Wandler.
Die EP-A-0 115 857 beschreibt eine Energieversorgungseinrichtung, deren Eingangsspannung zunächst gleichgerichtet und sodann einem 400 Hz Thyristorwechselrichter zugeführt wird. Kernstück dieser bekannten Einrichtung ist ein magnetischer Spannungskonstanthalter, der gleichzeitig Transformator ist und dem die ungeregelte Wechselspannung des Thyristorwechselrichters zugeführt ist. Da der magnetische Spannungskonstanthalter einen Spannungsbereich von 1:5 ausregeln soll, ergibt sich eine teure und auch schwere Bauart.
Ein Nutzverbraucher ist ohne weitere Regelung direkt an eine Sekundärwicklung des Spannungskonstanthalters angeschlossen und an dieselbe Wicklung bzw. an Abgriffe dieser Wicklung ist ein sechs Thyristoren aufweisender gesteuerter Gleichrichter angeschlossen, dem ein Wechselrichter für einen Drehstrommotor folgt. Um bei geringer Motorlast keine zu hohe Scheinleistung zu erhalten, werden zwei Thyristoren einer Brücke nicht mehr gezündet. Ein weiterer, ähnlich aufgebauter Ausgangskreis ist für die Batterieladung vorgesehen.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Wandlerschaltung für Nahverkehrstriebfahrzeuge zu schaffen, die bei geringem Gewicht einen hohen Wirkungsgrad.
Diese Aufgabe wird mit einer Wandlerschaltung der eingangs genannten Art gelöst, die erfindungsgemäß durch die Kombination der folgenden Merkmale gekennzeichnet ist: - ein Eingangsfilter, - ein geregelter Tiefsetzsteller zur Erzeugung einer ersten Zwischenkreisspannung unter Verwendung eines gesteuerten Schalters mit zumindest einem IGBT-Transistor, 2
AT 402 458 B - ein Halbbrücken-Wechselrichter mit IGBT-Transistoren zur Speisung der Primärwicklung eines galvanisch trennenden Transformators, - eine von einer ersten Sekundärwicklung dieses Transformators gespeiste erste Gleichrichterschaltung zur Erzeugung einer zweiten Zwischenkreisspannung, die z.B. mittels einer Mittelanzapfung der ersten Sekundärwicklung symmetriert ist, - ein zumindest sechs gesteuerte IGBT-Transistoren aufweisender, an der zweiten Zwischenkreisspannung liegender Drehwechselrichter, - ein dem Drehwechselrichter nachgeschaltetes Ausgangsfilter zur Erzeugung einer sinusförmigen Ausgangsspannung, wobei der Nulleiter des 3-Phasensystems an dem Symmetriepunkt und an der Mittelanzapfung der ersten Sekundärwicklung liegt, - ein von einer zweiten, eine Mittelanzapfung aufweisenden Sekundärwicklung des Transformators gespeister zweiter Vollweg-Gleichrichter und - ein dem zweiten Gleichrichter nachgeschaltetes Filter sowie ein getakteter Längsregler.
Die erfindungsgemäße Schaltung des Wandlers führt bei geringen Bauteilkosten zu einem Minimum an Verlusten. Durch die angegebene Verwendung von IGBT-Transistoren ergeben sich gegenüber der Verwendung von Thyristoren oder GTO-Thyristoren weniger Beschränkungen hinsichtlich der Strom- und Spannungsbelastung und der Schaltzeiten, wodurch die Schaltfrequenzen erheblich vergrößert werden können, und folglich kann auch der Aufwand für den galvanisch trennenden Transformator und die zugehörigen Ansteuerschaltungen gesenkt werden.
Weitere Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung samt anderer Vorteile ist im folgenden an Hand beispielsweiser Ausführungsformen näher erläutert, die in der Zeichnung veranschaulicht sind. In dieser zeigen Fig. 1 eine Schaltung einer Wandleranordnung nach der Erfindung und Fig. 2 einen Teil dieser Schaltung in einer Variante.
Gemäß Fig. 1 enthält eine Wandlerschaltung nach der Erfindung ein Eingangsfilter Li, Οί das über seine Längsinduktivität Li an der Eingangsgleichspannung UE liegt, welche - wie eingangs erwähnt -typischerweise zwischen 420 und 975 Volt liegen kann. Dieses Eingangsfilter unterdrückt in bekannter Weise Spannungsspitzen des Netzes. Ein parallel zu dem Kondensator Ci des Eingangsfilters liegender Thyristor KThy schützt den Eingang vor Überpsannung. Zu diesem Zweck ist für den Thyristor KThy eine Ansteuerschaltung St 1 vorgesehen, deren Eingang am Ausgang eines Spannungswandlers Wa 1 für die Eingangsspannung UE liegt. Der Thyristor KThy wird ab einer vorgegebenen Eingangsspannung, z.B. 1600 V gezündet.
Auf das Eingangsfilter folgt ein geregelter Tiefsetzsteller TS, der bei diesem Ausführungsbeispiel zwei in Serie liegende IGBT-Transistoren Τι, T2 aufweist, für die eine Ansteuerschaltung St 2 vorgesehen ist. Für den aus den beiden IGBT-Transistoren bestehenden Schalter Ti + T2 ist hier als Freilaufdiode die Serienschaltung zweier Dioden Di, D2 vorgesehen. Der Tiefsetzsteller TS enthält weiters eine Längsdrossel L2, auf die ein Stromwandler Wa 2 folgt.
Der Tiefsetzsteller TS erzeugt eine erste Zwischenkreisspannung UZki . die von einem Spannungswandler Wa 3 erfaßt wird, dessen Ausgang zur Ansteuerung der Ansteuerschaltung St 2 mit deren Eingang verbunden ist.
Bei einem praktischen Ausführungsbeispiel liegt die Schaltfrequenz des gesteuerten Schalters Ti + T2 bei etwa 5 kHz; sie kann üblicherweise zwischen 1 und 20 kHz liegen. Die erste Zwischenkreisspannung U2ki beträgt bei einem Ausführungsbeispiel 400 Volt.
Auf den Tiefsetzsteller TS folgt nun ein Halbbrücken-Wechselrichter HWR, der über zwei IGBT-Transistoren Ta, T* die Primärwicklung W1P eines Transformators Tr speist. Diese Primärwicklung W1P liegt einerseits am Verbindungspunkt zweier in Serie an der Zwischenkreisspannung UZKi liegender Kondensatoren C2, C3 bzw. andererseits am Verbindungspunkt der in Serie an der Zwischenkreisspannung liegenden IGBT-Transistoren Ta, T* , die von einer Ansteuerschaltung St 3 im Gegentakt mit einer Schaltfrequenz von z.B. 20 kHz angesteuert werden. Durch eine hohe, vorzugsweise über der Hörgrenze liegende Schaltfrequenz ist es möglich, den Transformator Tr mit sehr geringem Gewicht und Volumen herzustellen. Beispielsweise kann der Transformator Tr bei einer Schaltfrequenz von 20 kHz und einer Leistung von 12 kW ein Gewicht von lediglich 20 kg aufweisen.
Der Transformator Tr besitzt zwei getrennte Sekundärwicklungen W1S bzw. W2S. Die erste Sekundärwicklung W1S besitzt eine Mittelanzapfung und speist eine erste, aus vier Dioden D3 ... De bestehende Vollweg-Gleichrichterschaltung zur Erzeugung einer zweiten Zwischenkreisspannung UZK2 , die mit Hilfe der genannten Mittelanzapfung symmetriert ist. Ein dem Gleichrichter nachgeschaltetes symmetrisches Filter, bestehend aus zwei Längsdrosseln U, Ls und zwei Kondensatoren C4, Cs sorgt für die Spannungsglättung.
Die zweite, ebenfalls von einem Spannungswandler Wa 4 erfaßte Zwischenkreisspannung Uzk2 beträgt bei einem Ausführungsbeispiel etwa 600 Volt. Sie liegt über eine Sicherung Sil an einem Drehwechselrich- 3

Claims (13)

  1. AT 402 458 B ter DWR, der sechs gesteuerte Schalter enthält, genauer gesagt IGBT-Transistoren Ta ... T(, welche von einer Ansteuerschaltung St 5 mit einer Pulsfrequenz von z.B. 3 kHz, sinusmoduliert auf Netzfrequenz, d.h. üblicherweise 50 Hz angesteuert werden. Auf den Drehwechselrichter DWR folgen Stromwandler WaR, WaS, WaT, ein 3-phasiges Filter SF sowie Sicherungen S)R, Sis, Sir- Die nicht näher bezeichneten Kondensatoren bzw. Drosseln des Filters SF werden z.B. so dimensioniert, daß die Sinusausgangsspannung UR, Us, U-r, z.B. 3 x 380 Volt, einen Klirrfaktor k < 5 % besitzt. Es ist zu erwähnen, daß das Filter SF bei bestimmten Lastverhältnissen entfallen kann, beispielsweise falls die Last von einem Asynchron-Drehstrommotor gebildet wird. Der Nulleiter N des Drehstromsystems liegt an der Mittelanzapfung der Sekundärwicklung W1S des Transformators Tr, wodurch auch eine unsymmetrische bzw. einphasige Belastung des Drehstromsystems möglich ist. Wie aus Fig. 1 hervorgeht, wird der Ansteuerschaltung St 2 als Istgröße nicht nur die erste Zwischenkreisspannung Uzki bzw. ein ihr proportionaler Wert zugeführt, sondern auch die zweite Zwischenkreisspannung Uzk2- Letztere kann zur geringfügigen Beeinflussung des Sollwertes herangezogen werden, mit welchem der Istwert Uzki verglichen wird, sodaß nicht nur auf die erste Zwischenkreisspannung UZki sondern in einem gewissen Ausmaß auch auf die zweite Zwischenkreisspannung geregelt wird. Unabhängig von der 3-Phasen Spannung UR, Us, UT wird eine geregelte Gleichspannung erzeugt. Zu diesem Zweck besitzt der Transformator Tr eine zweite Sekundärwicklung W2S mit Mittelanzapfung, die einen Vollweg-Gleichrichter Dz, Ds speist und dem ein Filter Le, (¼ folgt. Die gleichgerichtete Spannung wird mit Hilfe eines getakteten Längsregiers geregelt, der einen Transistor Ts, eine Diode Ds, eine Längsdrossel U sowie einen Kondensator Cz aufweist, wobei der Transistor Ts von einer Ansteuerschaltung St 4 angesteuert wird. Der Ansteuerschaltung wird als Istwert die Ausgangsspannung, genauer gesagt bei diesem Ausführungsbeispiel über Fühlleitungen die tatsächliche Spannung Ub von der Batterie des Fahrzeuges zugeführt. Zur Messung des Gesamtstromes Iq bzw. des Batteriestromes lB sind zwei Stromwandler WaG bzw. WaB vorgesehen, ebenso eine Sicherung Si2. Ein über Fühlleitungen fi, f2 direkt an den Batterien liegender Spannungswandler Wa 5 erfaßt die Batteriespannung UB für die Ansteuerungsschaltung St 4. Um auch bei Leitungsbruch der Fühlleitungen definierte Potentialverhältnisse zu schaffen, ist der Eingang des Spannungswandlers Wa 5 über Widerstände Ri, R2 an die Ausgangsgleichspannung Uag gelegt. Fig. 2 zeigt eine Variante der Erfindung, bei welcher die erste Sekundärwicklung des Transformators Tr aus zwei getrennten Teilwicklungen W’is und W"1S besteht. Jeder dieser Teilwicklungen ist eine eigene Gleichrichterbrücke Bi bzw. B2 zugeordnet,wobei deren Ausgangsspannungen in Serie geschaltet die symmetrierte Zwischenkreisspannung Uzk2 ergeben. Im übrigen kann die Schaltung völlig jener nach Fig. 1 entsprechen. Die verwendeten IGBT-Transistoren Tι, T2; T3, T4 und Ta ... T( besitzen eingebaute Freilaufdioden, die in der Zeichnung jedoch nicht dargestellt wurden. Da IGBT-Transistoren meist paarweise in einem Gehäuse angeboten werden, wobei die beiden Transistoren von ein und demselben Wafer stammen, sind sie für den vorliegenden Zweck besonders geeignet, da es insbesondere bei den Transistorpaaren Ti - T2, aber auch bei T3 - T*, Ta - Td, Tb - Te und T0 - T, auf möglichst geringe Streuungen der elektrischen Kennwerte ankommt. Es lassen sich hiedurch Ungenauigkeiten der tatsächlichen Schaltzeitpunkte ebenso vermeiden, wie Spannungsunsymmetrien bei zwei in Serie liegenden Transistoren. Anstelle der beiden IGBT-Transistoren Ti, T2 kann gegebenenfalls auch ein einziger IGBT-Transistor verwendet werden, falls dessen Spannungsfestigkeit hinreichend groß ist. Patentansprüche 1. Wandlerschaltung zur Umwandlung einer stark schwankenden Eingangsgleichspannung (UB) entsprechend der Fahrspannung von Nahverkehrstriebfahrzeugen in eine erste galvanisch getrennte 3-Phasen Ausgangs-Wechselspannung (UR, Us, UT, N) sowie in eine zweite, von der ersten unabhängige Ausgangs-Gleichspannung (UAg). gekennzeichnet durch die Kombination der folgenden, zum Teil an sich bekannten Merkmale: - ein Eingangsfilter (Li, Ci), - ein geregelter Tiefsetzsteller (TS) zur Erzeugung einer ersten Zwischenkreisspannung (UZki) unter Verwendung eines gesteuerten Schalters (Ti ,T2) mit zumindest einem IGBT-Transistor, - ein Halbbrücken-Wechselrichter (HWR) mit IGBT-Transistoren (Tj.Ta) zur Speisung der Primärwicklung (W1P) eines galvanisch trennenden Transformators (Tr), - eine von einer ersten Sekundärwicklung (W1S) dieses Transformators gespeiste erste Gleichrichterschaltung (D3..Ds;Bi, B2; U, Ls, C4, Cs) zur Erzeugung einer zweiten Zwischenkreisspannung (Uzk2), die z.B. mittels einer Mittelanzapfung der ersten Sekundärwicklung symmetriert ist, 4 AT 402 458 B - ein zumindest sechs gesteuerte IGBT-Transistoren (Ta...T() aufweisender, an der zweiten Zwischenkreisspannung liegender Drehwechselrichter (DWR) zur Erzeugung der 3-Phasen Spannung (UR. Us, UTl N), - ein von einer zweiten, eine Mittelanzapfung aufweisenden Sekundärwicklung (W2S) des Transformators gespeister zweiter Vollweg-Gleichrichter (D7, De) und - ein dem zweiten Gleichrichter nachgeschaltetes Filter (U, Cg) sowie ein getakteter Längsregler (Ts, D9, L3, C7) für die Ausgangs-Gleichspannung (Uag)·
  2. 2. Wandlerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Drehwechselrichter ein Ausgangsfilter (SF) zur Erzeugung einer sinusförmigen Ausgangsspannung (UR, U$, Ut) nachgeschaltet ist, wobei der Nulleiter (N) des 3-Phasensystems an dem Symmetriepunkt (Ci, Cs) und an der Mittelanzapfung der ersten Sekundärwicklung (W1S) liegt.
  3. 3. Wandlerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der gesteuerte Schalter des Tiefsetzstellers (TS) aus zwei in Serie geschalteten IGBT-Transistoren (Ti, T2) besteht.
  4. 4. Wandlerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden IGBT-Transistoren (Ti, T2) des Tiefsetzstellers (TS) und/oder die beiden IGBT-Transistoren (T3J*) des Halbbrücken-Wechselrichters (HWR) und/oder je zwei IGBT-Tansistoren (Ta,Tb;Tc,Td;Te,T() des Drehwechselrichters (DWR) jeweils in einem gemeinsamen Gehäuse als Modul angeordnet sind.
  5. 5. Wandlerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Sekundärwicklung aus zwei getrennten Teilwicklungen (W'iS,W1s) besteht und jeder dieser Teilwicklungen eine eigene Gleichrichterbrücke (Βι,Βς) zugeordnet ist, wobei die beiden Ausgangsspannungen in Serie geschaltet sind und die symmetrierte Zwischenkreisspannung (UZK2) ergeben.
  6. 6. Wandlerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Eingangsfilter aus einer Serieninduktivität (Li) und einem Parallelkondensator (Ci) besteht und der Parallelkondensator von einem Kurzschlußthyristor (KThy) überbrückt ist, der über eine zumindest durch die Eingangsspannung (UE) gesteuerte Ansteuerschaltung (Stl) zündbar ist.
  7. 7. Wandlerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ansteuerung des zumindest einen IBGT-Transistors (Ti, T2) eine Ansteuer- und Regelschaltung (St2) vorgesehen ist, der als Istgröße die erste Zwischenkreisspannung (UZki) zugeführt ist, die zur Regelung mit einem Sollwert verglichen wird.
  8. 8. Wandlerschaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwert der Ansteuerschaltung (St2) in geringem Ausmaß durch die zweite Zwischenkreisspannung (Uzk2) beeinflußbar ist.
  9. 9. Wandlerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichent, daß dem getakteten Längsregler (T5, Da) eine Ansteuer- und Regelschaltung (St4) zugeordnet ist, der zur Regelung als Istgröße die tatsächliche Spannung (UB) von mit der Gleichspannung (UAg) aufzuladenden Batterien zugeführt ist.
  10. 10. Wandierschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltfrequenz des ersten gesteuerten Schalters (Ti, T2) zwischen 1 und 20 kHz vorzugsweise bei etwa 5 kHz liegt.
  11. 11. Wandlerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbbrük-ken-Wechselrichter (HWR) für eine Frequenz von 10 bis 30 kHz, vorzugsweise 20 kHz, also über der Hörgrenze ausgelegt ist.
  12. 12. Wandlerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehwechselrichter (DWR) für Netzfrequenz, üblicherweise 50 Hz, ausgelegt ist.
  13. 13. Wandlerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltfrequenz des getakteten Längsreglers (Ts.Dg.U.C?) zwischen 10 und 100 kHz beträgt. 5 AT 402 458 B Hiezu 2 Blatt Zeichnungen 6
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