DE10013391A1

DE10013391A1 - Vorladeeinrichtung für eine Stromrichterschaltung

Info

Publication number: DE10013391A1
Application number: DE2000113391
Authority: DE
Inventors: Thomas Zuellig; Stefan Umbricht; Michael Steiner
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Alstom Transportation Germany GmbH
Priority date: 2000-03-17
Filing date: 2000-03-17
Publication date: 2001-09-20

Abstract

Es wird eine Vorrichtung für eine Stromrichterschaltung angegeben, die der Vorladung (5) eines Zwischenkreiskondensators (4) eines Gleichspannungszwischenkreises (3) dient und die einen primärseitig an ein Wechselspannungsnetz (1) angeschlossenen Transformator (7) zur Übersetzung der Netzwechselspannung (U¶N¶) und eine Einrichtung (10) zum Messen der übersetzten Netzwechselspannung (U¶n¶) aufweist. Hierbei ist die Einrichtung (10) an die Sekundärseite des Transformators (7) angeschlossen umfasst und eine potentialtrennende Einrichtung.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Leistungselektronik. Sie geht aus von einer Vorladeeinrichtung für eine Stromrichterschaltung gemäss dem Oberbegriff des unabhängi gen Anspruchs.

Stand der Technik

Bei heutigen Stromrichterschaltungen, insbesondere solchen, die aus einer Mehrzahl von Teilstromrichtersystemen aufgebaut sind, speist eine gewisse Anzahl dieser Teilstromrichter systeme Energie in mindestens einen Gleichspannungszwischenkreis ein. Aus diesem Gleich spannungszwischenkreis werden weitere Teilstromrichtersysteme, die beispielsweise einen gängigen Industrieantrieb oder einen Traktionsantrieb eines elektrischen Schienenfahrzeugs mit Energie versorgen, gespeist. Ein solcher Gleichspannungszwischenkreis weist im wesent lichen mindestens einen Zwischenkreiskondensator auf, der zur besagten Energiespeicherung vorgesehen ist. Weitere Gleichspannungszwischenkreiselemente, wie Entladevorrichtungen und/oder Filterelemente zur Reduzierung oder Elimination von Oberschwingungen in der Zwischenkreisspannung, sind zusätzlich, je nach Anforderungen an die Stromrichterschal tung, vorgesehen. Eine Stromrichterschaltung für ein Schienenfahrzeug, die aus Teilstrom richtersystemen aufgebaut ist und bei der ein Gleichspannungszwischenkreis als Energiespei cher vorgesehen ist, ist in der DE 198 27 872 A1 angegeben.

Bevor die Teilstromrichtersysteme der Stromrichterschaltung nach der DE 198 27 872 A1 Energie in den Gleichspannungszwischenkreis einspeisen können, muss der Gleichspan nungszwischenkreis mit einer Anlaufschaltung, auch Vorladeeinrichtung genannt, auf einen festgelegten Wert der Zwischenkreisspannung aufgeladen werden. Die Vorladeeinrichtung weist dazu einen Netztransformator auf, dessen Primärseite an ein elektrisches Versorgungs netz mit einer Netzwechselspannung angeschlossen ist. Der Netztransformator übersetzt die Netzwechselspannung auf die Sekundärseite des Netztransformators und ist sekundärseitig mit einer eine Diodenbrücke aufweisende Gleichrichterschaltung verbunden. Die Gleich richterschaltung ist mit ihren Gleichspannungsanschlüssen mit dem Gleichspannungszwi schenkreis verbunden, wobei der Zwischenkreiskondensator über die Gleichrichterschaltung auf den festgelegten Wert der Zwischenkreisspannung aufgeladen wird.

Problematisch bei einer derartigen Vorladeeinrichtung nach der DE 198 27 872 A1 ist, dass die Netzwechselspannung während des Vorladevorgangs des Gleichspannungszwischenkrei ses nicht gemessen und überwacht wird. Liegt beispielsweise ein schwaches Versorgungsnetz vor, d. h. weist das Versorgungsnetz eine grosse Netzimpedanz auf, so ist infolge von Schalt vorgängen weiterer an das Versorgungsnetz angeschlossener Verbraucher oder Einspeiser, insbesondere infolge weiterer angeschlossener Hochleistungsstromrichterschaltungen, die Netzwechselspannung starken Schwankungen unterworfen. Dadurch kann der Gleichspan nungszwischenkreis durch die Vorladeeinrichtung bei einem zu kleinen Wert der Netzwech selspannung nicht auf den festgelegten Wert der Zwischenkreisspannung aufgeladen werden. Ist der Wert der Netzwechselspannung zu hoch, kann der festgelegte Wert der Zwischen kreisspannung, auf den die Vorladeeinrichtung den Zwischenkreiskondensator auflädt, auf einen unzulässig hohen Wert ansteigen, so dass der Zwischenkreiskondensator sowie weitere Elemente des Gleichspannungszwischenkreises beschädigt oder zerstört werden können.

Es sind zwar Messeinrichtungen bekannt, die über Messwandler die Netzwechselspannung des Versorgungsnetzes messen und zu einer Leitelektronik zu Überwachungszwecken über tragen, jedoch sind diese Messeinrichtungen gängigerweise separat an das Versorgungsnetz angeschlossen. Zudem sind die bekannten Messeinrichtungen in der Regel mehrstufig, d. h. mit mehrerer Transformatoren ausgeführt, um die Netzwechselspannung in mehreren Stufen zu Messzwecken zu reduzieren. Durch solche mehrstufige Ausführungen der Messeinrich tung wird aber zusätzlicher Platz benötigt, wobei jedoch gerade bei Stromrichterschaltungen beispielweise für Traktionsanwendungen in einem elektrischen Schienenfahrzeug oder für Industrieanwendungen das Platzangebot äusserst beschränkt ist.

Darstellung der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Vorladeeinrichtung für eine Stromrichterschaltung anzugeben, bei der die Netzwechselspannung eines elektrischen Versorgungsnetzes, an das die Vorladeeinrichtung angeschlossen ist, messbar ist und die besonders einfach und platzspa rend aufgebaut ist. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs gelöst. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung angegeben.

Die erfindungsgemässe Vorladeeinrichtung weist einen Transformator zur Übersetzung der Netzwechselspannung auf, der an seiner Primärseite an ein Wechselspannungsnetz ange schlossen ist und der über eine Gleichrichterschaltung mit einem Gleichspannungszwischen kreis verbunden ist, wobei die Vorladeeinrichtung zudem eine Einrichtung zum Messen der übersetzten Netzwechselspannung aufweist. Dadurch wird vorteilhaft auf eine separate Mes seinrichtung zur Messung der Netzwechselspannung verzichtet, wodurch eine erhebliche Platzeinsparung und die Einsparung von Bauteilen erreicht wird. Desweiteren ist die Netzwechselspannung, insbesondere beim Aufladevorgang des Gleichspannungszwischen kreises, messbar, wodurch Schwankungen in der Netzwechselspannung sofort erkannt wer den. Die Einrichtung zum Messen der übersetzten Netzwechselspannung ist vorteilhaft an der Sekundärseite des Transformators angeschlossen und umfasst eine potentialtrennende Ein richtung, die einstufig ausgeführt ist. Durch den sekundärseitigen Anschluss der Einrichtung zum Messen der übersetzten Netzwechselspannung an den Transformator wird die poten tialtrennende Wirkung des Transformators zum Schutz der Einrichtung ausgenutzt. Eine weitere Schutzwirkung wird dadurch erreicht, dass die Einrichtung zum Messen der über setzten Netzspannung die einstufig ausgeführte potentialtrennende Einrichtung umfasst, so dass daran angeschlossene Verarbeitungseinheiten, wie zum Beispiel eine Leitelektronik, vor Potentialsprüngen geschützt ist. Die einstufige Ausführung dieser potentialtrennenden Ein richtung ergibt darüberhinaus eine weitere Verbesserung in der Platz- und Bauteileinsparung.

Diese und weitere Aufgaben, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung offensichtlich.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 Eine Ausführungsform einer Stromrichterschaltung mit einer erfin dungsgemässen Vorladeeinrichtung und

Fig. 2 eine detaillierte Darstellung der erfindungsgemässen Vorladeeinrich tung.

Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform einer Stromrichterschaltung mit einer erfindungsgemässen Vorladeeinrichtung 5. Die Stromrichterschaltung weist Teilstromrichtersysteme 2.1 auf, die mittelbar an ein Wechselspannungsnetz 1 angeschlossen sind und Energie in einen Gleich spannungszwischenkreis 3 einspeisen. Der als Energiespeicher dienende Gleichspannungs zwischenkreis 3 umfasst mindestens einen Zwischenkreiskondensator 4. Aus diesem Gleich spannungszwischenkreis können weitere Teilstromrichtersysteme 2.2, die beispielsweise ei nen Traktionsantrieb eines elektrischen Schienenfahrzeugs oder einen elektrischen Industrie antrieb versorgen, gespeist werden. Gemäss Fig. 1 ist die Vorladeeinrichtung 5 an das Wech selspannungsnetz 1 angeschlossen und zusätzlich zum Zweck der Aufladung beziehungswei se der Vorladung des Zwischenkreiskondensators 4 auf einen gewissen Wert der Zwischen kreisspannung mit dem Gleichspannungszwischenkreis 3 verbunden. Dieser Vorladevorgang findet in der Regel vor dem eigentlichen Betrieb der Stromrichterschaltung statt, d. h. bevor die Teilstromrichtersysteme 2.1 Energie in den Gleichspannungszwischenkreis 3 einspeisen können und der Gleichspannungszwischenkreis 3 wiederum die weiteren Teilstromrichtersy steme 2.2 versorgen kann.

In Fig. 2 ist eine detaillierte Darstellung der erfindungsgemässen Vorladeeinrichtung 5 für eine Stromrichterschaltung gezeigt. Die Vorladeeinrichtung 5 weist einen Transformator 7 auf, der an seiner Primärseite an ein Wechselspannungsnetz 1 angeschlossen ist. Der Trans formator 7 dient der Übersetzung der Netzwechselspannung (U_N) in eine übersetzte Netzwechselspannung (U_n), die an der Sekundärseite des Transformators 7 anliegt. Erfin dungsgemäss weist die Vorladeeinrichtung 5 eine Einrichtung 10 zum Messen der übersetzten Netzwechselspannung (U_n) auf. Vorteilhaft kann dadurch auf eine separate Messeinrichtung zur indirekten Messung der Netzwechselspannung (U_N) verzichtet werden, so dass eine er heblich Platzeinsparung verbunden mit einer Reduktion der Bauteile erzielt werden kann. Vorzugsweise ist die Einrichtung 10 zum Messen der übersetzten Netzwechselspannung (U_n) an der Sekundärseite des Transformators 7 angeschlossen, so dass es sehr einfach möglich ist, die Netzwechselspannung (U_N) über die dazu korrelierende übersetzte Netzwechselspannung (U_n) zu messen. Insbesondere beim Aufladevorgang des Zwischenkreiskondensators 4 des Gleichspannungszwischenkreises 3 ist die übersetzte Netzwechselspannung (U_n) messbar, so dass Schwankungen in der Netzwechselspannung (U_N) sehr schnell erkannt werden können. Weiterhin wird durch den Anschluss der Einrichtung 10 zum Messen der übersetzten Netzwechselspannung (U_n) an die Sekundärseite des Transformators 7 die potentialtrennende Wirkung des Transformators 7 vorteilhaft ausgenutzt, so dass die Einrichtung 10 vor netzsei tig auftretenden Potentialsprüngen geschützt ist.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemässen Vorladeeinrichtung gemäss Fig. 2 besteht darin, dass die Einrichtung 10 zum Messen der übersetzten Netzwechselspannung (U_n) eine poten tialtrennende Einrichtung umfasst, wobei die potentialtrennenden Einrichtung erfindungsge mäss einstufig ausgeführt ist. Durch die einstufige Ausführung der potentialtrennenden Ein richtung werden aufwendige mehrstufige Messeinrichtungen überflüssig. Es ergibt sich somit eine weitere Platzeinsparung und eine Reduzierung der Bauteileanzahl. Die potentialtrennen de Einrichtung weist vorzugsweise einen Messtransformator auf.

Darüber hinaus ist die potentialtrennende Einrichtung mit einer Verarbeitungseinheit, wie zum Beispiel einer Leitelektronik 6, verbunden, d. h. über die potentialtrennenden Einrichtung wird die übersetzte Netzwechselspannung (U_n) gemessen und an die Leitelektronik 6 zu Ver arbeitungszwecken übertragen. Dabei bietet die potentialtrennende Einrichtung zusätzlichen Schutz für die Leitelektronik 6 vor Potentialsprüngen seitens des Gleichspannungszwischen kreises 3.

Gemäss Fig. 2 ist die Sekundärseite des Transformators mit einer Gleichrichterschaltung 8 verbunden, wobei die Gleichrichterschaltung 8 als Diodenbrückenschaltung ausgeführt ist. Die Gleichrichterschaltung 8 ist mit ihren Gleichspannungsanschlüssen mit dem Gleichspan nungszwischenkreis 3 verbunden. Erfindungsgemäss ist an den Gleichspannungsanschlüssen der Gleichrichterschaltung 8 jeweils ein Trennschalter 9 vorgesehen. Beide Trennschalter 9 sind während des Aufladevorgangs des Zwischenkreiskondensators 4 des Gleichspannungs zwischenkreises 3 geschlossen. Ist der Zwischenkreiskondensator 4 auf einen gewissen Wert der Zwischenkreisspannung aufgeladen, werden die beiden Trennschalter 9 geöffnet. Vorteil haft kann somit die übersetzte Netzspannung (U_n), wie bereits beschrieben, während dem Aufladevorgang des Zwischenkreiskondensators 4 und zusätzlich nach dem Aufladevorgang fortlaufend gemessen werden, so dass keine zusätzlichen Messeinrichtungen zum Messen der übersetzten Netzspannung (U_n) nötig sind.

Insgesamt stellt die erfindungsgemässe Vorladeeinrichtung eine äusserst kostengünstige Lö sung dar, da ein Minimum an Bauteilen eingesetzt werden muss und auf zusätzliche Messein richtungen zum Messen der Netzwechselspannung U_N gänzlich verzichtet wird. Zudem ist die Vorladeeinrichtung sehr platzsparend ausgeführt, so dass sie leicht an unterschiedlichste Stromrichterschaltungen mit mindestens einem Gleichspannungszwischenkreis 3 anpassbar ist.

Es versteht sich, dass der Fachmann andere als die im Ausführungsbeispiel angegebenen Blöcke und Signale mit gleicher Wirkung verwenden kann.

Claims

1. Vorladeeinrichtung für eine Stromrichterschaltung, die einen primärseitig an ein Wech selspannungsnetz (1) angeschlossenen Transformator (7) zur Übersetzung der Netzwech selspannung (U_N) aufweist, der sekundärseitig mit einer Gleichrichterschaltung (8) ver bunden ist, wobei die Gleichrichterschaltung (8) an ihren Gleichspannungsanschlüssen mit einem Gleichspannungszwischenkreis (3) verbunden ist, der mindestens einen Zwi schenkreiskondensator (4) umfasst und von Teilstromrichtersystemen (2.1) der Strom richterschaltung gespeist ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorladeeinrichtung (5) eine Einrichtung (10) zum Messen der übersetzten Netzwechselspannung (U_n) aufweist.

2. Vorladeeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (10) zum Messen der übersetzten Netzwechselspannung (U_n) an die Sekundärseite des Trans formators (7) angeschlossen ist.

3. Vorladeeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (10) zum Messen der übersetzten Netzwechselspannung (U_n) eine potentialtrennende Einrich tung umfasst.

4. Vorladeeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die potentialtrennen de Einrichtung einstufig ausgeführt ist.

5. Vorladeeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die potentialtrennen de Einrichtung einen Messtransformator aufweist.

6. Vorladeeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die potentialtrennen de Einrichtung sekundärseitig mit einer Leitelektronik (6) verbunden ist.

7. Vorladeeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass an den Gleichspannungsanschlüssen der Gleichrichterschaltung (8) jeweils ein Trennschalter (9) vorgesehen ist.