DE10061439B4 - Schaltungsanordnung zur Ansteuerung von Leistungsthyristoren in beweglichen oder stationären Hochspannungsschaltwerken, insbesondere in elektrischen Triebfahrzeugen - Google Patents

Abstract

Schaltungsanordnung zur Ansteuerung von Leistungsthyristoren in beweglichen oder stationären Hochspannungsschaltwerken, insbesondere in elektrischen Triebfahrzeugen, zur Bereitstellung einer veränderbaren Spannung zur Speisung von Fahrmotoren, wobei die gesamte Steuerung in einem vor Staub, Feuchtigkeit und elektrischen Feldern schützenden Gehäuse angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass in räumlicher Nähe der Thyristorteile (1) je eine Zwangskühlung der Leistungsthyristoren bestehend aus je zwei redundanten Lüftern (2), die jeweils mittels eines Luftberuhigungsschachts (3) verbunden sind, erfolgt.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Ansteuerung von Leistungsthyristoren in beweglichen oder stationären Hochspannungsschaltwerken, insbesondere in elektrischen Triebfahrzeugen, zur Bereitstellung einer veränderbaren Spannung bei der Speisung von Fahrmotoren.
• Hinlänglich bekannte Hochspannungsschaltwerke sind beispielsweise in elektrischen Triebfahrzeugen im Einsatz und bestehen aus einem von Hochspannung (z. B. 15 kV) gespeisten Spartransformator mit mehreren Stufenanzapfungen, zwischen denen Spannungen von ca. 500 bis 1000 V anliegen. Durch mechanisches Auf- bzw. Abwärtsfahren von Kontaktrollen in einem Stufenwähler wird die stufenweise Spannungsänderung an der Oberspannungswicklung eines nachgeschalteten Traktionstransformators, welcher sekundär die Fahrmotoren speist, möglich. Zwischen den Stufen erfolgt die Spannungsumschaltung über mechanische Schalter oder zwei Thyristorteile. Bei Einsatz von Thyristorteilen erfolgt die Ansteuerung (Zündung) der Leistungsthyristoren durch Steuergeräte, welche von mechanischen Schaltern die Information der Schaltwerkstellung bekommen. (Joachimsthaler, Anton: „Die elektrischen Einheitslokomotiven der Deutschen Bundesbahn „ 3. Auflage, 1969, Frankfurt/M., S. 198–241, Lojak, Lothar und Ebelt, Rüdiger: „Schienenfahrzeuge", Heft 7, 1974, S. 241–244.)
• Alle bisher eingesetzten Hochspannungsschaltwerke haben den Mangel, dass durch eine Funktionsstörung der mechanischen Schalter (z. B. durch Verschleiß oder Störsignale) oder einen Fehler in der Ansteuerung der Leistungsthyristoren aufgrund fehlender Redundanz, in der Regel das gesamte Schaltwerk funktionsunfähig wird. Die wirtschaftlichen Folgeschäden wie z. B. Zugverspätungen, Abschlepp- und Instandsetzungskosten sind beträchtlich. Ein weiterer Nachteil liegt in dem hohen Wartungsaufwand, welcher durch die mechanischen Schalter und deren mechanische Ansteuerung entsteht.
• In der DE-OS 195 40 046 A1 wird ein Lichtwellenleiter-Übertragungssystem für die Übertragung von Steuersignalen zwischen einem Controller und einer Ansteuereinheit z. B. eines Antriebsleitsystems einer elektrisch angetriebenen Lokomotive beschrieben, welches über mindestens einen Lichtwellenleiter mit einem Lichtwellensender und einem Lichtwellenempfänger verbunden ist und eine im Lichtwellensender angeordnete Sendediode aufweist, die von einer ei nen Sendestrom abgebenden Speiseschaltung angesteuert wird, wobei zur funktionalen Überprüfung des Lichtwellenleiter-Übertragungssystems die Speiseschaltung in einem Testmodus des Lichtwellenleiter-Übertragungssystems den Sendestrom mit einer vorgegebenen Frequenz moduliert.
• Das beschriebene Lichtwellenleiter-Übertragungssystem umfasst lediglich die Implementierung eines Testmodus durch den die optische Übertragungsqualität der Lichtleitverbindung geprüft wird. Dieses System hat im beschriebenen Anwendungsfall einer elektrischen Lokomotive den Nachteil, dass bei einem sender- oder empfängerseitigen Ausfall eines Aktivteiles des Lichtwellenleiter-Übertragungssystems die Datenübertragung gestört ist, was bei Ansteuerung von GTO's in Traktionsstromrichtern über die Leittechnik zum Ausfall des entsprechenden Stromrichters führt, der eine Ausgruppierung dieses Antriebes mit den bekannten wirtschaftlichen Nachteilen (verringerte Traktionsleistung → Zugverspätungen etc.) zur Folge hat. Darüber hinaus erfolgt keine Erfassung der Steuerinformationen als Geber über Opto-/Reflexkoppler und keine redundante Kühlung von Leistungsthyristoren.
• Bekannt ist eine Verarbeitungsvorrichtung für Starkstrom repräsentierende Signale, wobei eine Systemsteuereinheit einen Speicher zum Festhalten der zwischen den Prozessoreinheiten übertragenen Daten für eine redundante Signalverarbeitung aufweist, die mit programmierbaren Bauelementen durchgeführt wird ( DE 690 28 225 T2 ).
• Aus der DE 299 24 165 U1 ist eine Vorrichtung zum Steuern einer Sekundärspannung in einer Transformatorvorrichtung bekannt, die mit einem Stromnetz verbunden ist und einen Last-Stufenschalter umfasst. Hier wird die Verwendung von programmierbaren Bauelementen für Stufenschalter beschrieben.
• Die Verwendung von programmierbaren Bauelementen für die Ablaufsteuerung von Stromrichteranwendungen wird in DE 26 45 476 A1 beschrieben.
• Die Erfassung von Steuerinformationen in doppelter Ausführung wird in DE 25 21 245 C3 angeregt.
• Eine optische Erfassung von Schaltwerkstellungen wird in DE 21 37 090 A beschrieben. Hierfür werden flexible Lichtleiter verwendet.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Hochspannungschaltwerke so zu verändern, dass die Betriebszuverlässigkeit des Gesamtsystems wesentlich erhöht und der Wartungsaufwand gesenkt wird. Dazu sollen einerseits verschleißbehaftete, störanfällige und wartungsintensive mechanische Schalter entfallen und andererseits mögliche Fehler in der Ansteuerung der Leistungsthyristoren ohne Auswirkung auf die Funktion des Gesamtsystems bleiben.
• Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass in räumlicher Nähe der Thyristorteile (1) je eine Zwangskühlung der Leistungsthyristoren bestehend aus je zwei redundanten Lüftern (2), die jeweils mittels eines Luftberuhigungsschachts (3) verbunden sind, erfolgt.
• Das Gehäuse ist dabei als hohler Isolator ausgeführt.
• Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass
• • durch die redundante Ausführung der Steuerung bei Ausfall eines Bauelements der Signalverarbeitung oder der Leistungsthyristoransteuerung eine Meldung abgesetzt, das Gesamtsystem jedoch ohne Unterbrechung weiter betrieben wird,
• • durch den Einsatz von programmierbaren, integrierten Bauelementen einerseits die Bauelementenanzahl reduziert wird, was der Erhöhung der Zuverlässigkeit dient und andererseits die Schaltwerksteuerung einfach an verschiedene Schaltwerkstypen anpassbar ist,
• • durch die mehr als zweifache Erfassung der Steuerinformationen Schaltwerkstellung und Thyristorspannung bei Ausfall einer Steuerinformation eine Meldung abgesetzt wird, wobei dieser Ausfall durch eine Mehrheitsauswahl keinen Einfluss auf die Funktion des Gesamtsystems hat,
• • durch die Anordnung der gesamten Steuerung (7) in einem vor Staub, Feuchtigkeit und elektrischen Feldern schützenden Gehäuse ein hoher Schutz vor Umgebungseinflüssen errreicht wird, was der Erhöhung der Betriebszuverlässigkeit dient,
• • durch die optische Erfassung der Schaltwerkstellung mittels Sektorscheibe (5) über Lichtleitkabel (6) ein maximaler Störschutz unter Ausschaltung von mechanischem Verschleiß, eine einfache Einstellung des Umschaltzeitpunktes sowie eine einfache Anpassung an verschiedene Schaltwerkstypen möglich wird,
• • durch die redundante Kühlung der Leistungsthyristoren ein zuverlässiger Betrieb des Gesamtsystems auch bei Ausfall eines Lüfters erreicht wird,
• • durch die Stromversorgung der auf Hochspannungspotential arbeitenden Steuerung (7) und Lüfter (2) über einen Transformator (4) aus einer Niederspannung eine unterbrechungsfreie Versorgung ermöglicht wird.
• Die erfindungsgemäße Lösung kann prinzipiell auf allen Triebfahrzeugen mit Hochspannungsschaltwerken eingesetzt werden. Darüber hinaus ist die Lösung in stationären Hochspannungsschaltwerken, wie beispielsweise in Prüffeldern oder Labor- und Forschungseinrichtungen verwendbar.
• Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel gemäß den zugehörigen Zeichnungen näher erläutert werden.
• Die Zeichnungen zeigen:
• 1 – die Schaltungsanordnung
• 2 – das Blockschaltbild der Steuerung.
• Die Funktionsweise der beschriebenen Erfindung soll am Beispiel eines in einem elektrischen Triebfahrzeug befindlichen Hochspannungsschaltwerkes erklärt werden.
• 1 zeigt die Thyristorteile (1), wobei in jedem Thyristorteil zwei antiparallel geschaltete Leistungsthyristoren in einem gemeinsamen Kühlkörper angeordnet sind. Die Kühlung der Thyristorteile (1) erfolgt erfindungsgemäß mittels redundant ausgeführter Lüfter (2), welche jeweils über einen Luftberuhigungsschacht (3) verbunden sind. Die Stromversorgung der auf Hochspannungspotential liegenden Steuerung (7) und der Lüfter (2) erfolgt aus einer Niederspannung über den Transformator (4). Durch die optische Erfassung der Schaltwerkstellung mittels Sektorscheibe (5) über Lichtleitkabel (6) wird ein maximaler Störschutz unter Ausschaltung von mechanischem Verschleiß, eine einfache Einstellung des Umschaltzeitpunktes sowie eine einfache Anpassung an verschiedene Schaltwerkstypen möglich. Die Anordnung der gesamten Steuerung (7) in einem vor Staub, Feuchtigkeit und elektrischen Feldern schützenden Gehäuse bietet eine hohen Schutz vor Umgebungseinflüssen, was der Erhöhung der Betriebszuverlässigkeit dient.
• Das Blockschaltbild der Steuerung zeigt 2. Die vorzugsweise dreifache Erfassung der Steuerinformationen Schaltwerkstellung und Thyristorspannung sowie die redundante Ausführung der Signalverarbeitung und Thyristoransteuerung bewirken, dass auch bei Ausfall einer Steuerinformation oder eines Bauelements, die Funktion des Gesamtsystems gewährleistet ist. Der Ausfall eines Bauelements der Signalerfassung oder -verarbeitung wird am Steuerteil (7) optisch signalisiert. Durch den Einsatz von programmierbaren, integrierten Bauelementen wird einerseits die Bauelementenanzahl reduziert, was der Erhöhung der Zuverlässigkeit dient, und andererseits ist die Schaltwerksteuerung einfach an verschiedene Schaltwerkstypen anpassbar.

1

Thyristorteil

2

Lüfter

3

Luftberuhigungsschacht

4

Transformator

5

Sektorscheibe

6

Lichtleitkabel

7

Vor Staub, Feuchtigkeit und elektrischen Feldern geschützte Steuerung mit

Leuchtmeldern

Claims (2)

1. Schaltungsanordnung zur Ansteuerung von Leistungsthyristoren in beweglichen oder stationären Hochspannungsschaltwerken, insbesondere in elektrischen Triebfahrzeugen, zur Bereitstellung einer veränderbaren Spannung zur Speisung von Fahrmotoren, wobei die gesamte Steuerung in einem vor Staub, Feuchtigkeit und elektrischen Feldern schützenden Gehäuse angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass in räumlicher Nähe der Thyristorteile (1) je eine Zwangskühlung der Leistungsthyristoren bestehend aus je zwei redundanten Lüftern (2), die jeweils mittels eines Luftberuhigungsschachts (3) verbunden sind, erfolgt.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse ein hohler Isolator ist.