DE102004052454A1 - Hochspannungsumrichter in Halbbrückenschaltung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Hochspannungsumrichter in Halbbrückenschaltung mit zwei mit einer Netzspannungsquelle (1) verbundenen in Serie geschalteten Zweigschaltungen (2, 3), denen ein Transformator zugeordnet ist. Es ist vorgesehen, dass der Transformator zwei Primärwicklungen (5, 6) und eine Sekundärwicklung (9) aufweist. Die erste Primärwicklung (5) ist parallel zur ersten Zweigschaltung (2) und die zweite Primärwicklung (6) ist parallel zur zweiten Zweigschaltung (3) geschaltet. Die beiden Primärwicklungen (5, 6) sind dabei in Serie geschaltet. Beispielsweise sind die beiden Primärwicklungen (5, 6) auf einem Eisenkern (11) gegensinnig gewickelt.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Hochspannungsumrichter in Halbbrückenschaltung mit zwei mit einer Netzspannungsquelle verbundenen in Serie geschalteten Zweigschaltungen, denen ein Transformator zugeordnet ist.
  • Derartige Hochspannungsumrichter werden häufig in Lokomotiven oder anderen Schienentriebfahrzeugen eingesetzt.
  • Statt eines Hochspannungsumrichters wurde früher eine Transformatoranordnung verwendet, bei der die Primärwicklung mit der Netzspannungsquelle und die Sekundärwicklungen mit Vierquadrantenstellern verbunden waren.
  • Ein Hochspannungsumrichter zeichnet sich dadurch aus, dass er weniger schwer ist als die bekannte Transformatoranordnung. Es werden bei einem Hochspannungsumrichter eine Vollbrückenschaltung und eine Halbbrückenschaltung unterschieden.
  • Bei einer Vollbrückenschaltung sind zwei Serienschaltungen aus jeweils zwei Zweigen parallel geschaltet und ein Transformator befindet sich primärseitig in einer Verbindungsleitung, die Anschlusspunkte zwischen den jeweils in Serie geschalteten Zweigen miteinander verbindet. Der Hochspannungsumrichter wird dabei von einer Netzspannungsquelle gespeist, der im Hauptstromkreis eine Drossel zugeordnet ist. Ein Motor ist mit der Sekundärseite des Transformators verbunden.
  • Jeder Zweig besteht aus mehreren in Serie geschalteten Submodulen, wobei jedes Submodul eine elektronische Baugruppe ist. An die Sekundärwicklung des Transformators kann ein Vierquadrantensteller und ein Traktionsgleichspannungszwischenkreis angeschlossen sein, denen dann der Motor nachgeordnet ist.
  • Mit einem solchen Hochspannungsumrichter werden Schwingungen der Netzspannung umgewandelt. Die Grundfrequenz der Transformatorprimärspannung ist deutlich größer als die Grundfrequenz der Netzspannung. Gleiches gilt für die Stromstärken. Das Verhältnis ist vorzugsweise ganzzahlig.
  • Es sind auch bereits Hochspannungsumrichter in Halbbrückenschaltung bekannt. Diese Halbbrückenschaltung unterscheidet sich von der Vollbbrückenschaltung dadurch, dass an die Stelle der zweiten Serienschaltung aus zwei Zweigen eine Serienschaltung aus zwei Kondensatoren tritt.
  • Die Grundfrequenzen der Spannungen an den Zweigen und an den Kondensatoren können durch Ansteuern der Submodule in Abhängigkeit von der Grundfrequenz der Netzspannung und der Grundfrequenz der Transformatorspannung eingestellt werden. Die Grundfrequenzen der zugehörigen Stromstärken stellen sich dann in Abhängigkeit von den Grundfrequenzen des Netzstromes, des Transformatorstromes und des Blindstromes ein, der sich bei Anlegen der Netzspannung an die Kondensatoren einstellen würde. Durch die Ansteuerung haben die Grundschwingungen von Netzspannung und Netzstrom gleiche Phasenlage. Wie bei der Vollbrückenschaltung ist an den Transformator sekundärseitig, beispielsweise über einen Vierquadrantensteller und einen Traktionsgleichspannungszwischenkreis, ein Motor angeschlossen.
  • In der aus einem Zweig, der Primärwicklung des Transformators und einem Kondensator gebildeten Masche bilden sich pulsierende Maschenströme aus, die begrenzt werden müssen. Daher sind in jeder Masche zusätzliche Drosseln erforderlich.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Hochspannungsumrichter in Halbbrückenschaltung anzugeben, der ohne diese zusätzlichen Drosseln auskommt und trotzdem zu hohe pulsierende Maschenströme ausschließt. Dadurch soll auch das Gewicht des Hochspannungsumrichters vermindert werden, was beim Einbau in einer Lokomotive wichtig ist.
  • Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, dass der Transformator zwei Primärwicklungen und eine Sekundärwicklung aufweist, dass die erste Primärwicklung parallel zur ersten Zweigschaltung und die zweite Primärwicklung parallel zur zweiten Zweigschaltung geschaltet ist und dass die beiden Primärwicklungen in Serie geschaltet sind.
  • Es wird der Vorteil erzielt, dass durch die Anordnung von jeweils einer Primärwicklung in jeder Masche keine Zusatzinduktivitäten oder Drosseln mehr erforderlich sind, weil deren Aufgabe durch die Primärwicklungen des Transformators übernommen werden. Der Hochspannungsumrichter ist also vorteilhaft deutlich leichter als bisher übliche Hochspannungsumrichter.
  • Beispielsweise sind beide Primärwicklungen und die Sekundärwicklung auf nur einem Eisenkern angeordnet.
  • Beispielsweise sind die beiden Primärwicklungen auf einem Eisenkern gegensinnig gewickelt.
  • Damit wird der Vorteil erzielt, dass sich der magnetische Fluss in den Primärwicklungen, der auf den Transformatorstrom zurückgeht, addiert, während sich der magnetische Fluss, der auf die Blindströme zurückgeht und die Grundfreqeunz der Netzspannung hat, kompensiert. Das ist darauf zurückzuführen, dass diese Blindströme die beiden Primärwicklungen des Transformators in einer Richtung durchfließen, während der Transformatorstrom über die Verbindungsleitung zum Anschlusspunkt zwischen den beiden in Serie geschalteten Primärwicklungen gelangt und diese in entgegengesetzten Richtungen durchfließt.
  • Es wird also in den einzelnen Maschen der Einfluss der Kondensatoren auf den Maschenstrom begrenzt, so dass vorteilhaft auf eigene Drosseln oder Induktivitäten in den Maschen verzichet werden kann, was zu einer Gewichtsersparnis führt. Es werden vorteilhaft Netzeinflüsse ohne zusätzliche Drosseln kompensiert.
    •
  • Der Hochspannungsumrichter nach der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert:
  • 1 zeigt das Schaltbild des Hochspannungsumrichters nach der Erfindung,
  • 2 zeigt ein Submodul, von denen mehrere hintereinander geschaltet einen Zweig bilden,
  • 3 zeigt den Transformator aus 1.
  • Ein Hochspannungsumrichter nach 1 besteht aus der Netzspannungsquelle 1, an die zwei in Serie geschaltete Zweigschaltungen 2, 3 angeschlossen sind. Parallel zu den beiden Zweigschaltungen 2, 3 sind in Serie ein Kondensator 4, die erste Primärwicklung 5 eines Transformators, die zweite Primärwicklung 6 dieses Transformators und ein weiterer Kondensator 7 angeordnet. Eine Verbindungsleitung 8 für den Transformatorstrom verbindet einen Anschlusspunkt zwischen den beiden in Serie geschalteten Zweigschaltungen 2, 3 mit einem Anschlusspunkt zwischen den beiden in Serie geschalteten Primärwicklungen 5, 6. Den beiden Primärwicklungen 5, 6 ist eine Sekundärwicklung 9 des Transformators zugeordnet, die über weitere Schaltbausteine mit dem Motor in Verbindung steht. Der Netzspannungsquelle 1 ist im Hauptstromkreis eine Drossel 10 zugeordnet. Diese drosselt pulsierende Ströme. In den einzelnen Maschen, die jeweils aus einer Zweigschaltung 2 oder 3, einem Kondensator 4 oder 7 und einer Primärwicklung 5 oder 6 bestehen, ist zur Begrenzung von pulsierenden Strömen keine Drossel mehr erforderlich, weil solche pulsierenden Ströme durch die Primärwicklungen 5 und 6 gedrosselt werden.
  • Jede Zweigschaltung 2, 3 besteht in üblicher Weise aus mehreren hintereinander geschalteten Submodulen, von denen eines in 2 gezeigt ist.
  • Um störende Einflüsse auf die Primärwicklungen 5, 6 des Transformators nach 1 zu vermeiden, sind die beiden Primärwicklungen 5, 6 nach 3 gegensinnig auf einen Eisenkern 11 gewickelt, der auch die Sekundärwicklung 9 trägt. Liegen gleiche Spannungen UTA, UTB an den beiden Primärwicklungen 5, 6 an, dann kompensieren sich die durch diese Spannungen erzeugten Anteile des magnetischen Flusses ϕ in Eisenkern 11. Entgegengesetzte Spannungen UTA, UTB verstärken jedoch den magnetischen Fluss ϕ im Eisenkern 11. Es wird also der Vorteil erzielt, dass der Hauptfluss, der durch den Transformatorstrom erzeugt ist, verstärkt wird, weil der Transformatorstrom über die Verbindungsleitung 8 der 1 herangeführt wird und die beiden Primärwicklungen 5, 6 in entgegengesetzter Richtung durchströmt. Die zu drosselnden Ströme, z.B. die pulsierenden Anteile des Netzstromes oder die durch die Kondensatoren 4, 7 bewirkten Blindströme durchfließen die beiden hintereinander geschalteten Primärwicklungen 5, 6 in gleicher Richtung, so dass sie sich wegen der gegensinnigen Wicklung der beiden Primärwicklungen 5, 6 weitgehend kompensieren. An der Sekundärwicklung 9 wird die Sekundärspannung Usek abgegriffen.
  • Die störenden Ströme werden also nach der vorteilhaften Weiterbildung des Hochspannungsumrichters nach der Erfindung nicht nur gedrosselt, sondern auch kompensiert.
  • Es wird der Vorteil erzielt, dass man ohne zusätzliche Drosseln auskommt und dadurch eine gerade für ein Schienenfahrzeug wichtige Gewichtsersparnis erzielt.

Claims (3)

  1. Hochspannungsumrichter in Halbbrückenschaltung mit zwei mit einer Netzspannungsquelle (1) verbundenen in Serie geschalteten Zweigschaltungen (2, 3), denen ein Transformator zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet , dass der Transformator zwei Primärwicklungen (5, 6) und eine Sekundärwicklung (9) aufweist, dass die erste Primärwicklung (5) parallel zur ersten Zweigschaltung (2) und die zweite Primärwicklung (6) parallel zur zweiten Zweigschaltung (3) geschaltet ist und dass die beiden Primärwicklungen (5, 6) in Serie geschaltet sind.
  2. Hochspannungsumrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beide Primärwicklungen (5, 6) und die Sekundärwicklung (9) auf nur einem Eisenkern (11) angeordnet sind.
  3. Hochspannungsumrichter nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Primärwicklungen (5, 6) auf einem Eisenkern (11) gegensinnig gewickelt sind.
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