DE102006024896A1

DE102006024896A1 - Reduzierung der Aussendung von elektrischen und/oder elektromagnetischen Störsignalen von Fahrzeugen oder Anlagen

Info

Publication number: DE102006024896A1
Application number: DE200610024896
Authority: DE
Inventors: Markus HÖSSL
Original assignee: Deutsche Bahn AG
Current assignee: Deutsche Bahn AG
Priority date: 2006-05-24
Filing date: 2006-05-24
Publication date: 2007-11-29

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Reduzierung der Aussendung von elektrischen und/oder elektromagnetischen Störsignalen von Fahrzeugen oder Anlagen. Erfindungsgemäß erfolgt die Reduzierung der Aussendung von elektrischen und/oder elektromagnetischen Störsignalen dadurch, dass mehrere, insbesondere jeweils zwei oder drei, Pulsweitenmodulator-Module miteinander gekoppelt werden. Der Takt des einen Taktgebers und/oder Oszillators wird dem mindestens einen anderen Pulsweitenmodulator-Modul direkt und/oder kaskadiert zugeführt, wobei beide Pulsweitenmodulator-Module phasenstarr miteinander gekoppelt werden. Die gegenseitige Phasenlage wird hierbei so gewählt, dass die gemessenen Störaussendungen des Schienenfahrzeuges bei der Taktfrequenz und Vielfachen minimiert wird. Dies wird bei der Verbindung von zwei Pulsweitenmodulator-Modulen insbesondere dadurch erreicht, dass der Takt des einen Pulsweitenmodulator-Moduls dem anderen Pulsweitenmodulator-Modul mit einer um 180° verschobenen Phasenlage zugeführt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Reduzierung der Aussendung von elektrischen und/oder elektromagnetischen Störsignalen von Fahrzeugen oder Anlagen.
In Schienenfahrzeugen wird meist eine Vielzahl von Um- und/oder Wechselrichtern für den Betrieb elektrischer Komponenten in Hilfsbetrieben verwendet. Jede dieser Komponenten produziert unter Umständen ungewollte Aussendungen von elektrischen und/oder elektromagnetischen Störsignalen bis in den MHz-Frequenzbereich. Diese Störsignale treten im Frequenzbereich als diskrete Frequenzlinien besonders bei der Taktfrequenz und Vielfachen der Taktfrequenz mit hohen Pegeln auf. Um eine Abstrahlung dieser Aussendungen in die Umwelt zu verhindern, müssen im Stand der Technik erhebliche Filter- und Abschirmmaßnahmen ergriffen werden.
Im Rahmen der Einhaltung der EMV Störsignale z.B. bei Schienenfahrzeugen kommt der europäischen Norm EN 50121-3-1 zusätzlich ein besonderes Augenmerk zu. Mit dieser Norm werden die erlaubten Störaussendungen von Schienenfahrzeugen im Stillstand und bei langsamer Fahrt geregelt.
Aus US 05870294 A ist einen mittels Software geschalteten pulsweitenmodulierten Konverter von Wechselstrom zu Gleichstrom bekannt. Hierbei werden zwei einzelne Konverter innerhalb eines einzelnen Pulsweitenmodulator-Moduls, die mit unterschiedlichen festen Frequenzen arbeiten, durch eine sogenannte gate-array Logik miteinander synchronisiert, um sanftes Einschalten von Komponenten und damit eine Materialschonung zu gewährleisten sowie die Abstrahlung elektromagnetischer Strahlung zu reduzieren. Diese gate-array Logik verwendet einen Oszillator, der mit einer festen Frequenz arbeitet, die höher ist als die der beiden Konverter, und einen Schaltkreis, der das Signal des Oszillators in einzelne Signale gleicher Länge unterteilt.
Nachteil der Vorrichtung aus US 05870294 A ist jedoch, dass ein komplizierter und kostenaufwändiger Schaltungsaufwand erforderlich ist, der zudem nur für die Synchronisation innerhalb eines einzelnen pulsweiten-modulierten Konverters anwendbar ist.
Es ist somit Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, mit dem eine einfache und wirksame Reduzierung der Störaussendung von Fahrzeugen oder Anlagen gewährleistet wird.
Diese Aufgabe wird in Verbindung mit dem Oberbegriff des Anspruches 1 erfindungsgemäß durch das Verfahren mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Ansprüche 2 bis 9 beinhalten vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Lösung aus Anspruch 1. Ansprüche 10 bis 13 beinhalten Vorrichtungen zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Anlagen im Sinne der Erfindung sind insbesondere stationäre elektrische oder elektronische Einrichtungen, wie sie z.B. bei Umspannwerken oder Notstromaggregaten verwendet werden.
Ein Fahrzeug, insbesondere ein Schienenfahrzeug oder ein Oberleitungsbus, verfügt üblicherweise über mehrere, insbesondere zwei oder drei, festfrequente Um- und/oder Wechselrichter in Form von Pulsweitenmodulator-Modulen, die aus Pulswechselrichtern für Hilfsbetriebe bestehen, die wiederum durch jeweils einen eigenen Taktgeber und/oder Oszillator angesteuert werden. Hilfsbetriebe sind hierbei alle Einrichtungen eines Fahrzeugs, die nicht zum unmittelbaren Erzeugen von Zugkraft, d.h. zum Vortrieb des Fahrzeugs, dienen, aber für die maschinentechnischen und betrieblichen Funktionen des Fahrzeugs erforderlich sind. Dies sind z.B. Lüfteranlagen, Kompressoren, die Kraftstoffanlage, Sandstreueinrichtungen oder Sicherheitseinrichtungen.
Erfindungsgemäß erfolgt nun die Reduzierung der Aussendung von elektrischen und/oder elektromagnetischen Störsignalen dadurch, dass mehrere, insbesondere jeweils zwei oder drei Pulsweitenmodulator-Module miteinander gekoppelt werden. Der Takt des einen Taktgebers und/oder Oszillators wird dem mindestens einen anderen Pulsweitenmodulator-Modul direkt und/oder kaskadiert zugeführt, wobei beide Pulsweitenmodulator-Module phasenstarr miteinander gekoppelt werden.
Die gegenseitige Phasenlage wird hierbei so gewählt, dass die gemessenen Störaussendungen des Schienenfahrzeuges bei der Taktfrequenz und Vielfachen minimiert wird. Dies wird bei der Verbindung von zwei Pulsweitenmodulator-Modulen insbesondere dadurch erreicht, dass der Takt des einen Pulsweitenmodulator-Moduls dem anderen Pulsweitenmodulator-Module mit einer um 180° verschobenen Phasenlage zugeführt wird.
Bei mehreren, d.h. einer Anzahl n mit n als ganze Zahl zwischen 2 und "unendlich", Pulsweitenmodulator-Modulen bestehen zwei Möglichkeiten zur Verbindung, um die Störaussendungen zu reduzieren:

• Alle Pulsweitenmodulator-Module werden gemäß Anspruch 3 direkt mit einem "Master"- Taktgeber und/oder Oszillator verbunden, d.h. der "Master"-Taktgeber und/oder Oszillator weist eine direkte Verbindung mit jedem der anderen "Slave"-Pulsweitenmodulator-Module auf. Alle "Slave"-Pulsweitenmodulator-Module sind somit sternförmig mit dem "Master"-Taktgeber und/oder Oszillator verbunden. Hierbei erhält ein "Slave"-Pulsweitenmodulator-Modul den vom "Master"- Taktgeber und/oder Oszillator um 360°/n verschobenen Takt, ein weiteres "Slave"-Pulsweitenmodulator-Modul den Takt des "Master"-Taktgebers und/oder Oszillators mit einer um (360°/n)·2 verschobenen Phasenlage usw. sowie das letzte "Slave"-Pulsweitenmodulator-Modul den Takt des "Master"-Taktgebers und/oder Oszillators mit einer um (360°/n)·(n – 1) verschobenen Phasenlage zugeführt. Bei insgesamt zwei Pulsweitenmodulator-Modulen gibt der "Master"- Taktgeber und/oder Oszillator seinen Takt dem "Slave"-Pulsweitenmodulator-Modul somit mit einer um 180° verschobenen Phasenlage, bei insgesamt drei Pulsweitenmodulator-Modulen mit einer um 120° verschobenen Phasenlage weiter.
• Alle Pulsweitenmodulator-Module werden gemäß Anspruch 7 kaskadiert miteinander verbunden, d.h. ein Pulsweitenmodulator-Modul gibt sein Signal einem nächsten Pulsweitenmodulator-Modul weiter, dieser wiederum einem weiteren Pulsweitenmodulator-Modul usw. Alle Pulsweitenmodulator-Module sind somit gleichsam in Reihe miteinander verbunden. Hierbei wird der Takt eines Pulsweitenmodulator-Moduls dem jeweils nächsten Pulsweitenmodulator-Modul mit einer um 360°/n verschobenen Phasenlage zugeführt. Bei insgesamt drei Pulsweitenmodulator-Modulen gibt ein Pulsweitenmodulator-Modul seinen Takt einem zweiten Pulsweitenmodulator-Modul somit mit einer um 120° verschobenen Phasenlage und dieser einem dritten Pulsweitenmodulator-Modul seinen Takt ebenfalls mit einer um 120° verschobenen Phasenlage weiter.

Bei mehr als drei Pulsweitenmodulator-Modulen können diese beiden Möglichkeiten beliebig erweitert werden. Besonders vorteilhaft werden in diesem Fall jedoch gemäß Anspruch 9 Pulsweitenmodulator-Module in Gruppen von zwei oder drei Pulsweitenmodulator-Modulen miteinander verbunden. Dies hat den Vorteil, dass die Pulsweitenmodulator-Module mit besonders geringem schaltungstechnischem Aufwand miteinander verbunden werden, da immer die gleiche Schaltungslogik zur Anwendung gelangt. Hierbei werden die einzelnen Pulsweitenmodulator-Module entweder nur direkt oder nur kaskadiert oder je nach Anwendungsfall gemischt jeweils direkt und kaskadiert miteinander verbunden, d.h. Gruppen von Pulsweitenmodulator-Modulen werden direkt und gleichzeitig andere Gruppen von Pulsweitenmodulator-Modulen kaskadiert miteinander verbunden.
Erfindungsgemäß wird somit die Störaussendung von Fahrzeugen und Anlagen im kHz-Frequenzbereich durch Phasenkopplung der Taktgeber und/oder Oszillatoren von Um- und/oder Wechselrichtern erreicht.
Bei der Konzeptionierung des Fahrzeuges oder der Anlage muss insbesondere darauf geachtet werden, dass die Wechsel- und/oder Umrichter im Regelbetrieb des Fahrzeuges oder der Anlage in etwa prozentual gleich ausgelastet sind.
Vorteil der phasenstarren Verkopplung ist, dass sie besonders kostengünstig realisierbar ist, da dem Verfahren keine Regelung zugrunde liegt.
Des Weiteren lassen sich durch die erfindungsgemäße Maßnahme die Aussendungen bei der Taktfrequenz und deren Vielfachen um etwa 10 bis 30 dB reduzieren.
Ebenfalls gestalten sich durch die Anwendung der erfindungsgemäßen Maßnahme vorteilhaft die dann noch erforderlichen Abschirm- und/oder Filtermaßnahmen der entsprechenden Komponenten einfacher.
Besonders vorteilhaft erfolgt gemäß Anspruch 10 die Verbindung der Pulsweitenmodulator-Module über mindestens eine Verbindungsleitung. Der eine Taktgeber und/oder Oszillator steuert hierbei insbesondere die übrigen Pulsweitenmodulator-Module über mindestens einen Phasenschieber an, wobei insbesondere die anderen Taktgeber und/oder Oszillatoren nicht verwendet werden oder deaktiviert sind.
Phasenschieber im Sinne der Erfindung sind insbesondere Inverter, Verzögerungsglieder, Verstärker sowie aktive und passive Filter, z.B. RC-Glieder.
Alternativ sind gemäß Anspruch 13 die Taktgeber und/oder Oszillatoren der gesteuerten Pulsweitenmodulatoren nicht deaktiviert, sondern mittels einer phaselocked loop Schaltung miteinander verkoppelt. Mit Hilfe dieser phase-locked loop Schaltung werden die Taktgeber und/oder Oszillatoren phasenstarr miteinander verbunden.
Im Gegensatz zur US 05870294 A beinhaltet die erfindungsgemäße Lösung somit vorteilhaft keine Software. Besonders vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Lösung mit geringem Hardwareaufwand realisierbar, da insbesondere kein separater Oszillator benötigt wird. Des Weiteren werden erfindungsgemäß im Gegensatz zu US 05870294 A pulsweitenmodulierte Konverter gleicher Frequenz verkoppelt.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von vier Ausführungsbeispielen und einer Zeichnung mit vier Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen in
1: schematisch ein Schienenfahrzeug mit zwei Pulsweitenmodulator-Modulen, die direkt miteinander verbunden sind,
2: schematisch ein Schienenfahrzeug mit drei Pulsweitenmodulator-Modulen, die direkt miteinander verbunden sind,
3: schematisch ein Schienenfahrzeug mit drei Pulsweitenmodulator-Modulen, die kaskadiert miteinander verbunden sind,
4: schematisch die Verbindung zweier Pulsweitenmodulator-Module, wobei im Folgenden statt der korrekten, ausführlichen Bezeichnung "Taktgeber und/oder Oszillator" nur die verkürzte Bezeichnung "Taktgeber" verwendet wird.
In einem ersten besonders vorteilhaften Ausführungsbeispiel sind gemäß 1 zwei Pulsweitenmodulator-Module PWM1 und PWM2 miteinander verbunden.
Taktgeber T1 ist über eine Verbindungsleitung 2 mit Pulsweitenmodulator-Modul PWM2 verbunden. Taktgeber T1 steuert direkt Pulsweitenmodulator PW1 und Pulsweitenmodulator-Modul PWM2 an. Zur Reduzierung der Aussendung von Störströmen führt Taktgeber T1 seinen Takt Pulsweitenmodulator PW1 ohne Phasenverschiebung und Pulsweitenmodulator-Modul PWM2 um 180° phasenverschoben zu.
In einem zweiten vorteilhaften Ausführungsbeispiel sind gemäß 2 drei Pulsweitenmodulator-Module PWM1, PWM2 und PWM3 miteinander verbunden.
Taktgeber T1 ist über eine Verbindungsleitung 2 mit Pulsweitenmodulator-Modul PWM2 und über eine Verbindungsleitung 3 mit Pulsweitenmodulator-Modul PWM3 verbunden. Taktgeber T1 steuert direkt Pulsweitenmodulator PW1 sowie die beiden Pulsweitenmodulator-Module PWM2 und PWM3 an. Zur Reduzierung der Aussendung von Störströmen führt Taktgeber T1 seinen Takt Pulsweitenmodulator PW1 ohne Phasenverschiebung, Pulsweitenmodulator-Modul PWM2 um 120° phasenverschoben und Pulsweitenmodulator-Modul PWM3 um 240° phasenverschoben zu.
In einem dritten vorteilhaften Ausführungsbeispiel sind gemäß 3 drei Pulsweitenmodulator-Module PWM1, PWM2 und PWM3 miteinander verbunden.
Taktgeber T1 ist über eine Verbindungsleitung 2 mit Pulsweitenmodulator-Modul PWM2 und dieses über eine Verbindungsleitung 3 mit Pulsweitenmodulator-Modul PWM3 verbunden. Taktgeber T1 steuert somit kaskadiert Pulsweitenmodulator PW1 sowie die beiden Pulsweitenmodulator-Module PWM2 und PWM3 an.
Zur Reduzierung der Aussendung von Störströmen führt Taktgeber T1 seinen Takt Pulswandler PW1 ohne Phasenverschiebung und Pulsweitenmodulator-Modul PWM2 um 120° phasenverschoben zu, das seinerseits seinen Takt Pulsweitenmodulator-Modul PWM3 um 120° phasenverschoben zuführt.
Das vierte vorteilhafte Ausführungsbeispiel behandelt gemäß 4 die Verbindung jeweils zweier Pulsweitenmodulator-Module, insbesondere der Pulsweitenmodulator-Module PWM1 und PWM2 oder auch anderer Pulsweitenmodulator-Module wie z.B. PWM2 und PWM3.
Diese Verbindung kann alternativ dadurch erfolgen, dass

• gemäß 4a Taktgeber T1 über einen Phasenschieber 4 und eine Verbindungsleitung 2 mit Taktgeber T2 verbunden ist. Taktgeber T2 führt mit dem zugeführten Takt eine Synchronisation durch und übermittelt den synchronisierten Takt an Pulsweitenmodulator PW2.
• gemäß 4b Taktgeber T1 über einen Phasenschieber 4 und eine Verbindungsleitung 2 mit Pulsweitenmodulator PW2 verbunden ist. Taktgeber T2 wird dabei nicht verwendet, indem die Verbindung zwischen Taktgeber T2 und Pulsweitenmodulator PW2 unterbrochen ist.

1: Schienenfahrzeug
2: Verbindungsleitung
3: Verbindungsleitung
4: Phasenschieber
PWM1: Pulsweitenmodulator-Modul
PWM2: Pulsweitenmodulator-Modul
PWM3: Pulsweitenmodulator-Modul
PW1: Pulsweitenmodulator
PW2: Pulsweitenmodulator
PW3: Pulsweitenmodulator
T1: Taktgeber für Pulsweitenmodulator PW1
T2: Taktgeber für Pulsweitenmodulator PW2
T3: Taktgeber für Pulsweitenmodulator PW3

Claims

Verfahren zur Reduzierung der Aussendung von elektrischen und/oder elektromagnetischen Störsignalen von Fahrzeugen (1) oder Anlagen, die über eine Anzahl von n festfrequenten Pulsweitenmodulator-Moduln (PWM1 ... PWMn) verfügen, die aus Pulsweitenmodulatoren (PW1 ... PWn) bestehen, die jeweils durch einen internen Taktgeber und/oder Oszillator (T1 ... Tn) angesteuert werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsweitenmodulator-Module (PWM1 ... PWMn) mindestens teilweise miteinander verbunden werden, der Takt eines Taktgebers und/oder Oszillators (T1) dem mindestens einen weiteren Pulsweitenmodulator-Modul (PWM2 ... PWMn) direkt oder kaskadiert zugeführt wird und die Pulsweitenmodulator-Module (PWM1 ... PWMn) phasenstarr miteinander gekoppelt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der den Pulsweitenmodulator-Moduln (PWM2 ... PWMn) zugeleitete Takt mit den internen Taktgebern und/oder Oszillatoren (T2 ... Tn) phasenstarr verkoppelt wird und/oder die Pulsweitenmodulatoren (PW2 ... PWn) ohne Verwendung der internen Taktgebern und/oder Oszillatoren (T2 ... Tn) mit dem zugeleiteten Takt angesteuert werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Takt des Taktgebers und/oder Oszillators (T1) dem Taktgeber und/oder Oszillator (T2) direkt mit einer um 360°/n verschobenen Phasenlage, dem Taktgeber und/oder Oszillator (T3) direkt mit einer um (360°/n)·2 verschobenen Phasenlage usw. sowie dem letzten Taktgeber und/oder Oszillator (Tn) direkt mit einer um (360°/n)·(n-1) verschobenen Phasenlage zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei Schienenfahrzeugen (1) oder Anlagen mit zwei festfrequenten Pulsweitenmodulator-Moduln (PWM1 ... PWMn) der Takt des einen Taktgebers und/oder Oszillators (T1) dem anderen Taktgeber und/oder Oszillator (T2) mit einer um 180° verschobenen Phasenlage zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei Schienenfahrzeugen (1) oder Anlagen mit drei festfrequenten Pulsweitenmodulator-Moduln (PWM1 ... PWMn) der Takt des einen Taktgebers und/oder Oszillators (T1) dem Taktgeber und/oder Oszillator (T2) mit einer um 120° und dem Taktgeber und/oder Oszillator (T3) mit einer um 240° verschobenen Phasenlage zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Takt des Taktgebers und/oder Oszillators (T1) dem Pulsweitenmodulator (PW2) ohne Verwendung der internen Taktgebers und/oder Oszillators (T2) mit einer um 360°/n verschobenen Phasenlage, dem Pulsweitenmodulator (PW3) ohne Verwendung der internen Taktgebers und/oder Oszillators (T3) mit einer um (360°/n)·2 verschobenen Phasenlage usw. sowie dem letzten Pulsweitenmodulator (PWn) ohne Verwendung der internen Taktgebers und/oder Oszillators (Tn) mit einer um (360°/n)·(n-1) verschobenen Phasenlage zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Takt eines Pulsweitenmodulator-Moduls dem jeweils nächsten Pulsweitenmodulator-Modul mit einer um 360°/n verschobenen Phasenlage zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei Schienenfahrzeugen (1) oder Anlagen mit drei festfrequenten Pulsweitenmodulator-Moduln (PWM1, PWM2, PWM3) der Takt eines Taktgebers und/oder Oszillators (T1) einem Pulsweitenmodulator-Modul (PWM2) mit einer um 120° verschobenen Phasenlage zugeführt wird und der Takt des Pulsweitenmodulator-Moduls (PWM2) dem Pulsweitenmodulator-Modul (PWM3) mit einer um 120° verschobenen Phasenlage zugeführt wird.
Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsweitenmodulator-Moduln (PWM1 ... PWMn) jeweils in Gruppen zu zwei oder drei miteinander gekoppelt werden.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach mindestens einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung der Pulsweitenmodulator-Module (PWM1 ... PWMn) über mindestens eine Verbindungsleitung (2) erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Taktgeber und/oder Oszillator (T1) die übrigen Pulsweitenmodulator-Module über mindestens einen Phasenschieber ansteuert.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Taktgeber und/oder Oszillatoren der übrigen Pulsweitenmodulator-Module nicht verwendet werden und/oder diese deaktiviert sind.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach mindestens einem der vorigen Ansprüche 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung der Taktgeber und/oder Oszillatoren (T1 ... Tn) als phase-locked loop (PLL) ausgeführt ist.