-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vorladen eines Stromrichters mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1, eine Vorrichtung zum Vorladen eines Stromrichters mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 14 sowie eine Stromrichteranordnung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 15.
-
Es ist bekannt, in Fahrzeugen und speziell in elektrisch betriebenen Fahrzeugen des öffentlichen Personenverkehrs Hilfsspannungsversorgungen vorzusehen. Diese stellen eine Betriebsspannung für Hilfsgeräte in dem Fahrzeug bereit, zu welchen Hilfsgeräten insbesondere Klimatisierungsvorrichtungen, Kommunikationsvorrichtungen sowie Stromanschlüsse für Kleingeräte zählen. Neben einer solchen Hilfsspannungsversorgung weisen solche elektrisch betriebenen Fahrzeuge regelmäßig auch eine Hauptspannungsversorgung auf, welche insbesondere die Betriebsspannung für einen Antrieb des Fahrzeugs bereitstellt. Obwohl also sowohl die Hauptspannungsversorgung als auch die Hilfsspannungsversorgung im Grunde von derselben externen Spannungsquelle - z. B. einer Oberleitung für das Fahrzeug - versorgt werden, handelt es sich dennoch um separate Vorrichtungen.
-
Eine solche Hilfsspannungsversorgung weist als wesentlichen Bestandteil einen Stromrichter auf, welcher eine an einem Eingangspol des Stromrichters anliegende Gleichspannung aufweist. Regelmäßig ist bei einem solchen Stromrichter eingangsseitig eine Filterschaltung mit einem Filterkondensator und einem Induktor vorgesehen, welche sehr steile eingangsseitige Transienten der Spannung oder des Stroms begrenzen soll. Das Vorsehen eines solchen Filterkondensators sorgt jedoch ab einer bestimmten Kapazität auch dafür, dass beim eingangsseitigen Zuschalten der Gleichspannung bei gleichzeitig ungeladenem Filterkondensator ein sehr großer Strom fließt. Dieser große Strom kann zu Beschädigungen an der Gleichspannungsquelle, an dem Induktor oder an zwischengeschalteten Halbleitern wie z. B. Dioden führen.
-
Um solche Schäden zu vermeiden ist es aus dem Stand der Technik bekannt, Schaltungen zum Vorladen eines solchen Stromrichters vorzusehen. Diese dienen dazu, den obigen Filterkondensator so weit aufzuladen, dass nach dem Vorladen nur noch eine Spannungsdifferenz zu der Gleichspannungsquelle verbleibt, welche zu klein für schädliche Ladeströme ist. Nach einem solchen Vorladevorgang kann die Gleichspannungsquelle also gefahrlos auf den Stromrichter geschaltet werden.
-
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Schaltungen zum Vorladen eines Stromrichters bekannt. Dabei wird zwischen aktiven solchen Schaltungen - mit schaltbaren Halbleiterelementen - und passiven Schaltungen - bestehend aus passiven Elementen - unterschieden. Eine solche Schaltung aus dem Stand der Technik, von welcher die vorliegende Erfindung ausgeht, besteht aus einer Reihenschaltung einer Diode und eines Vorladewiderstands, welche Reihenschaltung ihrerseits parallel zu einem Thyristor geschaltet ist. Zum Vorladen ist der Thyristor ausgeschaltet, sodass der Vorladestrom über den Vorladewiderstand fließt und durch diesen begrenzt wird. Sobald der Filterkondensator ausreichend vorgeladen ist, kann der Thyristor eingeschaltet werden. Dann verhindert die Diode einen Stromfluss in umgekehrter Richtung über den Vorladewiderstand.
-
Nachteilig an dieser Schaltung ist, dass zur wirksamen Begrenzung des Stromes insbesondere zu Beginn des Vorladens ein vergleichsweise hoher ohmscher Vorladewiderstand gewählt werden muss, auch wenn er für spätere Phasen des Vorladens auch niedriger gewählt werden könnte. Ein solcher hoher ohmscher Vorladewiderstand verlängert einerseits die Vorladezeit und erhöht andererseits die von dem Widerstand aufgenommene Verlustenergie. Außerdem beansprucht er vergleichsweise viel Raum im Vergleich zu einer aktiven Vorladung.
-
Ausgehend von diesem Stand der Technik besteht daher die Aufgabe der Erfindung, die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren und Vorrichtungen zum Vorladen eines Stromrichters so weiterzuentwickeln und zu verbessern, dass die Vorladezeit, der Bauraumbedarf und die Verlustenergie beim Vorladen verringert wird.
-
Bezogen auf ein Verfahren zum Vorladen eines Stromrichters mit den Merkmalen des Anspruchs 1 wird die Aufgabe durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils von Anspruch 1 gelöst. Bezogen auf eine Vorrichtung zum Vorladen eines Stromrichters mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 14 wird die Aufgabe durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils von Anspruch 14 und bezogen auf eine Stromrichteranordnung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 15 wird die Aufgabe durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils von Anspruch 15 gelöst.
-
Wesentlich für die Erfindung ist die Erkenntnis, dass eine gepulst schaltbare Gleichrichteranordnung als Vorladeschaltung benutzt werden kann. Dies ermöglicht es, durch Anpassung der Pulsdauer in einer Anfangsphase des Vorladens, in welcher höhere Vorladeströme zu erwarten sind, kürzere Einschaltpulse vorzusehen um die von der Gleichrichteranordnung aufgenommene Leistung zu begrenzen und mit sinkender Potentialdifferenz im Zuge des Vorladens die Einschaltpulse zu verlängern, sodass die Vorladedauer insgesamt verkürzt werden kann.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren dient dem Vorladen eines Stromrichters, wobei ein schaltbares Entkoppelbauelement zwischen einem Speisepol einer schaltbaren Gleichspannungsquelle, welche Gleichspannungsquelle der Bereitstellung einer Speisegleichspannung dient, und einem Ausgabepol, welcher Ausgabepol der Bereitstellung einer Ladespannung für den Stromrichter dient, so verschaltet ist, dass ein Rückstrom von dem Ausgabepol zum Speisepol gesperrt wird. Anders ausgedrückt weist das Entkoppelbauelement eine Durchlassrichtung auf, welche von dem Speisepol zu dem Ausgabepol verläuft, und weist eine Sperrrichtung auf, welche von dem Ausgabepol zu dem Speisepol verläuft. Bevorzugt liegt die Speisegleichspannung in einem Bereich zwischen 600 V und 3000 V, vorzugsweise zwischen 750 V und 3000 V und insbesondere zwischen 750 V und 1500 V. Speziell kann die Speisegleichspannung im Wesentlichen 1500 V oder im Wesentlichen 3000 V betragen. Ein solcher Stromrichter weist regelmäßig einen oder mehrere Wechselrichter sowie einen oder mehrere Gleichrichter auf.
-
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird nach einem Einschalten der Gleichspannungsquelle der Stromrichter durch eine parallel zu dem Entkoppelbauelement verschaltete Vorladeschaltung vorgeladen bevor das Entkoppelbauelement zur Bereitstellung der Ladespannung und zum Durchlassen eines Ladestroms eingeschaltet wird. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Vorladeschaltung eine schaltbare Gleichrichteranordnung zum Durchlassen eines Vorladestroms von dem Speisepol zu dem Ausgabepol aufweist und dass eine Schaltanordnung der Gleichrichteranordnung zum Vorladen des Stromrichters gepulst eingeschaltet wird. Das Schalten der Gleichrichteranordnung erfolgt also über das Schalten der Schaltanordnung der Gleichrichteranordnung. „Gepulst“ eingeschaltet bedeutet hier und nachfolgend lediglich, dass die Schaltanordnung während des Pulsens nicht kontinuierlich eingeschaltet oder ausgeschaltet ist. Dabei ist die Gleichrichteranordnung dazu eingerichtet, im eingeschalteten Zustand der Schaltanordnung den Vorladestrom von dem Speisepol zu dem Ausgabepol durchzulassen. Im ausgeschalteten Zustand der Schaltanordnung ist die Gleichrichteranordnung allenfalls dazu eingerichtet, einen Verschiebungsstrom zwischen dem Speisepol und dem Ausgabepol durchzulassen. Insbesondere ist die Gleichrichteranordnung dazu eingerichtet, einen Entladestrom von dem Ausgabepol zu dem Speisepol - also entgegengesetzt zu dem Vorladestrom - zu sperren.
-
Eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens zum Vorladen eines Stromrichters ist dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichrichteranordnung - und insbesondere die Schaltanordnung der Gleichrichteranordnung - mindestens einen Leistungshalbleiter zum Durchlassen des Vorladestroms aufweist. Insbesondere sind diese Leistungshalbleiter dazu eingerichtet, den Vorladestrom im eingeschalteten Zustand der Gleichrichteranordnung - und damit insbesondere der Schaltanordnung - durchzulassen. Bevorzugt ist weiter, dass die Gleichrichteranordnung und speziell die Schaltanordnung mindestens zwei Leistungshalbleiter zum Durchlassen des Vorladestroms in einer Reihenschaltung aufweist. Weiter kann es sein, dass der mindestens eine Leistungshalbleiter ein Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET) ist. In diesem Fall fließt der Vorladestrom zwischen Drain und Source des MOSFET.
-
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens zum Vorladen eines Stromrichters ist dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Leistungshalbleiter ein Bipolartransistor mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) ist. Hier ist weiter bevorzugt, dass die Gleichrichteranordnung und insbesondere die Schaltanordnung eine zu dem mindestens einen Leistungshalbleiter antiparallel verschaltete Diode aufweist, welche auch als Freilaufdiode bezeichnet werden kann. Antiparallel verschaltet bedeutet hier und nachfolgend, dass die beiden Elemente - hier Leistungshalbleiter und Diode - zwar parallel, aber mit jeweils entgegengesetzter Sperr- und Durchlassrichtung verschaltet sind. Ferner kann es bevorzugt sein, dass die Gleichrichteranordnung eine mit der Schaltanordnung und speziell mit dem mindestens einen Leistungshalbleiter in Reihe verschaltete Entkoppeldiode zum Durchlassen des Vorladestroms aufweist. Entsprechend ist diese Entkoppeldiode dazu eingerichtet, einen Strom in zu dem Vorladestrom entgegengesetzter Richtung - also einen Entladestrom von dem Ausgabepol zu dem Speisepol - zu sperren.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens zum Vorladen eines Stromrichters ist vorgesehen, dass das Entkoppelbauelement einen Thyristor zum schaltbaren Durchlassen des Ladestroms aufweist. Bevorzugt ist, dass das Entkoppelbauelement von einem Halbleitermodul mit einem eigenen Gehäuse umfasst ist, welches Halbleitermodul auch die Entkoppeldiode umfasst. Dies bedeutet, dass sowohl das Entkoppelbauelement als auch die Entkoppeldiode in dem insbesondere selben Gehäuse aufgenommen sind. Dies ermöglicht eine besonders platzsparende Ausgestaltung der Gleichrichteranordnung.
-
Ebenso sieht eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens zum Vorladen eines Stromrichters vor, dass das Entkoppelbauelement einen aktiven Schalter zum schaltbaren Durchlassen des Ladestroms und zum Sperren des Rückstroms aufweist.
-
Eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens zum Vorladen eines Stromrichters ist dadurch gekennzeichnet, dass parallel zu der Schaltanordnung eine vorzugsweise passive Snubberschaltung zur Dämpfung von Spannungsspitzen verschaltet ist. Die Snubberschaltung ist vorzugsweise von der Vorladeschaltung umfasst. Dabei kann ungeachtet der parallelen Schaltung der Snubberschaltung zu der Schaltanordnung auch eine elektrische Verbindung zwischen einzelnen Knoten der Snubberschaltung einerseits und der Schaltanordnung andererseits bestehen. Diese Snubberschaltung verhindert einen abrupten Abbruch des Stromflusses durch das Vorsehen einer Freilaufmöglichkeit. Da an dem Ausgabepol regelmäßig eine induktive Last angeschlossen ist, können die Schaltvorgänge der Schaltanordnung Spannungsspitzen bzw. Spannungsschwingungen an dem Ausgabepol verursachen, welche regelmäßig zu Beschädigungen an Bauteilen führen können. Dies wird durch eine solche Snubberschaltung wirksam verhindert bzw. die resultierenden Spannungsspitzen oder Spannungsschwingungen begrenzt. Insbesondere handelt es sich um Spannungsspitzen am Ausgabepol gegenüber dem Speisepol. Weiter insbesondere handelt es sich um durch das Einschalten der Schaltanordnung verursachte Spannungsspitzen.
-
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens zum Vorladen eines Stromrichters ist dadurch gekennzeichnet, dass die Snubberschaltung mindestens einen Snubberkondensator zum Stabilisieren einer Spannung zwischen Ausgabepol und Speisepol aufweist. Dieser mindestens eine Snubberkondensator begrenzt also - gemäß dem bekannten Verhalten von Kondensatoren - die Rate, mit welcher sich die Spannung über dem jeweiligen Snubberkondensator und damit auch die Spannung zwischen dem Ausgabepol und Speisepol verändert. Vorzugsweise ist der mindestens eine Snubberkondensator zwischen Ausgabepol und Speisepol verschaltet.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Snubberschaltung ein jeweils mit dem mindestens einen Snubberkondensator, und zwar vorzugsweise zwischen Ausgabepol und Speisepol, in Reihe verschaltetes Verbraucherelement zum Abführen von elektrischer Energie aufweist. Speziell kann das jeweilige Verbraucherelement dazu eingerichtet sein, die beim Entladen des Snubberkondensators freiwerdende Energie als Senke aufzunehmen. Hier ist es bevorzugt vorgesehen, dass das jeweilige Verbraucherelement speisepolseitig zum dem entsprechenden Snubberkondensator verschaltet ist. Mit anderen Worten ist gemäß dieser Variante das jeweilige Verbraucherelement zwischen dem Speisepol und einem Pol des entsprechenden Snubberkondensators verschaltet. Weiter kann es sein, dass das jeweilige Verbraucherelement einen elektrischen Widerstand zum Abführen von elektrischer Energie aufweist. Dabei kann der Widerstandswert nach einer angestrebten Frequenz des obigen Pulsens und einer Kapazität des Snubberkondensators dimensioniert werden. In jedem Fall kann das Verbraucherelement deutlich kleiner dimensioniert werden als der zu dem Thyristor parallel verschaltete Vorladewiderstand aus dem oben beschriebenen Stand der Technik. Weiterhin kann es sein, dass die Snubberschaltung einen parallel zur dem Snubberkondensator geschalteten Entladewiderstand aufweist.
-
Eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens zum Vorladen eines Stromrichters ist dadurch gekennzeichnet, dass jeweils ein Snubbergleichrichtelement zum Durchlassen von Strom von dem Speisepol zu dem Snubberkondensator parallel zu dem jeweiligen Verbraucherelement verschaltet ist. Auf diese Weise wird ein Freilauf erreicht. Vorzugsweise umfasst die Snubberschaltung das jeweilige Snubbergleichrichtelement. Auf diese Weise kann ein großer Strom im Augenblick des Schaltens der Schaltanordnung durch das jeweilige Snubbergleichrichtelement fließen, und zwar ohne dass es zu einer großen Leistungsaufnahme führt. Vorzugsweise handelt es sich bei dem jeweiligen Snubbergleichrichtelement um eine Diode und insbesondere um eine schnell schaltende Diode, welche hier und nachfolgend als Snubberdiode bezeichnet wird.
-
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens zum Vorladen eines Stromrichters ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Ausgabepol und einem Eingangspol des Stromrichters ein Induktor verschaltet ist. Dieser dient dazu, Änderungen des zu dem Stromrichter fließenden Stroms zu begrenzen. Weiter ist es bevorzugt, dass zwischen dem Eingangspol und einem Massepol des Stromrichters ein Filterkondensator verschaltet ist. Dieser Filterkondensator dient dazu, die an dem Stromrichter anliegende Spannung zu glätten und zu stabilisieren. Weiter kann ein Entladewiderstand parallel zu dem Filterkondensator zwischen dem Eingangspol und dem Massepol verschaltet sein.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens zum Vorladen eines Stromrichters ist vorgesehen, dass während des Vorladens des Stromrichters die Dauer des Einschaltens der Gleichrichteranordnung und insbesondere der Schaltanordnung zunimmt, und zwar vorzugsweise streng monoton. Da während des Vorladens der Spannungsunterschied zwischen dem Speisepol und dem Ausgabepol abnimmt, kann die Schaltanordnung mit fortlaufender Zeit auch für eine entsprechend längere Zeit eingeschaltet werden, ohne dass es zu der Gefahr von thermischen Schäden insbesondere an der Gleichrichteranordnung kommt.
-
Eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens zum Vorladen eines Stromrichters ist dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichrichteranordnung und insbesondere die Schaltanordnung zum Vorladen des Stromrichters getaktet eingeschaltet wird. Insbesondere kann die Gleichrichteranordnung, vorzugsweise die Schaltanordnung, mit einer konstanten Taktperiode getaktet eingeschaltet werden. Zusätzlich können auch eine oder mehrere weitere Schaltbedingungen vorgesehen sein, so etwa ein Ausschalten der Schaltanordnung bei Überschreiten eines Belastungswerts der Vorladeschaltung.
-
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens zum Vorladen eines Stromrichters ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauer des Einschaltens durch Vergleich einer periodischen Funktion mit einem Referenzsignal ermittelt wird und dass die die Gleichrichteranordnung - insbesondere die Schaltanordnung - zum Vorladen des Stromrichters eingeschaltet wird, wenn die periodische Funktion eine Schwellenbedingung in Bezug auf das Referenzsignal erfüllt. Entsprechend ist es bevorzugt, dass die Gleichrichteranordnung und insbesondere die Schaltanordnung zum Vorladen des Stromrichters ausgeschaltet wird, wenn die periodische Funktion die Schwellenbedingung in Bezug auf das Referenzsignal nicht erfüllt.
-
Eine solche Schwellenbedingung kann darin bestehen, dass die Schwellenbedingung erfüllt ist, wenn die periodische Funktion größer als das Referenzsignal ist. Alternativ kann die Schwellenbedingung darin bestehen, dass die Schwellenbedingung erfüllt ist, wenn die periodische Funktion kleiner als das Referenzsignal ist. Ein solcher Ansatz zum Pulsen der Schaltanordnung durch Vergleich von Signalen lässt sich auf besonders einfache Art und Weise schaltungstechnisch verwirklichen. Bevorzugt ist, dass diese periodische Funktion eine Frequenz entsprechend der Taktperiode aufweist. Diese Feststellung lässt sich gleichermaßen dadurch ausdrücken, dass bevorzugt die periodische Funktion eine Periode entsprechender Taktperiode aufweist.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens zum Vorladen eines Stromrichters ist vorgesehen, dass die periodische Funktion im Wesentlichen eine Sägezahnfunktion mit einer im Wesentlichen konstanten Amplitude ist. Grundsätzlich kann es sich bei dem Referenzsignal um ein beliebiges Signal oder - anders ausgedrückt - um eine beliebige Funktion handeln. Es ist jedoch bevorzugt, dass das Referenzsignal eine streng monoton steigende Funktion und insbesondere eine streng monoton steigende Rampenfunktion ist. Diese Wahl der periodischen Funktion und des Referenzsignals kann auf einfache Art und Weise sicherstellen, dass die Einschaltdauer der Schaltanordnung stetig zunimmt. Alternativ kann es sich auch um eine streng monoton fallende Funktion und speziell um eine solche Rampenfunktion handeln.
-
Es ist ferner möglich, dass gemäß der Variante einer Kaskadenschaltung die Gleichrichteranordnung eine Vielzahl von in Reihe verschalteten Schaltanordnungen aufweist, wobei parallel zu jeder der Vielzahl der in Reihe verschalteten Schaltanordnungen eine Snubberschaltung wie oben beschrieben verschaltet ist. Auf diese Weise können auch Spannungsbereiche verarbeitet werden, welche die Spezifikationsbereich einer einstufigen Schaltanordnung und Snubberschaltung übersteigen würden.
-
Die erfindungsgemäße Vorrichtung dient dem Vorladen eines Stromrichters. Die Vorrichtung umfasst eine schaltbare Gleichspannungsquelle zur Bereitstellung einer Speisegleichspannung an einem Speisepol der Vorrichtung, umfasst einen Ausgabepol zur Bereitstellung einer Ladespannung für den Stromrichter, umfasst ein schaltbares Entkoppelbauelement zwischen dem Speisepol und dem Ausgabepol zum Sperren eines Rückstroms von dem Ausgabepol zum Speisepol und zur Bereitstellung der Ladespannung und zum Durchlassen eines Ladestroms und umfasst eine zu dem Entkoppelbauelement parallel verschaltete Vorladeschaltung zum Vorladen des Stromrichters. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Vorladeschaltung eine gepulst schaltbare Gleichrichteranordnung zum Durchlassen eines Vorladestroms von dem Speisepol zu dem Ausgabepol aufweist, wobei die Gleichrichteranordnung eine Schaltanordnung zum gepulsten Schalten aufweist.
-
Die erfindungsgemäße Stromrichteranordnung umfasst einen Stromrichter für eine Hilfsspannungsversorgung in einem Fahrzeug und umfasst eine Filterschaltung mit einem zwischen einem Eingangspol des Stromrichters und einem Massepol des Stromrichters verschalteten Filterkondensator und mit einem Induktor, welcher zwischen dem Eingangspol des Stromrichters und einem Ausgabepol einer Ladeanordnung für den Stromrichter verschaltet ist. Die erfindungsgemäße Stromrichteranordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Ladeanordnung für den Stromrichter eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Vorladen eines Stromrichters ist.
-
Bevorzugte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Vorladen eines Stromrichters und der erfindungsgemäßen Stromrichteranordnung ergeben sich aus den jeweiligen bevorzugten Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
-
Weitere vorteilhafte und bevorzugte Ausgestaltungen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die Figuren. In der lediglich Ausführungsbeispiele wiedergebenden Zeichnung zeigt
- 1 einen Schaltplan eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Vorladen eines Stromrichters,
- 2 einen Schaltplan eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Vorladen eines Stromrichters,
- 3a eine Prinzipdarstellung von Einschaltpulsen der Gleichrichteranordnung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Vorladen eines Stromrichters,
- 3b eine Prinzipdarstellung eines Referenzsignals, auf dessen Basis die Einschaltpulse der 3a erzeugt wurde und
- 3c eine Prinzipdarstellung einer Sägezahnfunktion, auf deren Basis die Einschaltpulse der 3a erzeugt wurde.
-
Die jeweils in der 1 und in der 2 dargestellte erfindungsgemäße Vorrichtung zum Vorladen eines Stromrichters 1 umfasst eine schaltbare Gleichspannungsquelle 2 zum Bereitstellen einer Speisegleichspannung 3 von hier 1500 V an einem Speisepol 4 der Gleichspannungsquelle 2. Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird nachstehend anhand des ersten Ausführungsbeispiels der 1 erläutert, wobei auf das zweite Ausführungsbeispiel der 2 Bezug genommen wird soweit sich dieses von dem ersten Ausführungsbeispiel der 1 unterscheidet.
-
Das Schalten der Gleichspannungsquelle 2 erfolgt durch einen Schalter 5 der Gleichspannungsquelle 2, welcher im eingeschalteten Zustand einen Stromabnehmeranschluss 6 der Gleichspannungsquelle 2 mit dem Speisepol 4 elektrisch verbindet. Bei dem Stromrichter 1 handelt es sich um einen Stromrichter 1 für die Hilfsspannungsversorgung in einem - hier nicht dargestellten - Schienenfahrzeug. An dem Wechselspannungsausgang des Stromrichters 1 ist ein - hier ebenfalls nicht dargestellter - Transformator zur galvanischen Trennung angeordnet.
-
Zwischen diesem Speisepol 4 und einem Ausgabepol 7 der Vorrichtung ist ein schaltbares Entkoppelbauelement 8 angeordnet, bei dem es sich vorliegend um einen Thyristor handelt. In jedem Fall sperrt das Entkoppelbauelement 8 einen Rückstrom 9a von dem Ausgabepol 7 zu dem Speisepol 4. Im eingeschalteten Zustand lässt das Entkoppelbauelement 8 den Ladestrom 9b - welcher also zumindest teilweise zum Laden des Wechselrichters 1 dient - von dem Speisepol 4 zu dem Ausgabepol 7 durch und stellt so eine Ladespannung 9 - also eine Spannung zum Laden des Stromrichters 1 - an dem Ausgabepol 7 bereit. Beim Vorladen des Stromrichters 1 ist das Entkoppelbauelement 8 jedoch noch ausgeschaltet. Dementsprechend umfasst die Vorrichtung eine Vorladeschaltung 10 zum Vorladen des Stromrichters 1. Diese dient dazu, das Potenzial am Ausgabepol 7 so weit anzuheben, dass beim Einschalten des Entkoppelbauelements 8 kein gefährlich großer Strom mehr fließt.
-
Die Vorladeschaltung 10 weist eine gepulst schaltbare Gleichrichteranordnung 11 zum Durchlassen eines Vorladestroms 9c von dem Speisepol 4 zu dem Ausgabepol 7 auf. Speziell weist die Gleichrichteranordnung 11 eine Schaltanordnung 12 auf, welche zum Vorladen des Stromrichters 1 - und insbesondere eines Filterkondensators 24 - gepulst eingeschaltet werden kann. Die Schaltanordnung 12 bildet also das schaltbare Element der Gleichrichteranordnung 11. Im Ausführungsbeispiel der 1 ist die Schaltanordnung 12 als einen IGBT 12a und eine antiparallel geschaltete Freilaufdiode 14a umfassend dargestellt. Die Schaltanordnung 12 wird gepulst eingeschaltet, bis der oben beschriebene Vorladevorgang durch Erreichen eines ausreichenden Potenzials am Ausgabepol 7 abgeschlossen ist. Anschließend wird das Entkoppelbauelement 8 eingeschaltet. Eine Entkoppeldiode 13 der Gleichrichteranordnung 11 sperrt einen Vorladerückstrom 9d in Entladerichtung durch die Gleichrichteranordnung 11, lässt aber einen Vorladestrom 9c durch.
-
Gegenüber dem obigen IGBT 12a des Ausführungsbeispiels der 1 weist die Gleichrichteranordnung 11 der 2 zwei in Reihe MOSFET 12b, c als Bestandteil der Schaltanordnung 12 auf. Die Gleichrichteranordnung 11 weist ferner für jeden MOSFET 12b, c eine antiparallel geschaltete Diode auf, welche hier jeweils als Freilaufdiode 14a, b oder auch als Body-Diode bezeichnet werden kann und ebenfalls von der Schaltanordnung 12 umfasst sind.
-
Es sind Halbleitermodule 15 bekannt, welche neben einem Thyristor - wie hier dem Entkoppelbauelement 8 - auch eine Entkoppeldiode 13 in einem eigenen Gehäuse umfassen. Ein solches Halbleitermodul 15 kann wie in dem Ausführungsbeispiel der 2 dargestellt dazu verwendet werden, auf kompakte Art und Weise das Entkoppelbauelement 8 und die Entkoppeldiode 13 bereitzustellen.
-
Parallel zu der Schaltanordnung 12 der Gleichrichteranordnung 11 ist eine von der Vorladeschaltung 10 umfasste Snubberschaltung 16 zur Dämpfung von Spannungsspitzen geschaltet. Die Snubberschaltung 16 des Ausführungsbeispiels der 1 umfasst einen Snubberkondensator 17a zum Stabilisieren der Spannung zwischen Ausgabepol 7 und Speisepol 4 sowie ein Verbraucherelement 18a zum Abführen von elektrischer Energie, welches Verbraucherelement 18a hier durch einen elektrischen Widerstand - auch als Snubberwiderstand bezeichnet - gebildet ist. Der Snubberkondensator 17a und das Verbraucherelement 18a sind zwischen dem Speisepol 4 und dem Ausgabepol 7 in Reihe geschaltet.
-
Ferner umfasst die Snubberschaltung 16 im Ausführungsbeispiel der 1 ein parallel zu dem Verbraucherelement 18a geschaltetes Snubbergleichrichtelement 19a - hier eine als Snubberdiode bezeichnete Diode - zum Durchlassen von Strom von dem Speisepol 4 zu dem Snubberkondensator 17a. Auf diese Weise kann sich der Snubberkondensator 17a im Augenblick des Schaltens der Schaltanordnung 12 schnell aufladen. Erst die Entladung erfolgt langsam über das Verbraucherelement 18a und führt die entsprechende Energie ab. Ebenso bildet das Snubbergleichrichtelement 19a mit dem Verbraucherelement 18a einen Freilauf für den Strom im ausgeschalteten Zustand der Schaltanordnung 12. Ferner ist ein von der Snubberschaltung 16 umfasster Entladewiderstand 20a parallel zu dem Snubberkondensator 17a geschaltet.
-
Die Snubberschaltung 16 des Ausführungsbeispiels der 2 hingegen umfasst im Prinzip eine Reihenschaltung zweier Snubberschaltungen 16 des Ausführungsbeispiels der 1 und damit im Ergebnis insgesamt jeweils zwei Snubberkondensatoren 17a, b, zwei Verbraucherelemente 18a, b, zwei Snubbergleichrichtelemente 19a, b, und zwei Entladewiderstände 20a, b. Daher entspricht die doppelte Ausführung der Snubberschaltung 16 dieses Ausführungsbeispiels dem Umstand, dass die Gleichrichteranordnung 11 des Ausführungsbeispiels der 2 auch doppelt so viele Leistungshalbleiter wie das Ausführungsbeispiel der 1 aufweist. Bei dem Ausführungsbeispiel der 2 ist darüber hinaus festzustellen, dass der Verbindungsknoten dieser Reihenschaltung in der 2 - also der ausgabepolseitige Pol des Snubberkondensators 17a, entsprechend dem speisepolseitigen Pol des Snubbergleichrichtelements 19b sowie des Verbraucherelements 18b - elektrisch mit dem Knoten zwischen den beiden MOSFETs 12b, c verbunden ist.
-
Als Bestandteil eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Stromrichteranordnung, welche neben dem Stromrichter 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Vorladen des Stromrichters 1 - welche Vorrichtung auch als Ladeanordnung für den Stromrichter 1 bezeichnet werden kann - umfasst, ist gemäß den Darstellungen der 1 und der 2 ein Induktor 22 vorgesehen, welcher zwischen dem Ausgabepol 7 und einem Eingangspol 21 des Wechselrichters 1 geschaltet ist. Ebenso von dieser Stromrichteranordnung umfasst ist ein zwischen dem Eingangspol 21 und einem Massepol 23 des Stromrichters 1 geschalteter Filterkondensator 24 sowie ein zu diesem Filterkondensator 24 parallel geschalteter Eingangsentladewiderstand 25.
-
Während des Vorladens wird die Gleichrichteranordnung 11 und insbesondere deren Schaltanordnung 12 gepulst eingeschaltet. In der 3a sind sechs entsprechende Einschaltpulse 26a-f von jeweils zunehmender Dauer in einer Prinzipdarstellung abgebildet. Regelmäßig wird in der Praxis das Vorladen eine sehr viel größere Zahl von Einschaltpulsen 26a-f umfassen, wobei dann entsprechend die Dauer aufeinanderfolgender Einschaltpulse 26a-f in deutlich kleineren Schritten zunimmt.
-
Speziell werden der jeweilige Startzeitpunkt und die jeweilige Dauer der Einschaltpulse 26a-f der 3a der Schaltanordnung 12 während des Vorladens dadurch bestimmt, dass die Sägezahnfunktion der 3c, bei welcher es sich um eine periodische Funktion 27 handelt, mit dem Referenzsignal 28 der 3b, bei welchem es sich um eine Rampenfunktion handelt, verglichen wird. Die Schaltanordnung 12 ist eingeschaltet, wenn die Sägezahnfunktion kleiner oder gleich der Rampenfunktion ist und ausgeschaltet, wenn die Sägezahnfunktion die Rampenfunktion übersteigt. Auf diese Weise steigt die gepulste Einschaltdauer der Schaltanordnung 12 streng monoton an. Dabei liegt in diesem Beispiel der Maximalwert der Rampenfunktion im Wesentlichen bei der Hälfte des Maximalwerts der Sägezahnfunktion, sodass die Einschaltdauer der Schaltanordnung 12 im Wesentlichen unter einer halben Taktperiode 29 der periodischen Funktion 27 - also unter einer halben Taktperiode 29 der Sägezahnfunktion - verbleibt. Diese Taktperiode 29 entspricht dann auch der Taktperiode 29 der Einschaltpulse 26a-f.
-
Grundsätzlich wird die Gesamtdauer des Referenzsignals 28 so gewählt, dass das Vorladen des Stromrichters 1 einerseits für den jeweiligen Anwendungsfall rasch genug erfolgt. Andererseits soll das Vorladen nicht so rasch erfolgen, dass eine der beteiligten Komponenten durch zu hohen Strom oder eine zu hohe Spannung beschädigt wird. Diesen Überlegungen entsprechend wird auch die Taktperiode 29 der periodischen Funktion 27 gewählt.
