DE10250446A1 - Eingangsschutzschaltung für Bordnetzumformer in elektrisch angetriebenen Nahverkehrsfahrzeugen - Google Patents

Abstract

Eine Eingangsschutzschaltung für Bordnetzumformer in elektrisch angetriebenen Nahverkehrsfahrzeugen, bei welcher dem Bordnetzumformer (3) ein Filter (L1-C1) vorgeschaltet ist. In der Zuleitung (6) zum Filterkondensator (C1) und Bordnetzumformer (3) ist ein erstes IGBT-Modul (T1) angeordnet, dem ein Filterladewiderstand (R1) parallel geschaltet ist. Nach Aufladung des Filterkondensators (C1) wird von einer Steuerschaltung (4) dem ersten IGBT-Modul (T1) ein Einschaltsignal zugeführt. An der Zuleitung (6) ist ein Stromfühler (2) angeordnet, welcher der Steuerschaltung (4) ein Stromsignal zuführt. Bei Überschreitung eines vorgegebenen Maximalwertes des Stromes wird von der Steuerschaltung (4) dem ersten IGBT-Modul (T1) ein Ausschaltsignal zugeführt und gleichzeitig einem zweiten IGBT-Modul (T2), das zusammen mit einem ihm in Serie geschalteten Begrenzungswiderstand (R2) dem ersten IGBT-Modul (T1) parallel geschaltet ist, ein Einschaltsignal zugeführt. Beim Wiedererreichen des vorgegebenen Normalwertes des Stromes wird zurück auf das erste IGBT-Modul (T1) kommutiert.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Eingangsschutzschaltung für Bordnetzumformer in elektrisch angetriebenen Nahverkehrsfahrzeugen mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
• Derartige Eingangsschutzschaltungen sind an sich bekannt und enthalten im allgemeinen vor ihrem Eingang einen üblichen Sicherungsautomaten. Beim Anlegen der Netzspannung an den Eingang wird zunächst über den Filterladewiderstand der Filterkondensator aufgeladen, und wenn dieser seine Nennspannung erreicht hat, wird von einer Steuerschaltung aus das ansteuerbare elektronische Schaltelement, beispielsweise ein Thyristor, durchgeschaltet.
• Bei diesen bekannten Schaltungen treten Probleme von zweierlei An auf:
  Auftretende Überspannungen führen zum Überschwingen der Filterspannung über einen vorgegebenen Maximalwert von beispielsweise 1.500 V, was zum aktiven Auslösen des Automaten führt;
  Spannungssprünge, wie sie beispielsweise nach Trennerfahrten auftreten, führen zu großen Ausgleichsströmen von bis zu einigen hundert Ampere, welche eine magnetische Auslösung des Automaten verursachen können.
• Es ist im Stand der Technik bekannt, Filterüberspannungen aktiv und große Ströme passiv zu begrenzen. Dies kann beispielsweise in der nachfolgenden Weise geschehen:
  Mit Hilfe von durchzündenden Elementen (Brems-Chopper, Varistor, o.ä.), welche die netzseitig zugeführten Energien in Wärme umsetzen;
  mit Hilfe von Begrenzerschaltungen, die lediglich ein größeres Überschwingen der Filterspannung über die Netzspannung verhindern;
  mit Hilfe von baugroßen Luftdrosseln, die nicht in Sättigung gehen und Ausgleichsströme kleiner halten;
  mit Hilfe von baugroßen Filterkapazitäten, die im Zusammenspiel mit der Filterdrossel als Tiefpass wirken.
• Die Nachteile dieser Möglichkeiten bestehen vor allem in den großen thermischen Verlusten, ihrer unzureichenden Wirkung und der zum Teil großen Bauvolumen.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Eingangsschutzschaltung mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Merkmalen so auszugestalten, dass die o.g. Nachteile vermieden werden und zudem die Überspannungsanforderungen der einschlägigen Vorschriften für elektrisch angetriebene Bahnfahrzeuge erfüllt werden.
• Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen aus dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
• Ein wichtiger Grundgedanke der Erfindung besteht darin, dass, obwohl die Schaltung einen Überspannungsschutz realisiert, keine Spannungen gemessen werden sondern lediglich der Strom, der durch transiente Überspannungen erzeugt wird, und der Schutz gegen Überspannungen nicht durch Umwandlung von Energie in Wärme sondern durch Netztrennung erreicht wird.
• Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Schaltung besteht darin, dass zusätzlich durch die gleiche Schaltung die Filterladung bewirkt wird und in einfacher Weise ein Entlade- bzw. Verpolungsschutz realisiert werden kann. So vereinigt die erfindungsgemäße Schaltung mit wenigen Komponenten in einer Einheit und mit relativ kleinem Bauvolumen mehrere Funktionen. Im folgenden wird anhand der beigefügten Zeichnung ein Ausführungsbeispiel für eine Eingangsschutzschaltung nach der Erfindung näher erläutert.
• Die Zeichnung zeigt in einem Prinzipschaltbild eine Eingangsschutzschaltung ES, der von einem Stromabnehmer 1 über eine Sicherung F1 und eine Filterspule L1 eine Nenn-Eingangsgleichspannung von 600 oder 750 V zugeführt wird. Dabei ist die Eingangsschutzschaltung ES als "Zweipol" in die Zuleitung 6 eingeschaltet, an die der Bordnetzumformer 3 mit vorgeschaltetem Filterkondensator C1 angeschlossen ist. In der Zuleitung 6 ist als erstes ansteuerbares eletronisches Schaltelement ein IGBT-Modul T1 angeordnet, dem ein Filterladewiderstand R1 parallel geschaltet ist. Weiterhin ist als zweites ansteuerbares elektronisches Schaltelement ein IGBT-Modul T2 zusammen mit einem zu ihm in Serie geschalteten Begrenzungswiderstand R2 dem IGBT-Modul T1 parallel geschaltet. An der Zuleitung 6 ist weiterhin ein Stromfühler 2 angeordnet, welcher einer Steuerschaltung 4 ein die Stärke des über die Zuleitung 6 fließenden Stromes charakterisierendes Stromsignal zuführt. Die Stromversorgung der Steuerschaltung 4 erfolgt vom Bordnetzumformer 3 aus. An die Steuerschaltung 4 sind über eine IGBT-Treiberstufe 5 jeweils die Gates und Emitter der beiden IGBT-Module T1 und T2 angeschlossen. Die in die IGBT-Module T1 und T2 integrierten Dioden D1 und D2 dienen dem Entlade- und Verpolungsschutz.
• Die Funktion der oben beschriebenen Schaltung ist folgende. Beim erstmaligen Anlegen der Netzspannung an die Eingangsschutzschaltung ES sind die beiden IGBT-Module T1 und T2 abgeschaltet, und es fließt zunächst über den Filterladewiderstand R1 ein Ladestrom zum Filterkondensator C1. Sobald dieser seine Nennspannung erreicht hat, wird vom Bordnetzumformer 3 aus der Steuerschaltung 4 ein Signal über die erfolgte Filterladung zugeführt. Daraufhin wird von der Steuerschaltung 4 aus dem IGBT-Modul T1 ein Einschaltsignal zugeführt und damit das IGBT-Modul T1 zum Betrieb des Bordnetzumformers 3 eingeschaltet. Der auf der Zuleitung 6 fließende Strom I wird vom Stromfühler 2 erfasst, und dieser führt der Steuerschaltung ein die Stärke des über die Zuleitung 6 fließenden Stromes charakterisierendes Stromsignal zu. Kommt es, ob durch transiente Überspannung oder durch Ausgleichsvorgänge, beispielsweise nach einer Trennerfahrt, zu einem Strom I auf der Zuleitung 6, dessen Stärke einen in der Steuerschaltung 4 vorgegebenen Maximalwert übersteigt, also beispielsweise größer als 150 A ist, so wird von der Steuerschaltung 4 dem IGBT-Modul T 1 ein Ausschaltsignal zugeführt, und gleichzeitig wird dem IGBT-Modul T2 ein Einschaltsignal zugeführt. Dadurch wird das IGBT-Modul T1 aus- und das IGBT-Modul T2 eingeschaltet. Der Strom fließt nun über den Begrenzungswiderstand R2 und wird durch diesen begrenzt, was ein Überschwingen der Filterspannung auf unzulässige Werte verhindert. Hat der Strom I wieder die im Betrieb übliche Größe angenommen, so wird von der Steuerschaltung 4 aus dem IGBT-Modul T1 wieder ein Einschaltsignal und dem IGBT-Modul T2 ein Ausschaltsignal zugeführt.
• Die beschriebene Eingangsschutzschaltung besitzt zusammenfassend folgende Vorteile:
• a) Es wird ein sicherer Schutz bei transienten Überspannungen erreicht;
• b) Ausgleichsströme werden auf zulässige Größen begrenzt;
• c) es kann auf den Einbau von großen Luftdrosseln verzichtet werden, und statt dessen ist der Einsatz von kleineren Pulverkerndrosseln möglich;
• d) es kann auf überdimensionierte Filterkondensatoren verzichtet werden;
• e) es ist eine Filterladefunktion in die Schaltung integriert;
• f) die Schaltung besitzt einen integrierten Entlade- und Verpolungsschutz.

Claims (4)

1. Eingangsschutzschaltung für Bordnetzumformer in elektrisch angetriebenen Nahverkehrsfahrzeugen, bei welcher dem Bordnetzumformer ein Filter vorgeschaltet ist und in der Zuleitung zum Filterkondensator und Bordnetzumformer ein erstes ansteuerbares elektronisches Schaltelement angeordnet ist, dem ein Filterladewiderstand parallel geschaltet ist und dem von einer Steuerschaltung nach Aufladung des Filterkondensators ein Einschaltsignal zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass an der Zuleitung zum Filterkondensator (C 1) und Bordnetzumformer (3) ein Stromfühler (2) angeordnet ist, welcher der Steuerschaltung (4) ein die Stärke des über die Zuleitung (6) fließenden Stromes charakterisierendes Stromsignal zuführt und die Steuerschaltung (4) bei Überschreitung eines vorgegebenen Maximalwertes des Stromes dem ersten ansteuerbaren elektronischen Schaltelement (T1) ein Ausschaltsignal zuführt und gleichzeitig einem zweiten ansteuerbaren elektronischen Schaltelement (T2), das zusammen mit einem zu ihm in Serie geschalteten Begrenzungswiderstand (R2) dem ersten ansteuerbaren elektronischen Schaltelement (T1) parallel geschaltet ist, ein Einschaltsignal zuführt und beim Wiedererreichen des vorgegebenen Normalwertes des Stromes dem ersten ansteuerbaren elektronischen Schaltelement (T1) wieder ein Einschaltsignal und dem zweiten ansteuerbaren elektronischen Schaltelement (T2) ein Ausschaltsignal zuführt.
2. Eingangsschutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als ansteuerbare elektronische Schaltelemente (T1, T2) IGBT-Module dienen.
3. Eingangsschutzschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jedem ansteuerbaren elektronischen Schaltelement (T1, T2) eine Diode (D1, D2) als Entlade- und Verpolungsschutz vorgeschaltet ist.
4. Eingangsschutzschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerschaltung (4) nach Aufladung des Filterkondensators (C1) vom Bordnetzumformer (3) ein Signal über die erfolgte Filterladung zugeführt wird, durch welches das Einschaltsignal für das erste ansteuerbare elektronische Schaltelement (T1) ausgelöst wird.