DE10323218A1 - High voltage converter for rail traction, is formed from input current converter based on series-connected power semiconductor switches, intermediate circuit and high-voltage inverter - Google Patents

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Abstract

The converter is formed from a high voltage input current converter (1) based on a number of series-connected power semiconductor switches; a high-voltage intermediate circuit (2); and a high-voltage inverter (3) based on a number of series-connected power semiconductor switches. An independent claim is included for a method of driving a high voltage converter.

Description

Die Erfindung betrifft einen Hochspannungsumrichter, dessen Ausgang auf einen Mittelfrequenztransformator geschaltet ist, dem mindestens ein Umrichter, bestehend aus Eingangsstromrichter, Gleichspannungs-Zwischenkreis und Pulswechselrichter, nachgeordnet ist, sowie ein Verfahren zu seiner Ansteuerung. Der Hochspannungsumrichter ist insbesondere ein Umrichter zur Stromversorgung von Schienenfahrzeugen, die ohne den bisher üblichen Traktionstransformator auskommen sollen. Er kann jedoch auch zur Stromversorgung von stationären Einrichtungen aus einem Hochspannungsnetz verwendet werden.The The invention relates to a high-voltage converter, the output of which is connected to a medium frequency transformer, the at least a converter consisting of an input converter and a DC link and pulse inverter, is subordinate, and a method to its control. The high voltage converter is special a converter for the power supply of rail vehicles without the usual so far Traction transformer should get by. However, it can also be used for Power supply from stationary Equipment from a high-voltage network can be used.

Bei heute üblichen Traktionsantrieben auf Bahnfahrzeugen werden Asynchronmaschinen von einem Pulswechselrichter mit Spannungszwischenkreis versorgt. Der Pulswechselrichter erzeugt ein geregeltes Drehstromsystem variabler Spannung und Frequenz. Er ist bei Betrieb unter Netzwechselspannung über einen Gleichspannungs-Zwischenkreis an mindestens einen Eingangsstromrichter gekoppelt, der vorzugsweise als Vier-Quadranten-Steller ausgeführt ist. Der Gleichspannungs-Zwischenkreis besteht mindestens aus einem Zwischenkreiskondensator und gegebenenfalls einem Saugkreis. Der Eingang des Vier-Quadranten-Stellers ist mit einer Traktionswicklung (Sekundärwicklung) des Traktionstransformators verbunden. Üblicherweise werden mehrere Vier-Quadranten-Steller parallel auf einen Zwischenkreis geschaltet.at usual today Traction drives on rail vehicles become asynchronous machines powered by a pulse-controlled inverter with a DC link. The pulse-controlled inverter generates a regulated three-phase system with more variability Voltage and frequency. It is operated with AC mains voltage over a DC link to at least one input converter coupled, which is preferably designed as a four-quadrant actuator. The DC voltage intermediate circuit consists of at least one intermediate circuit capacitor and possibly a suction circuit. The input of the four-quadrant actuator is with a traction winding (secondary winding) of the traction transformer connected. Usually several four-quadrant actuators are connected in parallel to an intermediate circuit connected.

Der Vier-Quadranten-Steller muss für einen netzfreundlichen Betrieb, das heißt für einen hohen Leistungsfaktor und geringen Oberschwingungsgehalt, mit hoher Taktfrequenz betrieben werden. Dies führt jedoch zu hohen Schaltverlusten in den Halbleiterventilen des Vier-Quadranten-Stellers und somit zu einem verringerten Wirkungsgrad.The Four quadrant actuator must be used for network-friendly operation, that is, for a high power factor and low harmonic content, operated at high clock frequency become. this leads to however, too high switching losses in the semiconductor valves of the four-quadrant actuator and thus to a reduced efficiency.

In der Traktionstechnik bestehen auch Bestrebungen, den konventionellen Traktionstransformator durch Stromrichtertechnik in Verbindung mit einem Mittelfrequenztransformator abzulösen. Da die Netzfrequenz in Bahnnetzen klein ist, in vielen Ländern kleiner als die Frequenz im öffentlichen Netz, sind die Baugröße und das Gewicht der Traktionstransformatoren sehr hoch.In Traction technology also strives to conventional Traction transformer through converter technology in connection with to replace a medium frequency transformer. Since the mains frequency in Railway networks are small, in many countries smaller than the frequency in public Net, are the size and that The weight of the traction transformers is very high.

Es sind andere Lösungen bekannt, mit denen leistungselektronische Umrichter direkt an die Fahrdrahtspannung angeschlossen werden. Diese Umrichter müssen auf die weltweit vorhandenen Fahrdrahtspannungen eingerichtet sein, die zwecks Minimierung der Übertragungsverluste sehr hoch gewählt sind. Das erfordert die Reihenschaltung von Halbleiterbauelementen oder von Teilstromrichtern.It are other solutions known with which power electronic converters directly to the contact wire voltage be connected. These inverters have to be connected to the worldwide contact wire voltages be set up very high to minimize transmission losses chosen are. This requires the series connection of semiconductor components or from partial converters.

Beispielsweise ist es bekannt, mehrere in Reihe geschaltete Vier-Quadranten-Steller mit nachgeschalteten potentialtrennenden Gleichspannungswandlern zu betreiben.For example it is known to have several four-quadrant actuators connected in series with downstream potential-isolating DC-DC converters to operate.

Es wurde auch bereits ein modular aufgebauter Hochspannungsumrichter in Vollbrückenschaltung vorgeschlagen, dessen Brückenzweige aus der Serienschaltung einer beliebigen Anzahl von Zweipolen (Submodule) bestehen, wobei die Zweipole bei verschiedenen steuerbaren Schaltzuständen eine unterschiedliche Klemmenspannung aufweisen. Der Brückenausgang ist mit einem Mittelfrequenztransformator verbunden, dessen Frequenz deutlich höher ist als die Netzfrequenz. Sekundärseitig schließt sich vorzugsweise ein Gleichrichter an, der zweckmäßig als Vier-Quadranten-Steller ausgeführt ist. Die Submodule haben einen internen Energiespeicher (Kondensator) und sind so aufgebaut, dass ihre Klemmenspannung unabhängig von der Stromrichtung einen positiven oder negativen Wert oder den Wert Null annehmen kann. Mit den Submodulen werden treppenförmige Spannungen sowohl auf der Netzseite als auch auf der Mittelfrequenzseite realisiert.It was already a modular high-voltage converter in full bridge circuit proposed whose bridge branches out the series connection of any number of two-poles (submodules) exist, the two-pole at different controllable switching states one have different terminal voltages. The bridge exit is connected to a medium frequency transformer, the frequency significantly higher is than the grid frequency. Closes on the secondary side preferably a rectifier, which is useful as a four-quadrant actuator is executed. The submodules have an internal energy storage (capacitor) and are designed so that their terminal voltage is independent of the current direction a positive or negative value or the value Can assume zero. With the submodules, stepped voltages become realized both on the network side and on the medium frequency side.

Der Aufbau erlaubt eine streng modulare Realisierung des Stromrichters. Der Stromrichter kann auf einfache Weise so ausgelegt werden, dass er mit verschiedenen Netzfrequenzen und -spannungen betrieben werden kann, so dass eine Mehrsystemnutzung ermöglicht wird.The Construction allows a strictly modular implementation of the converter. The converter can easily be designed so that it can be operated with different mains frequencies and voltages can, so that a multi-system use is made possible.

Aus Marquardt et al., Modulares Stromrichterkonzept für Netzkupplungsanwendungen bei hohen Spannungen, ETG Fachbericht April 2002, VDE Verlag GmbH Berlin/Offenbach ist auch eine dreiphasige Netzkupplung bekannt, bei der Halbbrückenzweige aus ähnlichen Submodulen gebildet sind. Die Submodule besitzen wiederum einen internen Energiespeicher (Kondensator) und können verschiedene Schaltzustände annehmen, mit der durch den Kondensator bestimmten Klemmenspannung oder einen Kurzschluss (Spannung Null). Ein Zwischenkreiskondensator kann bei dieser Netzkupplung entfallen.Out Marquardt et al., Modular converter concept for grid coupling applications at high voltages, ETG technical report April 2002, VDE Verlag GmbH Berlin / Offenbach is also known a three-phase network coupling, at the half-bridge branches from similar Submodules are formed. The submodules in turn have one internal energy storage (capacitor) and can assume different switching states, with the terminal voltage determined by the capacitor or a Short circuit (zero voltage). An intermediate circuit capacitor can this network coupling is eliminated.

Nachteilig bei den vorbeschriebenen Hochspannungsumrichtern sind der hohe Aufwand für den Aufbau und die Ansteuerung einer großen Anzahl von Submodulen sowie der Aufwand für die Hochspannungsisolation.adversely With the above-described high-voltage converters, the effort is high for building and driving a big one Number of sub-modules and the effort for high-voltage insulation.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Hochspannungsumrichter und ein Verfahren zu seiner Ansteuerung anzugeben, mit denen mit vermindertem Aufwand ein netzfreundlicher Betrieb ermöglicht wird.The invention has for its object to provide a high voltage converter and a method for its control, with which ver network-friendly operation is made possible with less effort.

Die Aufgabe wird mit den in den Ansprüchen 1 und 2 genannten Merkmalen gelöst.The Object is with the features mentioned in claims 1 and 2 solved.

Danach ist der Hochspannungsumrichter aus einem Hochspannungs-Eingangsstromrichter auf der Basis einer Anzahl in Reihe geschalteter Leistungshalbleiterschalter, einem Hochspannungs-Zwischenkreis und einem Hochspannungs-Wechselrichter auf der Basis einer Anzahl in Reihe geschalteter Leistungshalbleiterschalter aufgebaut.After that is the high voltage converter made up of a high voltage input converter the basis of a number of power semiconductor switches connected in series, a high-voltage intermediate circuit and a high-voltage inverter based on a number of power semiconductor switches connected in series built up.

Nach dem erfindungsgemäßen Ansteuerverfahren werden der Hochspannungs-Eingangsstromrichter, der Hochspannungs-Wechselrichter und der Eingangsstromrichter so gesteuert, dass die Spannung am Hochspannungs-Zwischenkreis dem aktuellen Betrag der Netzspannung folgt.To the control method according to the invention become the high-voltage input converter, the high-voltage inverter and the input converter controlled so that the voltage at High-voltage intermediate circuit the current amount of the mains voltage follows.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Hochspannungs-Eingangsstromrichter immer dann geschaltet wird, wenn der Eingangsstrom näherungsweise seinen Nulldurchgang hat und die Spannung des Hochspannungs-Zwischenkreises klein ist.In A preferred embodiment of the invention provides that the High voltage input converter is always switched when the input current approximately has its zero crossing and the voltage of the high-voltage intermediate circuit is small.

Das Ansteuerverfahren ermöglicht einen netzfreundlichen Betrieb des Einqangsstromrichters bei geringer Taktfrequenz, vorzugsweise bei Grundfrequenz. Dadurch ist es möglich, die Schaltverluste zu verringern und auf Durchlasseigenschaften optimierte Halbleiterventile einzusetzen.The Activation procedure enabled a network-friendly operation of the single-converter with less Clock frequency, preferably at the base frequency. This makes it possible to Reduce switching losses and optimized transmission characteristics Use semiconductor valves.

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:The In the following, the invention will be explained using an exemplary embodiment with reference to the associated drawings explained in more detail. It demonstrate:

1 einen Hochspannungsumrichter und 1 a high voltage converter and

2 das Ansteuerverfahren anhand der Zeitverläufe der Netzgrößen und der Zwischenkreisspannung. 2 the control process based on the time profiles of the network variables and the DC link voltage.

1 zeigt einen für das Verfahren geeigneten Hochspannungsumrichter für eine Elektrolokomotive. 1 shows a high-voltage converter suitable for the method for an electric locomotive.

Die Eingangsspannung UN wird mit einem Hochspannungs-Eingangsstromrichter 1, der über einen Hochspannungs-Zwischenkreis 2 mit einem Hochspannungs-Wechselrichter 3 verbunden ist, gleichgerichtet. Der Hochspannungs-Wechselrichter 3 erzeugt aus der Spannung UZK des Hochspannungs-Zwischenkreises 2 eine Wechselspannung höherer Frequenz, zum Beispiel 400 Hz, und speist diese auf die Primärseite eines Mittelfrequenz transformators 4, der sie auf geringere Spannungswerte herunter transformiert. Diese transformierte Spannung wird durch einen Gleichrichter 5, der über einen Zwischenkreis 6 mit einem Pulswechselrichter 7 verbunden ist, gleichgerichtet. Der Pulswechselrichter 7 erzeugt aus der Spannung des Zwischenkreises 6 ein Drehstromsystem variabler Spannung und Frequenz, mit dem Traktionsmotoren 8 gespeist werden. Im hier gezeigten Ausführungsbeispiel weist der Zwischenkreis 6 neben einem Stützkondensator auch einen auf die doppelte Netzfrequenz abgestimmten Saugkreis auf.The input voltage U N is with a high voltage input converter 1 which is via a high voltage intermediate circuit 2 with a high voltage inverter 3 connected, rectified. The high voltage inverter 3 generated from the voltage U ZK of the high-voltage intermediate circuit 2 an AC voltage of higher frequency, for example 400 Hz, and feeds this to the primary side of a medium frequency transformer 4 which transforms them down to lower voltage values. This transformed voltage is through a rectifier 5 that has an intermediate circuit 6 with a pulse inverter 7 connected, rectified. The pulse inverter 7 generated from the voltage of the DC link 6 a three-phase system of variable voltage and frequency, with the traction motors 8th be fed. In the exemplary embodiment shown here, the intermediate circuit has 6 in addition to a backup capacitor, a suction circuit tuned to twice the mains frequency.

Hochspannungs-Eingangsstromrichter 1 und Hochspannungs-Wechselrichter 3 sind aus Stromrichterphasen aufgebaut, die aus einer Reihenschaltung von abschaltbaren Halbleiterventilen bestehen. Es sind allerdings auch andere Varianten möglich, bei denen die Stromrichterphasen des Hochspannungs-Eingangsstromrichters 1 nichtabschaltbare Ventile, zum Beispiel lichtgezündete Thyristoren, aufweisen können. Für diesen Fall würde man zwischen Hochspannungs-Eingangsstromrichter 1 und Hochspannungs-Zwischenkreis 2 vorzugsweise eine Kommutierungsinduktivität vorsehen.High-voltage input converter 1 and high voltage inverters 3 are made up of converter phases, which consist of a series connection of switchable semiconductor valves. However, other variants are also possible in which the converter phases of the high-voltage input converter 1 valves that cannot be switched off, for example light-ignited thyristors. In this case, one would switch between high voltage input converters 1 and high-voltage intermediate circuit 2 preferably provide a commutation inductance.

Die prinzipielle Funktionsweise des Hochspannungsumrichters soll anhand des Leistungsflusses für die Betriebsart Fahren, das heißt Energiefluss vom Netz mit der Netzspannung UN, zum Beispiel 15 kV bei 16 2/3 Hz, zu einem Traktionsmotor 8 erläutert werden. Die prinzipiellen Zeitverläufe von Netzspannung UN, Netzstrom IN und Spannung UZK des Hochspannungs-Zwischenkreises 2 ohne Berücksichtigung des Pulsbetriebes zeigt 2.The principle of operation of the high-voltage converter should be based on the power flow for driving mode, i.e. energy flow from the grid with the grid voltage U N , for example 15 kV at 16 2/3 Hz, to a traction motor 8th are explained. The basic time profiles of the line voltage U N , line current I N and voltage U ZK of the high-voltage intermediate circuit 2 without considering the pulse operation 2 ,

Die Ansteuerung von Hochspannungs-Eingangsstromrichter 1, Hochspannungs-Wechselrichter 3 und Gleichrichter 5 erfolgt so, dass die Spannung UZK am Hochspannungs-Zwischenkreis 2 näherungsweise dem Betrag der Netzspannung UN entspricht. Dadurch ist es möglich, den Hochspannungs-Eingangsstromrichter 1 mit kleiner Taktfrequenz, vorzugsweise mit Grundfrequenz taktung, zu betreiben. Somit können die Schaltverluste im Hochspannungs-Eingangsstromrichter 1 in erheblichem Umfang gesenkt werden. Weiterhin wird der Hochspannungs-Eingangsstromrichter 1 vorzugsweise dann geschaltet, wenn der Eingangsstrom IN näherungsweise seinen Nulldurchgang hat und die Spannung UZK des Hochspannungs-Zwischenkreises 2 klein ist.The control of high-voltage input converters 1 , High voltage inverter 3 and rectifier 5 takes place so that the voltage U ZK at the high-voltage intermediate circuit 2 approximately corresponds to the amount of the mains voltage U N. This makes it possible to use the high voltage input converter 1 to operate with a low clock frequency, preferably clocking with fundamental frequency. Thus, the switching losses in the high-voltage input converter 1 be significantly reduced. Furthermore, the high voltage input converter 1 preferably switched when the input current I N approximately has its zero crossing and the voltage U ZK of the high-voltage intermediate circuit 2 is small.

Die Betriebsfrequenz des Mittelfrequenztransformators 4 ist aus Gewichtsgründen deutlich höher als die Frequenz der Netzspannung UN. Hochspannungs-Wechselrichter 3 und Gleichrichter 5 werden jeweils mit einer Taktfrequenz betrieben, die gleich oder größer ist als die Betriebsfrequenz des Mittelfrequenztransformators 4.The operating frequency of the medium frequency transformer 4 is significantly higher than the frequency of the mains voltage U N for reasons of weight. High-voltage inverter 3 and rectifier 5 are each operated at a clock frequency that is equal to or greater than the operating frequency of the medium frequency transformer 4 ,

Claims (4)

Hochspannungsumrichter, dessen Ausgang auf einen Mittelfrequenztransformator (4) geschaltet ist, dem mindestens ein Umrichter, bestehend aus Eingangsstromrichter (5), Gleichspannungs-Zwischenkreis (6) und Pulswechselrichter (7), nachgeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass er aus einem Hochspannungs-Eingangsstromrichter (1) auf der Basis einer Anzahl in Reihe geschalteter Leistungshalbleiterschalter, einem Hochspannungs-Zwischenkreis (2) und einem Hochspannungs-Wechselrichter (3) auf der Basis einer Anzahl in Reihe geschalteter Leistungshalbleiterschalter aufgebaut ist.High-voltage converter, the output of which on a medium-frequency transformer ( 4 ) which is connected to at least one converter consisting of an input converter ( 5 ), DC link ( 6 ) and pulse inverter ( 7 ), is subordinate, characterized in that it consists of a high-voltage input converter ( 1 ) based on a number of series-connected power semiconductor switches, a high-voltage intermediate circuit ( 2 ) and a high-voltage inverter ( 3 ) is constructed on the basis of a number of power semiconductor switches connected in series. Verfahren zur Ansteuerung eines Hochspannungsumrichters, dessen Ausgang auf einen Mittelfrequenztransformator (4) geschaltet ist, dem mindestens ein Umrichter, bestehend aus Eingangsstromrichter (5), Gleichspannungs-Zwischenkreis (6) und Pulswechselrichter (7), nachgeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass er aus einem Hochspannungs-Eingangsstromrichter (1) auf der Basis einer Anzahl in Reihe geschalteter Leistungshalbleiterschalter, einem Hochspannungs-Zwischenkreis (2) und einem Hochspannungs-Wechselrichter (3) auf der Basis einer Anzahl in Reihe geschalteter Leistungshalbleiterschalter aufgebaut und so angesteuert wird, dass die Spannung (UZK) am Hochspannungs-Zwischenkreis (2) dem Betrag der aktuellen Netzspannung (UN) folgt.Method for controlling a high-voltage converter, the output of which is connected to a medium-frequency transformer ( 4 ) which is connected to at least one converter consisting of an input converter ( 5 ), DC link ( 6 ) and pulse inverter ( 7 ), is subordinate, characterized in that it consists of a high-voltage input converter ( 1 ) based on a number of series-connected power semiconductor switches, a high-voltage intermediate circuit ( 2 ) and a high-voltage inverter ( 3 ) based on a number of power semiconductor switches connected in series and controlled in such a way that the voltage (U ZK ) at the high-voltage intermediate circuit ( 2 ) follows the amount of the current mains voltage (U N ). Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnnet, dass der Hochspannungsumrichter derart angesteuert wird, dass die Spannung (UZK) am Hochspannungs-Zwischenkreis (2) näherungsweise gleich dem Betrag der Netzspannung (UN) ist.Method according to claim 2, characterized in that the high-voltage converter is controlled in such a way that the voltage (U ZK ) at the high-voltage intermediate circuit ( 2 ) is approximately equal to the amount of the mains voltage (U N ). Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochspannungs-Eingangsstromrichter (1) immer dann geschaltet wird, wenn der Eingangsstrom (IN) nähe rungsweise seinen Nulldurchgang hat und die Spannung (UZK) des Hochspannungs-Zwischenkreises (2) klein ist.A method according to claim 2 or 3, characterized in that the high-voltage input converter ( 1 ) is always switched when the input current (I N ) approximately has its zero crossing and the voltage (U ZK ) of the high-voltage intermediate circuit ( 2 ) is small.
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