DE10323503A1

DE10323503A1 - Stromrichter

Info

Publication number: DE10323503A1
Application number: DE2003123503
Authority: DE
Inventors: Hagen Kramer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2003-05-23
Filing date: 2003-05-23
Publication date: 2004-12-30

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Stromrichter, der als zwei- oder dreiphasige Brückenschaltung aufgebaut ist, mit Brückenzweigen, die aus einer beliebigen Anzahl identischer Zweipole bestehen, die einen internen Energiespeicher aufweisen und bei verschiedenen steuerbaren Schaltzuständen eine unterschiedliche Klemmenspannung (u¶x¶) aufweisen. DOLLAR A Es ist vorgesehen, dass in zwei Brückenzweigen einer Stromrichterphase jeweils ein Kondensator (C¶NA¶, C¶NB¶) und in den zwei Brückenzweigen (1, 2) der restlichen parallelen Stromrichterphasen die identischen Zweipole angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Stromrichter, der als zwei- oder dreiphasige Brückenschaltung aufgebaut ist, mit Brückenzweigen, die aus einer beliebigen Anzahl identischer Zweipole bestehen, die jeweils einen internen Energiespeicher aufweisen und bei verschiedenen steuerbaren Schaltzuständen eine unterschiedliche Klemmenspannung aufweisen. Der Stromrichter ist zusammen mit einem Mittelfrequenztransformator insbesondere geeignet zur Stromversorgung von Schienenfahrzeugen und soll den bisher üblichen, mit Netzfrequenz betriebenen Traktionstransformator ersetzen. Er kann jedoch ebenfalls zusammen mit einem Mittelfrequenztransformator auch zur Stromversorgung von stationären Einrichtungen verwendet werden.
In der Traktionstechnik bestehen Bestrebungen, den konventionellen Traktionstransformator durch Stromrichtertechnik 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. Die Primärwicklung des Traktionstransformators ist im Betrieb mit der Netzspannung verbunden. An den Sekundärwicklungen sind Traktionsstromrichter, die vorzugsweise mit einem oder mehreren Vierquadrantenstellern als Eingangsstromrichter ausgeführt sind, sowie Hilfsbetriebeumrichter für Klimatechnik, Beleuchtung und andere Verbraucher angeschlossen.
Es sind andere Lösungen bekannt, mit denen leistungselektronische Umformer 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.
Es wurde 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 vorzugsweise mit einem Mittelfrequenztransformator verbunden, dessen Frequenz deutlich höher ist als die Netzfrequenz. 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.
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.
Nachteilig bei dem vorbeschriebenen Hochspannungsumrichter in Vollbrückenschaltung sind der hohe Aufwand für die Ansteuerung der großen Anzahl von Submodulen sowie der Aufwand für die Hochspannungsisolation.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Aufwand für einen Stromrichter der eingangs beschriebenen Art zu minimieren.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1.

Danach sind in den zwei Brückenzweigen einer Stromrichterphase jeweils ein Kondensator und in den zwei Brückenzweigen der restlichen (ein oder zwei) parallelen Stromrichterphasen die identischen Zweipole angeordnet. Eine dreiphasige Brückenschaltung sähe dann beispielsweise so aus, dass in den Brückenzweigen zweier Stromrichterphasen die identischen Zweipole in einer jeweils bestimmten Anzahl und in den beiden Brückenzweigen der dritten Stromrichterphase jeweils ein Kondensator angeordnet sind und am Verbindungspunkt zwischen den Brückenzweigen die dreiphasige Spannung abgegriffen wird.

Dadurch, dass zwei Stromrichterzweige durch Kondensatoren substituiert werden, kann die Anzahl der Submodule und somit der Aufwand für Ansteuerung, Energieversorgung und Hochspannungsisolation deutlich verringert werden. Da die Stromrichterzweige nach Art einer Hochspannungskaskade aufgebaut werden müssen, wird bei einer verringerten Anzahl von Submodulen auch eine geringere Anzahl von Stützisolatoren benötigt. Die Kondensatoren benötigen nur jeweils zwei Isolatoren an den Anschlüssen.

Der Aufbau eines Zweiges mit Submodulen erfolgt in der bisher bekannten Weise, dass heißt mit Zweipolen, die einen internen Energiespeicher aufweisen und die bei verschiedenen Schaltzuständen unabhängig von der Stromrichtung eine unterschiedliche Klemmenspannung annehmen können.

Bei einer Beschaltung mit einem Mittelfrequenztransformator wird die Transformatorsekundärspannung beispielsweise durch einen Vierquadrantensteller, der an einem Gleichspannungszwischenkreis angeschlossen ist, gleichgerichtet. Schaltungsvarianten mit mehreren Sekundärwicklungen und mehreren Vierquadrantenstellern sind ebenfalls möglich. Gleiches gilt für die Anzahl der Gleichspannungszwischenkreise.

Die mit doppelter Netzgrundfrequenz pulsierende Leistung des Einphasennetzes wird in den Kondensatoren der Submodule vorzugsweise so zwischengespeichert, dass der Mittelfrequenztransformator – über eine Periode der Transformatorgrund schwingung gemittelt – mit einer konstanten Leistung betrieben werden kann.

Die Ansteuerung der beiden Stromrichterzweige erfolgt so, dass über die Klemmenspannung eines Submoduls stufenweise die Kondensatorspannung zu- oder abgeschaltet wird. Die Anzahl der Spannungsstufen hängt von der Anzahl der Submodule ab. Die netzseitige Spannung und die Mittelfrequenzspannung lassen sich bezüglich Frequenz, Phasenlage und Amplitude unabhängig voneinander vorgeben.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.

Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 den erfindungsgemäßen Stromrichter in einem Blockschaltbild;
2 die Aufteilung eines Zweiges des Stromrichters in einzelne Submodule;
3 im Gegensatz dazu einen Stromrichter in Vollbrückenschaltung;
4 eine mögliche Realisierung für ein einzelnes Submodul;
5 ein Grundschwingungs-Ersatzschaltbild für die erfindungsgemäße Schaltung und
6 das Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Stromrichters mit zusätzlichen Induktivitäten.
1 zeigt den erfindungsgemäßen Stromrichter. Am Eingang des Stromrichters liegt die Netzspannung u_N an. In Form einer Brückenschaltung sind zwei Stromrichterzweige 1, 2 und zwei Kondensatoren C_NA, C_NB angeordnet. An der Brückendiagonale befindet sich ein Mittelfrequenztransformator T mit der Primärspannung u_T und der Sekundärspannung u_T'. Wie 2 zeigt, bestehen die Stromrichterzweige 1, 2 jeweils aus mehreren Submodulen mit der Klemmenspannung u_x1...u_xn.
Die bisher vorgeschlagene Anordnung des Stromrichters hat dagegen die in 3 gezeigte Form, das heißt, in Art einer Vollbrückenschaltung sind vier Stromrichterzweige 11, 12, 21, 22 vorhanden, wobei die Zweige ebenfalls wie in der in 2 gezeigten Weise in Submodule unterteilt sind.
Eine mögliche Realisierung eines Submoduls ist in 4 dargestellt. Das Submodul hat die Form einer Vollbrückenschaltung eines Spannungsumrichters, nur dass diese hier als einzelner Zweipol genutzt wird. Die Brückenschaltung besteht aus vier Leistungshalbleiterschaltern IGBT1...IGBT4 mit antiparallel geschalteten Dioden D1...D4. An die gleichstromseitigen Anschlüsse der Brückenschaltung ist ein Kondensator C geschaltet, der auf die Spannung U_d aufgeladen ist. Mit dem Schalten der Leistungshalbleiterschalter IGBT1...IGBT4 entstehen Schaltzustände, mit denen die Klemmenspannung u_x, unabhängig von der Richtung des Stromes i_Z positiv, negativ oder auch Null (Kurzschluss) wird.
Unter der Annahme, dass die Kondensatoren C aller Submodule einen gleichen Ausgangszustand mit der Kondensatorspannung U_d = U₀ haben und eine Anzahl n von Submodulen je Stromrichterzweig 1, 2 vorhanden ist, kann die Spannung u₁, u₂ eines Stromrichterzweiges 1, 2 den Wertebereich –n U₀...+n U₀ annehmen und lässt sich somit in diskreten "Treppenstufen" der Spannung U₀ stellen.
Die Stromrichterzweige 1, 2 können als eingeprägte Spannungsquellen angesehen werden, wobei die Submodule so angesteuert werden, dass sich folgende Grundschwingungsspannungen für die Stromrichterzweige 1, 2 ergeben (5 zeigt das Grundschwingungs-Ersatzschaltbild). u1 = uN/2 – uT u2 = uN/2 + uT uA = uN/2 uB = uN/2(Der Spannungsabfall über einer Netzdrossel L_N ist hierbei vernachlässigt).
Dabei sind u_N die Grundschwingung der Netzspannung und u_T die Grundschwingung der Transformatorprimärspannung. Die Kondensatoren C_NA und C_NB sind mit Rücksicht auf die Transformatorgrundfrequenz so zu bemessen, dass ihre Spannungsänderung durch den Transformatorprimärstrom i_T, der durch beide Kondensatoren CNA, CNB fließt, ausreichend klein bleibt.
Bei dieser Ansteuerung werden sich die Grundschwingungen der Ströme wie folgt einstellen: i1 = iN – i0 + iT/2 i2 = iN – i0 – iT/2 iA = i0 – iT/2 iB = i0 + iT/2.
Dabei ist i_N die Grundschwingung des Netzstromes, i_T die Grundschwingung des Transformatorprimärstromes und i₀ entspricht dem Blindstrom, der sich in der Serienschaltung beider Kondensatoren C_NA, C_NB bei Anlegen der Netzspannungsgrundschwingung einstellen würde. Weiterhin erfolgt die Ansteuerung vorteilhaft derart, dass die Grundschwingungen von Netzspannung u_N und Netzstrom i_N die gleichen Phasenlage aufweisen.
Wie 6 zeigt, fließt, wenn die Summe der Spannungen des Stromrichterzweiges 1 (u₁(t)) und des Stromrichterzweiges 2 (u₂(t)) abweicht von der Summe der Spannungen (u_A(t)), (u_B(t)) an den Kondensatoren C_NA, C_NB, ein Ausgleichsstrom in einer Masche M. Dabei sind u₁(t), u₂(t), u_A(t) und u_B(t) die Augenblickswerte der Spannungen u₁, u₂, u_A und u_B. Reichen die parasitären Induktivitäten in der Masche M nicht aus, um den Ausgleichsstrom zu begrenzen, so ist in der Masche M mindestens eine Zusatzinduktivität anzuordnen. Das vorliegende Beispiel zeigt die Anordnung von jeweils einer Zusatzinduktivität L_K1 in den Stromrichterzweigen 1 und 2 und jeweils einer Zusatzinduktivität L_K2 in den Zweigen mit den Kondensatoren C_NA, C_NB.

Claims

Stromrichter, der als zwei- oder dreiphasige Brückenschaltung aufgebaut ist, mit Brückenzweigen, die aus einer beliebigen Anzahl identischer Zweipole bestehen, die jeweils einen internen Energiespeicher aufweisen und bei verschiedenen steuerbaren Schaltzuständen eine unterschiedliche Klemmenspannung (u_X) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass in zwei Brückenzweigen einer Stromrichterphase jeweils ein Kondensator (C_NA, C_NS) und in den zwei Brückenzweigen (1, 2) der restlichen parallelen Stromrichterphasen die identischen Zweipole angeordnet sind.
Stromrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zweipole jeweils aus einer Brückenschaltung mit vier elektronischen Schaltern (IGBT1...IGBT4, D1...D4) bestehen, die mindestens in einer Stromrichtung schaltbar sind, und die Brückenschaltung gleichspannungsseitig mit einem Kondensator (C) beschaltet ist.
Stromrichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er ausgangsseitig mit einem Mittelfrequenztransformator (T) beschaltet ist.
Stromrichter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens in einem der Brückenzweige (1, 2, C_NA, C_NB) eine zusätzliche Induktivität (L_K1, L_K2) angeordnet ist.