DE19638574A1 - Stromversorgungsanordnung für Bahnfahrzeuge mit wenigstens einem gleichspannungsgespeisten, geregelten Stromrichter - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Stromversorgungsanordnung für Bahnfahrzeuge mit we­ nigstens einem gleichspannungsgespeisten, geregelten Stromrichter.

Zur Stromversorgung von Bahnfahrzeugen, insbesondere von S- und U-Bahnen, werden von der Gleichspannung der Fahrleitungen beaufschlagte, geregelte Gleichstromsteller eingesetzt. Die Gleichstromsteller können als Zweiquadrantensteller oder Einquadrantensteller (Chopper) ausgebildet und mit verschiedenen leistungselektronischen Bauelementen (z. B. GTOs, IGBTs) ausgerüstet sein. Den Gleichstromstellern können Wechselrichter nachge­ schaltet sein, deren Ausgangsspannung den Nennspannungen der elektrischen Verbraucher im jeweiligen Bahnfahrzeug entspricht. Zur Vermeidung störender Netzrückwirkungen, d. h. zur Sicherstellung der elektromagnetischen Verträglichkeit, werden zwischen Eingängen und Gleichstromstellern Filter angeordnet, die z. B. aus einer Drossel und einem Kondensator be­ stehen. Die Stromrichter der Bahnfahrzeuge erzeugen Oberwellenströme, die sich dem in das Bahnfahrzeug eingespeisten Netzstrom überlagern. Diese Störströme sind um so geringer, je höher die Impedanz der jeweiligen Drossel ist.

In manchen Bahnstromversorgungsanlagen werden die installierten Energieversorgungsnetze auch zur Übertragung von Informationen genutzt, z. B. für die Zugsicherung. Diese Informa­ tionen werden in Form von der Bahnstromversorgung überlagerten Frequenzen übertragen. Dabei besteht die Gefahr, daß Spannungsschwingungen, die von den Betriebsmitteln der Bahnfahrzeuge ausgehen und sich der Bahnstromversorgung überlagern, die Informati­ onsübertragung stören. Um diese Gefahr zu beseitigen, sind auf den Bahnfahrzeugen sog. Störstromwandler vorgesehen, mit denen die störenden Stromoberschwingungen erfaßt und den dem Störstromwandler nachgeschalteten Wächterschaltungen gemeldet werden. Die Wächterschaltungen dienen dazu, bei Überschreiten einer bestimmten maximalen Stärke der störenden Ströme Schutzmaßnahmen auszulösen. Diese Maßnahmen können z. B. Abschalten des Umrichters sein. Das ist u. U. mit empfindlichen Eingriffen in den Fahrzeugbetrieb ver­ bunden, die unbedingt vermieden werden müssen.

Um nun das Auftreten von zu großen Störströmen zu verhindern, sind die Eingangsfilter von Umrichtern auf Bahnfahrzeugen weit aufwendiger als nur unter Berücksichtigung der lei­ stungselektronischen Erfordernisse zu gestalten. Das hat erhebliche Konsequenzen in Bezug auf Kosten und Gewicht. Bei Umrichtern kann der Mehraufwand pro Anlage u. U. mehrere tausend Mark bedeuten.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Stromversorgungsanordnung für Bahnfahr­ zeuge zu entwickeln, bei der mit geringem Aufwand die Entstehung von Stromoberschwin­ gungen, die von den Betriebsmitteln der Bahnfahrzeuge ausgehen und der Bahnstromversor­ gung überlagert werden, zumindest für den Frequenzbereich, der für Übertragungszwecke vorgesehen ist, zumindest auf ein die Informationsübertragung nicht mehr verfälschendes Maß zu reduzieren.

Das Problem wird bei einer Stromversorgungsanordnung für Bahnfahrzeuge mit wenigstens einem gleichstromgespeisten Stromrichter erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß im Regel­ kreis des Stromrichters vor dem oder den Stellgliedern wenigstens ein Filter mit Bandsper­ rencharakteristik angeordnet ist, dessen Bandsperrenbereich einen Frequenzbereich umfaßt, in dem Oberwellen, die ihre Ursache in den Betriebsmitteln des Bahnfahrzeugs haben, ge­ dämpft bzw. unterdrückt werden sollen. Das Filter hebt innerhalb seiner Sperrcharakteristik die Regelung auf, wodurch die Eingangsimpedanz bzw. die innere Impedanz des Stromrich­ ters für die entsprechenden Frequenzen stark erhöht wird. Dies bedeutet, daß nur stark ge­ dämpfte Oberwellen auftreten, die der Bahnstromversorgung überlagert werden. Die Bands­ perrencharakteristik ist auf die für die Übertragung von Informationen auf den Bahnstromlei­ tungen verwendeten Frequenzen abgestimmt. Der Vorteil der Erfindung ist in der Einsparung von aufwendigen Drosseln an den elektrischen Eingängen der Bahnfahrzeuge zu sehen.

Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform weist der Stromrichter einen Gleichstromsteller mit einem Spannungsregelkreis und mit einem unterlagertem Stromregelkreis auf, wobei der Stromregelkreis eine kürzere Reaktionszeit hat als der Spannungsregelkreis und wobei das Bandsperrenfilter im Stromregelkreis angeordnet ist. Diese Anordnung erweist sich als be­ sonders wirksam zur Unterdrückung von störenden Oberwellen in bestimmten Frequenzbe­ reichen. Zugleich bleibt insgesamt eine gute Regelgüte erhalten.

Insbesondere weist das Filter außerhalb seiner Kennfrequenz keine ins Gewicht fallende Amplituden- und Phasenverschiebung auf. Die Regeleigenschaften des Stromrichters werden somit außerhalb der Bandsperenchakterisik des Filters nicht nennenswert beeinflußt.

Vorzugsweise wird das Filter von den Regelabweichungssignalen von Stromist- und Strom­ sollwert vor der Verstärkung beaufschlagt. Das Filter befindet sich im Steuerungsteil des Stromrichters und verursacht damit - insbesondere bei digitaler Realisierung - vernachlässig­ baren Zusatzaufwand.

Weitere zweckmäßige Stellen im Regelkreis, an denen das Filter oder ein zusätzliches Filter angeordnet sein kann sind zwischen dem sekundären Ausgang des Stromwandlers für die Messung des Stromistwerts und der Summierstelle für die Bildung der Regelabweichung oder hinter dem Stromregler, der u. a. die Regelabweichungssignale verstärkt. Es ist auch möglich, zur aktiven Dämpfung mehrerer Frequenzen mehrere Filter parallel anzuordnen.

Das oder die Filter heben für bestimmte Frequenzen, für die sie ausgelegt sind, die Wirkung der Regelung auf. Die regelungstechnische Auslegung des Stromrichters wird im übrigen nahezu nicht beeinflußt. Das der Erfindung zugrunde liegende Prinzip besteht darin, für einen ausgewählten Frequenzbereich, der für Übertragungszwecke oder auch andere Zwecke mög­ lichst frei von Störströmen gehalten werden soll, die Eingangsimpedanz der Betriebsmittel auf den Bahnfahrzeugen wesentlich zu erhöhen. Hierdurch werden Störströme weitgehend ver­ mieden.

Insbesondere lassen sich z. B. im Bereich von 50 Hz Störströme vermeiden, so daß die Über­ wachungseinrichtungen nicht mehr ansprechen, d. h. es treten weniger Unterbrechungen des regelmäßigen Bahnbetriebs auf. Die Filter können unter Anpassung an den Aufbau der Re­ gelkreise in analoger oder digitaler Technik ausgebildet sein.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand eines in einer Zeichnung dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiels naher beschrieben, aus dem sich weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Prinzipschaltbild einer Bahnstromversorgungsanordnung mit einem Bahnfahrzeug, das herkömmliche Filtermittel zur Unterdrückung von Störströmen hat,

Fig. 2 ein Schaltbild einer erfindungsgemäßen Stromversorgungsanordnung für Bahnfahr­ zeuge mit einem gleichstromgespeisten, geregelten Umrichter,

Fig. 3 Eingangsimpedanzen von Stromrichtern zur Stromversorgung von Bahnfahrzeugen mit verschiedenen Mitteln zur Unterdrückung von Störströmen.

In Fig. 1 ist eine Gleichspannungsquelle für die Versorgung von Bahnfahrzeugen mit G1 be­ zeichnet. Die Gleichspannungsquelle G1 erzeugt die Betriebsgleichspannung für die Antriebe und von anderen Verbrauchern der Bahnfahrzeuge, von denen in Fig. 1 ein Bahnfahrzeug schematisch mit der elektrischen Ausrüstung dargestellt und mit 1 bezeichnet ist. Das Bahn­ fahreug 1 ist an Stromschienen 2 der Bahnstromversorgung angeschlossen, d. h. es ist eine Stromschiene vom einem Pol der Spannungsquelle beaufschlagt, während die Schienen des Gleises als Rückleiter verwendet werden. Zur Verbindung der Stromschiene ist ein symbo­ lisch dargestellter Stromabnehmer 3 vorgesehen. Dem Stromabnehmer ist ein Störstrom­ wandler 4 nachgeschaltet. Die Bezeichnung Störstromwandler beruht darauf, daß ein Strom­ wandler für die Erfassung von dem Gleichstrom überlagerten Störströmen in Form von Oberwellen vorgesehen ist. In Fig. 1 sind die dem Netzstrom in überlagerten Störströme mit I_s bezeichnet. Dem Störstromwandler 4 ist sekundärseitig eine Überwachungsschaltung 5 nachgeschaltet, die bei Überschreiten einer bestimmten vorgebbaren maximalen Stromstärke des Störstroms I_s Schutzmaßnahmen auslöst.

An die Primärseite des Störstromwandlers 4 sind z. B. verschiedene Verbraucher des Bahn­ fahrzeugs 1 angeschlossen, die pauschal mit 6 bezeichnet sind. Ein wesentliches Betriebsmit­ tel des Bahnfahrzeugs 1 ist ein Gleichstromsteller 7, dem z. B. ein Wechselrichter 8 nachge­ schaltet ist, der eine für einen Verbraucher gewünschte Ausgangsspannung erzeugt. Der Gleichstromsteller ist im allgemeinen als geregelter Stromrichter, d. h. als Gleichspannungs- Gleichspannungswandler 7 ausgebildet und erzeugt bei verschiedenen Belastungszuständen verschieden starke eingangsseitige Störströme. Auch der Wechselrichter 8 erzeugt Störströ­ me. Da diese Störströme nicht oder wenigstens nicht in einer bestimmten Stärke in das Ver­ sorgungsnetz übertreten sollen, sind Filtermittel auf dem Bahnfahrzeug 1 vorgesehen. Die Filtermittel bestehen bei der in Fig. 1 dargestellten Anordnung aus einer zwischen Stör­ stromwandler 4 und dem einen Gleichstromstellereingang angeordneten Drossel 9 und einem Kondensator 10, der zwischen Gleichstromstellereingang und der Rückleitung bzw. dem zweiten Gleichstromstellereingang angeordnet ist.

Die Überwachungsschaltung 5 spricht bei Störströmen einer unzulässigen Höhe an und löst Schutzmaßnahmen aus. Diese Schutzmaßnahmen können z. B. das Abschalten des Gleich­ stromstellers 7 einschließen, womit aber empfindliche Eingriffe in den Fahrzeugbetrieb ver­ bunden sind, die vermieden werden sollten. Zur Vermeidung solcher Eingriffe müssen die Filtermittel größer dimensioniert sein, als es für die Nennströme der Betriebsmittel erforder­ lich ist.

Die Erfindung vermeidet solche aufwendigen Filtermittel indem sie durch eine Modifikation im Steuerungsteil des Stromrichters bzw. Umrichters die Netzimpedanzverhältnisse so beein­ flußt, daß Störströme in bestimmten Frequenzbereichen, die für Übertragungsaufgaben auf den Bahnstromversorgungsleitungen benötigt werde, reduziert werden. Ein solcher modifi­ zierter Strom- bzw. Umrichter incl. Steuerungsteil ist beispielhaft in Fig. 2 dargestellt, die ein an die Gleichspannungsquelle G1 angeschlossenes Bahnfahrzeug 11 zeigt. Eingangsseitig weist das Bahnfahrzeug 11 wiederum eine Drossel 12 und einen Kondensator 13 auf, die aber weit geringer dimensioniert sind als die Drossel 9 und der Kondensator 10.

Der Drossel 11 ist ein Halbleiterleistungsschalter 13, z. B. ein GTO, nachgeschaltet, an den ein Stromwandler zur Messung des Ausgangsstroms I_c, des Halbleiterschalters 13 ange­ schlossen ist. Dem Stromwandler 14 ist eine Drossel 15 nachgeschaltet, an deren Ausgang ein Glättungskondensator 16 angeschlossen ist. Die Kondensatoren 12 und 16 sind weiterhin je mit dem zweiten Eingangsanschluß des Bahnfahrzeugs 1 verbunden. Parallel zum Kondensa­ tor 16 ist ein Spannungswandler 17 geschaltet, der die Ausgangsspannung des vorstehend beschriebenen Gleichstromstellers mißt. Die Ausgangsspannung ist an eine Last R₁ gelegt, bei der es sich um einen Wechselrichter handeln kann, der eine Wechselspannung für Verbrau­ cher des Bahnfahrzeugs 1 liefert. Wenn der Gleichstromsteller, der hier ein Tiefsetzsteller ist, einen Wechselrichter speist, dann erzeugt er die Zwischenkreisspannung U_d. Der Sollwert der Zwischenkreisspannung beaufschlagt eine Summierstelle 18, der vom Spannungswandler 17 der Spannungsistwert zugeführt wird. Die an der Summierstelle 18 gebildete Regelabwei­ chung beaufschlagt einen Spannungsregler 19, bei dem es sich insbesondere um einen Regel­ verstärker handelt. Der Regelkreis für die Zwischenkreisspannung ist als Kaskadenregler aus­ gebildet, indem ein Stromregelkreis dem Spannungsregelkreis unterlagert ist. Der Ausgang des Spanungsreglers 19 ist an eine weitere Summierstelle 21 angeschlossen, der vom Strom­ wandler 14 der Stromistwert zugeführt wird. Der unterlagerte Stromregelkreis enthält einen Stromregler 22 und einen Impulsformer-Steuersatz 23, der über eine galvanische Trennstufe 24 mit der Steuerelektrode des Halbleiterschalters 13 verbunden ist.

Die Regelung besteht also aus den kaskadierten Reglern für Spannung (U_D) und Strom (I_D) des Zwischenkreises. Die Zeitkonstanten der Regler sind allgemein so gewählt, daß der Spannungsregler erheblich träger reagiert als der Stromregler.

Vom Regelkreis ist hier nur das Wesentliche dargelegt, in der praktischen Anwendung kön­ nen noch weitere Regelkreise, z. B. zur Batterieregelung, hinzukommen, die jedoch das erfin­ dungsgemäße Prinzip nicht weiter beeinträchtigen.

Der Tiefsetzsteller kann als Zweiquadranten- oder Einquadrantensteller ausgebildet sein.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die Eingangsimpedanz der in Fig. 2 dargestell­ ten Schaltung nicht nur von der Dimensionierung des Netzfilters sondern von einer ganzen Reihe weiterer Parametern abhängt. Zur Erhöhung der Eingangsimpedanz in einem bestimm­ ten Frequenzbereich, der z. B. für die Signalübertragung auf dem Energieversorgungsnetz benötigt wird, wird die Regelschleife, insbesondere die Stromregelschleife in diesem Fre­ quenzbereich aufgebrochen. Das Aufbrechen geschieht durch ein Filter 25 mit Bandsperren­ charakteristik ("Kerbfilter"), das insbesondere in den Signalpfad für die Regelabweichung des Zwischenkreisstromreglers geschaltet wird.

Dies bewirkt, daß für die Kennfrequenz dieses Filters die Funktion des Stromreglers außer Kraft gesetzt ist. Die Auswirkung ist, daß die Eingangsimpedanz des GS-Stellers für diese Frequenz erhöht wird.

Für die ansonsten unbeeinflußte Funktion der Regelung des Umrichters ist günstig, wenn das Filter außerhalb seiner Kennfrequenz weder nennenswerte Amplituden- noch Phasenverschie­ bungen verursacht.

Das Filter kann, prinzipiell an verschiedenen Stellen des Regelkreises angeordnet werden. Eine weitere Variante ist die Anordnung eines solchen Filters 26, welche die Stellgröße be­ einflußt, vor dem Steuersatz 23. Ferner ist es möglich, den Istwert des Zwischenkreisstromes zu filtern, angedeutet durch die Anordnung des Filters 27.

Für die erzielte Wirkung ist es unerheblich, mit welcher Art abschaltbarer Halbleiterventile der Steiler ausgerüstet ist. Einen gewissen Einfluß hat allerdings die zur Pulsung der Halblei­ ter verwendete Pulsfrequenz.

Ferner ist sogar die Topologie des Stellers von sekundärer Natur, d. h. das erfindungsgemäße Regelungsprinzip ist prinzipiell auch für andere Steller anwendbar, sofern das Ziel die Beein­ flussung der Eingangsimpedanz ist.

Die Fig. 3 zeigt typische Frequenzgänge der Eingangsimpedanz für drei Fälle:
Kurve a: Einen gleichspannungsgespeisten, geregelten GS-Steller mit bisher üblichen Parametern für die Spannungs- und Stromregler.

Kurve b: Einen gleichspannungsgespeisten, geregelten GS-Steller mit extrem langsam eingestellten Reglern (die natürlich die dynamischen Anforderungen im Be­ trieb nicht erfüllen würden).

Kurve c: Einen gleichspannungsgespeisten, geregelten GS-Steller mit einem erfin­ dungsgemaßen Filter (Filter (25) . . (27) in Fig. 2), das in diesem Bild beispiel­ haft für die 50 Hz-Störstromreduktion gezeigt ist.

Man erkennt in Fig. 3, daß Kurve b bei der beispielhaft untersuchten Frequenz von 50 Hz eine höhere Eingangsimpedanz aufweist als Kurve a. Erkenntlich ist damit sofort, daß die bisher verwendete Regelung (Kurve a) die Impedanzverhältnisse bei z. B. 50 Hz gegenüber dem Fall (b) mit extrem langsamer Regelung verschlechtert, während die Kurve c im ge­ wünschten Frequenzbereich von 50 Hz die günstigsten Impedenzverhältnisse der Kurve (b) mit der ausreichend schnellen Regelung der Kurve (a) kombiniert.

Claims (7)

1. Stromversorgungsanordnung für ein Bahnfahrzeug mit wenigstens einem gleichspan­ nungsgespeisten, geregelten Stromrichter, dadurch gekennzeichnet, daß im Stromregelkreis des Stromrichters wenigstens ein Filter (25) mit Bandsperren­ charakteristik angeordnet ist, dessen Bandsperrenbereich einen Frequenzbereich umfaßt, in dem Störströme gedämpft bzw. unterdrückt werden sollen.

2. Stromversorgungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromrichter ein Gleichstromsteller ist und einen Spannungsregelkreis mit einem unterlagerten Stromregelkreis aufweist, daß der Stromregelkreis insbesondere eine kür­ zere Reaktionszeit hat als der Spannungsregelkreis und daß das Filter (25) im Stromre­ gelkreis angeordnet ist.

3. Stromversorgungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter (25) außerhalb seiner Kennfrequenz keine ins Gewicht fallende Aniplitu­ den- oder Phasenverschiebung aufweist.

4. Stromversorgungsanordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter (25) von den Regelabweichungssignale beaufschlagt wird.

5. Stromversorgungsanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter (27) zwischen dem sekundären Ausgang des Stromwandlers (14) für die Messung des Stromisterts und der Summierstelle (21) für die Bildung der Stromre­ gelabweichung angeordnet ist.

6. Stromversorgungsanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter (26) hinter dem Stromregler (22), der die Regelabweichungssignale ver­ stärkt, angeordnet ist.

7. Stromversorgungsanordnung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter (25, 26, 27) in analoger oder digitaler Technik ausgebildet ist.