DE19647933A1

DE19647933A1 - Leistungselektronische Schaltungsanordnung

Info

Publication number: DE19647933A1
Application number: DE19647933A
Authority: DE
Inventors: Peter Daehler
Original assignee: Asea Brown Boveri AG Switzerland; Asea Brown Boveri AB
Current assignee: ABB Schweiz AG
Priority date: 1996-11-20
Filing date: 1996-11-20
Publication date: 1998-05-28
Also published as: US5926382A

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Leistungselektronik. Sie geht aus von einer leistungselektronischen Schaltungsanordnung, insbesondere einem statischen Bahnstromumrichter, nach dem Oberbegriff des ersten Anspruchs.

Stand der Technik

Eine solche Schaltungsanordnung ist schon in der Zeitschrift "ABB Technik" Nr. 5/1995 auf den Seiten 4-10 beschrieben. Es handelt sich dabei um eine statische Frequenzumrichteranlage zur Bahnstromversorgung. Sie umfaßt einen ersten Stromrichter, insbesondere einen Thyristor-Stromrichter, der an ein erstes Spannungsversorgungsnetz angeschlossen und mit einem Spannungszwischen kreis verbunden ist. Ein zweiter Stromrichter, insbesondere ein GTO- Stromrichter, ist an den Spannungszwischenkreis angeschlossen und speist ein zweites Spannungsversorgungsnetz (z. B. das Bahnnetz). Der zweite Stromrich ter weist einen 2-Punktwechselrichteraufbau mit einem Plus-, einem Minus- und einem Mittelpunktanschluß auf. Im Spannungszwischenkreis ist ein erstes Filter zur Aufnahme der doppelten Netzfrequenz des zweiten Spannungsversor gungsnetzes vorgesehen ("331/3 Hz Filter" bei einer Bahnfrequenz von 162/3 Hz).

Die Anwendung der ansonsten vorteilhaften Dreipunktschaltung hat uner wünschte gleichphasige, höher frequente Ströme im Zwischenkreis zur Folge und es treten störende gegenphasige und gleichphasige Stromkomponenten im Zwischenkreis auf. Diese unerwünschten Komponenten haben eine Verzerrung des Spannungsverlaufes zur Folge. Diesen Verzerrungen könnte z. B. durch eine Vergrößerung der Kondensatorbank des Spannungszwischenkreises entgegen gewirkt werden. Im Kurzschlußfall wäre dann aber eine derart hohe Energie in der Kondensatorbank gespeichert, die sich in kürzester Zeit über die Bauele mente entladen würde, so daß mit Zerstörungen zu rechnen wäre. Deshalb ist es wünschenswert, im Zwischenkreis keine allzu große Kapazität zu haben.

Darstellung der Erfindung

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, eine leistungselektronische Schaltungsanordnung nach dem Oberbegriff des ersten Anspruchs so weiter zubilden, daß die unerwünschten harmonischen gegen- und gleichphasigen Stromkomponenten möglichst unterdrückt werden, ohne daß die Kondensator bank zu groß gemacht werden muß. Diese Aufgabe wird bei einer leistungse lektronischen Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art durch die Merkmale des ersten Anspruchs gelöst.

Kern der Erfindung ist es also, daß im Spannungszwischenkreis neben dem so genannten 33-Hz Filter (Netzfilter) ein weiteres Filter zur möglichst nieder ohmigen Aufnahme der unerwünschten gegen- und gleichphasigen, im Zwi schenkreis fließenden Stromkomponenten vorgesehen ist. Das zusätzliche Filter kann entweder verteilt, d. h. mit zwei Teilfiltern, je eines für die gleichphasigen Stromkomponenten und eines für die gegenphasigen Stromkomponenten, oder kombiniert mit einem gemeinsamen Filter für beide Stromkomponenten reali siert werden. Das weitere Filter, kombiniert oder verteilt, weist grundsätzlich einen Aufbau mit einer Serienschaltung eines Filterkondensators und einer Fil terinduktivität auf, wobei parallel zur Filterinduktivität ein Filterwiderstand geschaltet ist.

Die kombinierte Variante ist durch die Verwendung einer Saugdrossel mit Mit telanzapfung gekennzeichnet. Für gleichphasige Stromkomponenten im Plus- und im Minuspfad, die sich ja über den Mittelpunktsanschluß schließen müs sen, wirkt die Saugdrossel nur mit ihren Streuinduktivitäten. Demzufolge ist die Filterinduktivität dominierend. Die gesamte Induktivität ist somit geringer als für gegenphasige Ströme, die sich über den Filterpfad schließen und die totale Saugdrosselinduktivität sehen. Die Resonanzfrequenzen des kombinierten Fil ters sind deshalb für gegen- und gleichphasige Stromkomponenten verschieden. Dies trägt automatisch den unterschiedlichen Spektren der gleich- bzw. gegen phasigen Stromkomponenten Rechnung. Durch die Kombination beider Filter kann somit nochmals Kapazität eingespart, was im Hinblick auf die eingangs geschilderte Problematik von großem Vorteil ist und außerdem die Kosten re duziert.

Weitere Ausführungsbeispiele ergeben sich aus den entsprechenden abhängigen Ansprüchen.

Der Vorteil des erfindungsgemäßen Aufbaus besteht insbesondere darin, daß die störenden gegen- und gleichphasigen Stromkomponenten im Zwischenkreis unterdrückt werden können, ohne daß die Kapazität der Kondensatorbank all zu stark vergrößert werden muß. Dadurch wird eine Schaltungsanordnung er reicht, die wirtschaftlich ist und die auch im Fehlerfall sicher beherrscht wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen im Zusam menhang mit den Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 Ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 2 Ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Die in den Zeichnungen verwendeten Bezugszeichen und deren Bedeutung sind in der Bezugszeichenliste zusammengefaßt aufgelistet. Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Mit 4 ist ein erstes Spannungsversorgungsnetz bezeichnet, das mit einem ersten Stromrichter 1 verbunden ist. Beim ersten Stromrichter 1 handelt es sich vorzugsweise um ei nen Thyristor-Stromrichter, der an ein dreiphasiges Spannungsversorgungsnetz 4 angeschlossen ist. Der erste Stromrichter 1 wandelt die dreiphasige Spannung des Netzes 4 in eine einen Spannungszwischenkreis 2 bildende Gleichspannung um. An den Spannungszwischenkreis 2 ist ein zweiter Stromrichter 3, vorzugs weise ein aus mehreren GTO-Umrichtern bestehender Stromrichter, angeschlos sen. Er weist die Struktur eines Dreipunktwechselrichters auf. Deshalb ist im Zwischenkreis außer dem Plus- und dem Minusanschluß 6 bzw. 7 noch ein Mit telpunktanschluß 8 vorgesehen. Der Stromrichter 3 wandelt die Gleichspan nung des Zwischenkreises in eine Wechselspannung eines zweiten Spannungs versorgungsnetzes 5 um. Beim ersten Spannungsversorgungsnetz 1 kann es sich beispielsweise um das Energieversorgungsnetz eines Landes, beim zweiten Spannungsversorgungsnetz 5 um ein einphasiges Bahnnetz handeln.

Im Zwischenkreis 2 ist ein Netzfilter 9, gebildet durch den Kondensator C_F und die Induktivität L_F, vorgesehen. Als Folge der Einphasigkeit des zweiten Netzes 5 tritt nämlich eine Leistungsoszillation mit doppelter Netzfrequenz des zweiten Netzes 5 auf. Da diese Oszillationen vom ersten Netz 4 möglichst fern gehalten werden sollen, muß im Zwischenkreis ein auf die doppelte Netzfrequenz abge stimmtes Filter (C_F, L_F) vorgesehen sein. Die leistungsmäßige Auslegung dieses Filters ergibt sich aus dem tolerierbaren Rippel der Gleichspannung bei maxi maler Frequenzabweichung des zweiten Netzes und ungünstigster Fehlabstim mung des Filters. Solche Netzfilter gehören zum Stand der Technik und werden z. B. auch durch den eingangs erwähnten Artikel offenbart.

Die Anwendung der Dreipunktschaltung für den zweiten Stromrichter 3 hat un erwünschte gleichphasige Ströme im Zwischenkreis 2 zur Folge: Die in dem Plus- bzw. Minusanschluß 6 bzw. 7 fließenden Ströme können als Überlage rung von gleichphasigen (Common-Mode) und gegenphasigen (Differential- Mode) Komponenten aufgefaßt werden. Insbesondere die gleichphasigen Kom ponenten sind unerwünscht, da sie sich nur über den Mittelpunktanschluß 8 des Stromrichters 3 schließen können und die Ladungen der Kondensatoren über den Zwischenkreis-Hälften unsymmetrisch verschieben.

Eine Spektralanalyse der gegen- und gleichphasigen Ströme bei Annahme einer idealen, sinusförmigen Netzspannung des Netzes 5 ergibt, daß die gleichphasi gen Anteile amplitudenmäßig größer sind als die gegenphasigen Anteile und daß sie um eine tiefere Mittenfrequenz zentriert sind als die gegenphasigen. Die gegenphasigen Komponenten weisen eine geringere Amplitude auf als die gleichphasigen und sind um eine Mittenfrequenz zentriert, die etwa der doppel ten Mittenfrequenz der gleichphasigen Komponenten entspricht.

Für die gleichphasigen und gegenphasigen Stromkomponenten der vorgängig beschriebenen Art wird der Stromrichter 3 und sein Steuerverfahren als ur sächlich angesehen. Zusätzliche gegenphasige Komponenten sind durch die In teraktionen zwischen Gleichspannungszwischenkreis 10, Stromrichter 3 und Netz 5 bedingt. Solche Oberschwingungen werden insbesondere durch Verzer rungen der Spannung des Netzes 5 erzeugt. Die einzige erwünschte differentiel le Komponente ist diejenige mit der Ordnungszahl 0, d. h. Gleichstrom. Alle an dern sind für den Betrieb der Schaltungsanordnung störend. Eine Auslegung des Stromrichters 3 als Drei- oder Zweipunktschaltung hat keinen Einfluß auf die gegenphasigen Komponenten, sondern lediglich auf die gleichphasigen.

Zur Unterdrückung der Auswirkungen der unerwünschten, harmonischen gleichphasigen oder gegenphasigen Stromkomponenten im Zwischenkreis wird nach der Erfindung ein spezielles Filter in den Zwischenkreis geschaltet. Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Filters. Es besteht aus zwei Teilfiltern 11.1 und 11.2. Das Teilfilter für die gegenphasigen Strom komponenten umfaßt eine Serienschaltung eines Filterkondensators C_h und ei ner Filterinduktivität L_h, wobei parallel zur Filterinduktivität ein Filterwider stand R_h geschaltet ist. Die Serienschaltung ist zwischen dem Plusanschluß 6 und dem Minusanschluß 7 angeordnet. Das Teilfilter 11.1 ist so abgestimmt, daß es im Fall einer Netzfrequenz von 50 Hz für das erste Netz und einer sol chen von 16.67 Hz für das zweite Netz eine niedrige Impedanz für gegenphasige Stromkomponenten bis ca. 100 Hz erzeugt. Dadurch werden unerwünschte Auswirkungen von Oberschwingungen der Ordnung n=3 und n=5 in der Span nung des Netzes 5 minimiert.

Das zweite Teilfilter 11.2 ist für die gleichphasigen Stromkomponenten vorgese hen und umfaßt zwei Halbfilter 12.1 und 12.2, die einerseits zwischen dem Plu sanschluß 6 und dem Mittelpunktsanschluß 8 und andererseits zwischen dem Minusanschluß 7 und dem Mittelpunktsanschluß 8 angeordnet sind. Beide um fassen eine Serienschaltung eines Kondensators C_k und einer Induktivität L_k, wo bei parallel zur Induktivität ein Widerstand R_k vorgesehen sein kann. Die Filter 12.1 und 12.2 sind so abgestimmt, daß sie im Fall einer Netzfrequenz von 50 Hz für das erste Netz 4 und einer solchen von 16.67 Hz für das zweite Netz 5 eine niedrige Impedanz für gleichphasige Stromkomponenten bis ca. 300 Hz erzeu gen. Dieses Zahlenbeispiel ist sinnvoll für Stromrichter 3, die aus vier parallel geschalteten 3-Punktwechselrichtern aufgebaut sind.

Mit einem solchen zusätzlichen Filter 10 gelingt es, den störenden Einfluß der gleich- und gegenphasigen Komponenten wirksam zu vermindern. Einen noch kompakteren Aufbau erreicht man dadurch, daß die beiden Teilfilter 11.1 und 11.2 kombiniert werden. Dies gelingt mit einer Schaltungsanordnung nach Fig. 2.

Das kombinierte Filter nach Fig. 2 umfaßt eine bezüglich des Mittelpunktan schlusses 8 symmetrische Serienschaltung eines Filterkondensators C_g1, C_g2, ei ner Filterinduktivität L_g1, L_g2 und einer Saugdrossel L_fx. Parallel zu den Induk tivitäten sind jeweils Widerstände R_g1, R_g2 und R_fy1, R_fy2 geschaltet. Die Saug drossel ist mit einem Mittelabgriff ausgerüstet, der in Verbindung mit dem Mit telpunktsanschluß 8 des Zwischenkreises 2 steht. Die Saugdrossel L_fx weist vor zugsweise einen Aufbau mit ferromagnetischem Kern auf. Gleichphasige Strom komponenten, d. h. solche, die sich über den Mittelpunktanschluss 8 schliessen müssen, sehen aufgrund der Eigenschaften der Saugdrossel L_fx lediglich deren Streuinduktivitäten, während gegenphasige, d. h. über das Filter fließende Stromkomponenten die gesamte Induktivität der Saugdrossel sehen. Im Falle von gleichphasigen Strömen, ist die totale Induktivität des Filters somit kleiner als diejenige für gegenphasige Ströme. Somit ergibt sich für gegenphasige Kom ponenten eine tiefere Resonanzfrequenz des Filters als für gleichphasige. Auf diese Weise gelingt es, ein kombiniertes Filter mit unterschiedlicher Wirkung für gegen- und gleichphasige Stromkomponenten in einem einzigen Filter zu vereinen.

Im Falle einer ersten Netzfrequenz von 50 Hz und einer zweiten Netzfrequenz von 16.67 Hz ergibt sich bei Kapazitätswerten für die Kondensatoren C_g1,2 von 7.8 mF eine Induktivität L_fx = 0.987 mH und Widerstände R_fy1,2 2= 0.54 Ω. Für die Induktivität L_g1,2 ergibt sich ein Wert von 20.3 µH und für R_g1,2 ein Wert von 102 mΩ. Dieses Zahlenbeispiel ist sinnvoll für Stromrichter 3, die aus vier parallel geschalteten 3-Punktwechselrichtern aufgebaut sind.

Mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung kann also der unerwünschte Einfluß der gegen- und gleichphasigen, harmonischen Stromkomponenten im Zwischenkreis wirksam vermindert werden, ohne daß die Zwischenkreiskapazi tät allzu stark erhöht werden muß.

Bezugszeichenliste

1

erster Stromrichter

2

Spannungszwischenkreis

3

zweiter Stromrichter

4

erstes Spannungsversorgungsnetz

5

zweites Spannungsversorgungsnetz

6

Plusanschluß

7

Minusanschluß

8

Mittelpunktsanschluß

9

Netzfilter

10

Filter

11.1

Teilfilter

11.1

Teilfilter

12.1

Halbfilter

12.2

Halbfilter
C_F

Kondensator
L_F

Induktivität
C_k

Kondensator
L_g1

, L_g2

Induktivitäten
C_g1

, C_g2

Kondensatoren
L_fx

Saugdrossel
R_k

Widerstand
R_g1

, R_g2

Widerstände
R_fy1

, R_fy2

Widerstände
C_h

Kondensator
L_h

Induktivität
R_h

Widerstand

Claims

1. Leistungselektronische Schaltungsanordnung, insbesondere ein stati scher Bahnstromumrichter, umfassend

(a) mindestens einen ersten Stromrichter (1), insbesondere einen Thyristor-Stromrichter, der an ein erstes Spannungsversorgungs netz (4) angeschlossen ist und mit einem Spannungszwischenkreis (2) verbunden ist;
(b) mindestens einen zweiten Stromrichter (3), insbesondere einen GTO-Umrichter, der an den Spannungszwischenkreis (2) ange schlossen ist und ein zweites Spannungsversorgungsnetz (5) speist, wobei der zweite Stromrichter einen Dreipunktwechselrichterauf bau aufweist und an einem Plus- einen Minus- und einem Mittel punktsanschluß (6, 7, 8) des Zwischenkreises (2) angeschlossen ist;
(c) im Spannungszwischenkreis (2) ein Netzfilter (9) zur Aufnahme der doppelten Netzfrequenz des zweiten Spannungsversorgungs netzes (5);
dadurch gekennzeichnet, daß
(d) im Spannungszwischenkreis (2) ein weiteres Filter (10) vorgesehen ist, welches zur Unterdrückung von Auswirkungen sowohl von gleichphasigen, harmonischen als auch von gegenphasigen, har monischen im Spannungszwischenkreis (2) fließenden Stromkom ponenten ausgelegt ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere Filter (10) ein erstes Teilfilter (11.1) zur Unterdrüc kung der gleichphasigen Stromkomponenten und ein zweites Teilfilter (11.2) zur Unterdrückung der gegenphasigen Stromkomponenten um faßt, wobei das zweite Teilfilter (11.2) eine Serienschaltung einer Fil terkapazität (C_h) und einer Filterinduktivität (L_h), zu der ein Filterwi derstand (R_h) parallel geschaltet ist, umfaßt und zwischen dem Plus- und dem Minusanschluß (6 u. 7) des Spannungszwischenkreises (2) angeordnet ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Teilfilter (11.1) zwei Halbfilter (12.1, 12.2) mit je einer Serienschaltung einer Filterkapazität (C_k) und einer Filterinduktivität (L_k), zu der ein Filterwiderstand (R_k) parallel geschaltet ist, umfassen und daß das erste Halbfilter (12.1) zwischen dem Plus- und dem Mit telpunktsanschluß (6 u. 8) und das zweite Halbfilter (12.2) zwischen dem Minus und dem Mittelpunktsanschluß (7 u. 8) angeordnet ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere Filter (10) eine zwischen dem Plus- und dem Minu sanschluß (6 u. 7) angeschlossene Serienschaltung eines ersten Filter kondensators (C_g1), einer ersten Filterinduktivität (L_g1), einer Saug drossel (L_fx) mit Mittelanzapfung, einer zweiten Filterinduktivität (L_g2) und eines zweiten Filterkondensator (C_g2) umfaßt, wobei die Mit telanzapfung der Saugdrossel (L_fx) mit dem Mittelpunktsanschluß (8) verbunden ist und parallel zu den Filterinduktivitäten (L_g1 bzw. L_g2) ein erster bzw. zweiter Filterwiderstand (R_g1 bzw. R_g2) parallel ge schaltet ist und zwischen Mittelpunktsanschluß und den Anschlüssen der Saugdrossel je ein weiterer Widerstand (R_fy1, R_fy2) geschaltet ist.