DE19827872A1

DE19827872A1 - Antriebsschaltung für ein Schienenfahrzeug

Info

Publication number: DE19827872A1
Application number: DE19827872A
Authority: DE
Inventors: Michael Steiner; Harry Reinold
Original assignee: ABB Daimler Benz Transportation Schweiz AG; ABB Daimler Benz Transportation Technology GmbH
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1998-06-23
Filing date: 1998-06-23
Publication date: 1999-12-30
Anticipated expiration: 2018-06-24
Also published as: FR2780215A1; FR2780215B1; DE19827872B4

Abstract

Es wird eine Antriebsschaltung für ein Schienenfahrzeug mit mehreren, zwischen einem Fahrdraht/Stromabnehmer-System (1) und einem Rad/Schiene-System (2) über mindestens eine Drossel (4) in Reihe geschalteten ersten Teilstromrichtersystemen (6.1...6.n) vorgeschlagen, wobei jedes erste Teilstromrichtersystem aus mindestens einem primärseitigen Vierquadrantensteller (7), einem primärseitigen Gleichspannungszwischenkreis (8), mindestens einem primärseitigen Wechselrichter (10), mindestens einem Transformator (12) und mindestens einem sekundärseitigen Vierquadrantensteller (14) besteht. Sekundärseitig bilden parallelgeschaltete zweite Teilstromrichtersysteme (17.1...17.m) einen gemeinsamen sekundärseitigen Gleichspannungszwischenkreis (15). Der sekundärseitige Gleichspannungszwischenkreis (15) ist mit einer Anlaufschaltung (23) verbunden, um das Aufstarten der Antriebsschaltung zu bewirken. Die Speisung der netzseitigen Leittechnik inklusive der Ansteuereinrichtungen für die Halbleiterschalter erfolgt über die jeweiligen primärseitigen Gleichspannungszwischenkreise (8) oder aus den Wechselspannungen der jeweiligen primärseitigen Wechselrichter (10) oder aus den primärseitigen Wechselspannungen der jeweiligen Transformatoren.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Antriebsschaltung für ein Schienenfahrzeug ge mäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine derartige Antriebsschaltung für ein Schienenfahrzeug wird in der Patentanmel dung DE 196 30 284 A1 vorgeschlagen. Die Besonderheit der Antriebsschaltung liegt darin, daß die relativ hohe Wechselspannung zwischen Fahrdraht/Strom abnehmer-System und Rad/Schiene-System entsprechend der Anzahl der ersten Teilstromrichtersysteme aufgeteilt wird, so daß jeder Vierquadrantensteller bzw. Wechselrichter der ersten Teilstromrichtersysteme mit Halbleiterschaltern üblicher Sperrspannungsfestigkeit betreibbar ist. Die Anzahl der zweiten Teilstromrichtersy steme richtet sich nach der erforderlichen Anzahl von Antriebsmotoren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Antriebsschaltung für ein Schienen fahrzeug der eingangs genannten Art anzugeben, bei der ein sicheres Aufstarten gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffes erfindungs gemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß ein re lativ rasches Aufstarten der Schaltung unter Einsatz einer kostengünstigen Anlauf schaltung erzielt wird. Der Einsatz von teuren, für Hochspannung auszulegenden Baukomponenten der Leittechnik, inklusive der Ansteuereinrichtungen für die Halb leiterschalter der eingesetzten Stromrichter, wird konsequent vermieden. Ausgleichs vorgänge werden verhindert oder auf ein mit einfachen Mitteln zu bewältigendes Maß reduziert. Die Energieversorgung der Anlaufschaltung kann aus einer Batterie oder aus dem Netz erfolgen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausfüh rungsbeispiele erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau der Antriebsschaltung,

Fig. 2 eine Ausführungsform des ersten Stromrichtersystems,

Fig. 3 eine alternative Ausführungsform des ersten Stromrichtersystems (Halbbrückenschaltung),

Fig. 4 eine erste Ausführungsform einer Anlaufschaltung,

Fig. 5 eine zweite Ausführungsform einer Anlaufschaltung,

Fig. 6 eine dritte Ausführungsform einer Anlaufschaltung,

Fig. 7 eine vierte Ausführungsform einer Anlaufschaltung.

In Fig. 1 ist der prinzipielle Aufbau der Antriebsschaltung dargestellt, wie er zum gro ßen Teil aus der DE 196 30 284 A1 bekannt ist. Zwischen einem Fahrdraht/Strom abnehmer-System 1 und einem Rad/Schiene-System 2 liegen n netzseitig (primär seitig) in Reihe geschaltete und sekundärseitig parallelgeschaltete erste Teilstrom richtersysteme 6.1 . . . 6.n, die nach Fig. 2 oder Fig. 3 ausgebildet sind. Der Anschluß des Teilstromrichtersystems 6.1 an das Fahrdraht/Stromabnehmer-System 1 erfolgt über zwei in Reihe angeordnete Haupteingangsdrosseln 4 eines Hochspannungs netzfilters und einen Hauptschalter 3. Der Verbindungspunkt beider Haupteingangs drosseln 4 ist während des Normalbetriebes über einen Haupteingangskondensator 5 des Hochspannungsnetzfilters auf Masse gelegt.

Jedes Teilstromrichtersystem 6.1 . . . 6.n (n = 2, 3, 4, 5) nach Fig. 2 oder Fig. 3 besteht aus einem primärseitigen, mit einer Taktfrequenz bis vorzugsweise etwa 500 Hz be triebenen Vierquadrantensteller (Gleichrichter) 7, einem primärseitigen Gleichstrom zwischenkreis 8 mit mindestens einem primärseitigem Zwischenkreiskondensator 9, einem primärseitigen, mit einer Taktfrequenz von vorzugsweise 8 bis 20 kHz betrie benen Wechselrichter 10, einem Transformator 12, einem sekundärseitigem, mit einer Taktfrequenz von 8 bis 20 kHz betriebenen Vierquadrantensteller (Gleichrichter) 14 und mindestens einem sekundärseitigen Zwischenkreiskondensa tor 16. Die parallelgeschalteten Zwischenkreiskondensatoren 16 bilden eine Teilka pazität des gemeinsamen sekundärseitigen Gleichspannungszwischenkreises 15. In Reihe zur Primär- bzw. Sekundärwicklung des Transformators 12 liegt jeweils ein Wechselspannungskondensator 11 bzw. 13.

Die weitere Teilkapazität des gemeinsamen sekundärseitigen Gleichspannungszwi schenkreises 15 wird von Zwischenkreiskondensatoren 18 von m (m = 2, 3, 4) zweiten Teilstromrichtersystemen 17.1 . . . 17.m gebildet. Zwischen den primärseitigen Gleich spannungszwischenkreisen 8 und dem sekundärseitigem Gleichspannungszwi schenkreis 15 besteht eine harte Kopplung. Jedes zweite Teilstromrichtersystem 17.1 . . . 17.m weist einen mit einer Taktfrequenz bis vorzugsweise etwa 500 Hz betrie benen Wechselrichter (Maschinenstromrichter) 21 auf, an den ein Antriebsmotor 22.1 . . . 22.m angeschlossen ist. Jedes zweite Teilstromrichtersystem kann einen Saugkreis 19 und einen Bremswiderstand mit Halbleiterschalter 20 aufweisen.

Die Versorgung der netzseitigen Leittechnik, inklusive Ansteuereinrichtungen für die Halbleiterschalter der Vierquadrantensteller 7 und Wechselrichter 10 erfolgt aus den jeweiligen primärseitigen Gleichspannungszwischenkreisen 8 oder aus den Wech selspannungen der jeweiligen Wechselrichter 10 oder aus den primärseitigen Wech selspannungen der jeweiligen Transformatoren 12. Hierdurch lassen sich vorteilhaft Hochspannungsnetzteile vermeiden. Das Spannungspotential des sekundärseitigen Gleichspannungszwischenkreises 15 ist in der Nähe des Massepotentiales, weswe gen vorteilhaft Standardnetzteile (für übliche Spannungsfestigkeit) ausreichen, um die Leittechnik inklusive der Ansteuereinrichtungen für die Halbleiterschalter der Vierquadrantensteller 14 und Wechselrichter 21 zu versorgen.

Eine Anlaufschaltung 23 dient für den Anlauf der Schaltung und realisiert in einem ersten Schritt das Aufladen des sekundärseitigen Gleichspannungszwischenkreises 15, d. h. die Anschlüsse der Anlaufschaltung 23 sind mit den Polen des sekundär seitigen Gleichspannungszwischenkreises 15 verbunden.

In Fig. 4 ist eine erste Ausführungsform einer Anlaufschaltung 23 dargestellt. Die über einen Anlaufschalter 24 miteinander verbindbaren Eingänge der Anlaufschal tung 23 sind über einen Aufladewiderstand 25 und einen Schalter 37 mit den Wech selspannungsanschlüssen einer Diodenbrücke 26 verbunden, deren Gleichspan nungsanschlüsse zum sekundärseitigen Gleichspannungszwischenkreis 15 führen. Der Schalter 37 dient zur Trennung des sekundärseitigen Gleichspannungszwi schenkreises 15 vom Netz während des Normalbetriebes.

Während der eine Eingang der Anlaufschaltung 23 am Rad/Schiene-System 2 ange schlossen ist, führt der weitere Eingang der Anlaufschaltung 23 über den Hauptein gangskondensator 5 zum gemeinsamen Verbindungspunkt beider Haupteingangs drosseln 4. Die Verbindung zwischen den Haupteingangsdrosseln 4 und dem ersten Teilstromrichtersystem 6.1 ist zum Aufstarten mittels eines Traktionsschalters 29 unterbrechbar.

Der über den Haupteingangskondensator 5 fließende Filterstrom ist mit iF, die zwi schen Fahrdraht/Stromabnehmer-System 1 und Rad/Schiene-System 2 anstehende Netzspannung ist mit uN und die Spannung am Anlaufschalter 24 ist mit uS bezeich net.

In Fig. 5 ist eine zweite Ausführungsform einer Anlaufschaltung dargestellt. Bei die ser Anlaufschaltung 23 entfällt im Vergleich zur Ausführungsform gemäß Fig. 4 der Schalter 37. Der Aufladewiderstand 25 ist vielmehr über einen der Potentialtrennung des sekundärseitigen Gleichspannungszwischenkreises 15 vom Netz dienenden, mit Netzfrequenz betreibbaren Transformator 30 mit der Diodenbrücke 26 verbun den. Damit ergibt sich eine im Vergleich zur Ausführungsform gemäß Fig. 4 verbes serte Potentialtrennung, was aus Schutzgründen vorteilhaft ist. Der sekundärseitige Gleichspannungszwischenkreis 15 kann aus Schutzgründen geerdet werden, ohne daß dabei die Funktion der Diodenbrücke 26 gestört wird. Die Spannung am Trans formator 30 mit uT bezeichnet.

Beide Ausführungsformen gemäß den Fig. 4 und 5 bieten den zusätzlichen Vorteil, daß das Hochspannungsnetzfilter, insbesondere der Haupteingangskondensator 5, während des Aufstartens vorgeladen wird, was Ausgleichsvorgänge verhindert oder zumindest reduziert.

In Fig. 6 ist eine dritte Ausführungsform einer Anlaufschaltung dargestellt. Bei dieser Anlaufschaltung 23 ist eine Batterie 31 über einen Steller 32 - vorzugsweise ein bidi rektionales Batterieladegerät - mit dem sekundärseitigen Gleichspannungszwischen kreis 15 verbunden. Auf diese Weise ist sichergestellt, daß die Batterie 31 während des Normalbetriebes über den Steller 32 stets aufgeladen wird und somit für den Aufstartvorgang ihre volle Kapazität aufweist.

In Fig. 7 ist eine vierte Ausführungsform einer Anlaufschaltung dargestellt. Bei dieser Anlaufschaltung 23 ist ein Netztransformator 34 primärseitig über einen Anlaufschal ter 33 mit dem Fahrdraht/Stromabnehmer-System 1 und dem Rad/Schiene-System 2 sowie sekundärseitig über einen Gleichrichter 35 (Diodenbrücke) und einen Aufla dewiderstand 36 mit dem sekundärseitigen Gleichspannungszwischenkreis 15 ver bunden. Der Netztransformator 34 bietet den Vorteil, daß eine Potentialtrennung zwischen sekundärseitigem Gleichspannungszwischenkreis 15 und dem Netz reali siert wird.

Das Aufstartkonzept sieht für alle vorstehend behandelten Ausführungsformen vor, daß die Anlaufschaltung 23 in den sekundärseitigen Gleichspannungszwischenkreis 15 einspeist, wobei der Hauptschalter 3 bei den Ausführungsformen gemäß Fig. 6, 7 geöffnet ist. Der Anlaufschalter 24 und der Traktionsschalter 29 bei den Ausfüh rungsformen gemäß Fig. 4, 5 sind geöffnet. Der Schalter 37 bei der Ausführungs form gemäß Fig. 4 sowie der Anlaufschalter 33 bei der Ausführungsform gemäß Fig. 7 sind geschlossen.

Bei den Ausführungsformen gemäß Fig. 4 und 5 ist der Hauptschalter 3 geschlos sen, der Filterstrom iF fließt über das Hochspannungsnetzfilter, den Aufladewider stand 25 und die Diodenbrücke 26 in den sekundärseitigen Gleichspannungszwi schenkreis 15, wodurch alle Parallelgeschalteten Zwischenkreiskondensatoren 16, 18 gleichmäßig aufgeladen werden.

Allen Ausführungsformen ist es gemeinsam, daß die Ladeschaltungen in die sekun dären Zwischenkreise einspeisen. Die Halbleiterschalter der sekundärseitigen Vier quadrantensteller 14 takten. Die Aufladung der primärseitigen Gleichspannungszwi schenkreise 8 erfolgt über die Transformatoren 12 und die Dioden der primärseitigen Wechselrichter 10. Erreicht die Spannung der primärseitigen Gleichspannungszwi schenkreise 8 eine vorgegebene Spannungsschwelle, können die zur Versor gung/Ansteuerung der Halbleiterschalter der primärseitigen Vierquadrantensteller 7 und primärseitigen Wechselrichter 10 dienenden Ansteuereinrichtungen (Netzteile) arbeiten. Damit ist die Antriebsschaltung prinzipiell betriebsbereit.

Der Hauptschalter 3 kann jetzt bei den Ausführungsformen gemäß Fig. 6, 7 ge schlossen werden, ohne daß dabei Ausgleichsvorgänge auf der Netzseite erzeugt werden (die Summe aller Spannungen der primärseitigen Gleichspannungszwi schenkreise ist größer als die Netzspannung). Das gleiche gilt für die jetzt schließba ren Traktionsschalter 29 bei den Ausführungsformen gemäß Fig. 4, 5. Ferner sind jetzt die Anlaufschalter 24 bei den Ausführungsformen gemäß den Fig. 4, 5 zu schließen, um die Erdung des Haupteingangskondensators herzustellen. Zur Poten tialtrennung werden der Schalter 37 bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4 und der Schalter 33 bei der Ausführungsform gemäß Fig. 7 geöffnet.

Claims

1. Antriebsschaltung für ein Schienenfahrzeug mit mehreren, zwischen ei nem Fahrdraht/Stromabnehmer-System (1) und einem Rad/Schiene-System (2) über mindestens eine Drossel (4) in Reihe geschalteten ersten Teilstromrichtersystemen (6.1 . . . 6.n), wobei jedes erste Teilstromrichtersystem aus mindestens einem primär seitigen Vierquadrantensteller (7), einem primärseitigen Gleichspannungszwischen kreis (8), mindestens einem primärseitigen Wechselrichter (10), mindestens einem Transformator (12) und mindestens einem sekundärseitigen Vierquadrantensteller (14) besteht und wobei sekundärseitig parallelgeschaltete zweite Teilstromrichtersy steme (17.1 . . . 17.m) einen gemeinsamen sekundärseitigen Gleichspannungszwi schenkreis (15) bilden, dadurch gekennzeichnet, daß der sekundärseitige Gleich spannungszwischenkreis (15) mit einer Anlaufschaltung (23) verbunden ist und daß die Speisung der netzseitigen Leittechnik inklusive der Ansteuereinrichtungen für die Halbleiterschalter des primärseitigen Vierquadrantenstellers (7) über die jeweiligen primärseitigen Gleichspannungszwischenkreise (8) oder aus den Wechselspannun gen der jeweiligen primärseitigen Wechselrichter (10) oder aus den primärseitigen Wechselspannungen der jeweiligen Transformatoren (12) erfolgt.

2. Antriebsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlauf schaltung (23) eine Diodenbrücke (26) aufweist, die gleichspannungsseitig mit dem sekundärseitigen Gleichspannungszwischenkreis (15) und wechselspannungsseitig Ober einen Aufladewiderstand (25) zwischen Fahrdraht/Stromabnehmer-System (1) und Rad/Schiene-System (2) schaltbar ist, wobei ein Transformator (30) zwischen Aufladewiderstand (25) und Diodenbrücke (26) vorgesehen ist.

3. Antriebsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschluß an das Fahrdraht/Stromabnehmer-System (1) über eine Haupteingangs drossel (4) und einen Haupteingangskondensator (5) eines Hochspannungsnetzfil ters erfolgt, wobei ein Traktionsschalter (29) zwischen dem Hochspannungsnetzfilter und dem ersten Teilstromrichtersystem (6.1) vorgesehen ist.

4. Antriebsschaltung hach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlaufschaltung (23) eine Batterie (31) mit Steller (32) aufweist.

5. Antriebsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlaufschaltung (23) einen Netztransformator (34) mit angeschlossenem Gleichrich ter (35) und Aufladewiderstand (36) aufweist.