DE19827872B4

DE19827872B4 - Antriebsschaltung für ein Schienenfahrzeug

Info

Publication number: DE19827872B4
Application number: DE19827872A
Authority: DE
Inventors: Michael Dipl.-Ing. Steiner; Harry Dr.-Ing. Reinold
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1998-06-23
Filing date: 1998-06-23
Publication date: 2009-04-09
Anticipated expiration: 2018-06-24
Also published as: FR2780215A1; FR2780215B1; DE19827872A1

Abstract

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), 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 und wobei sekundärseitig parallelgeschaltete zweite Teilstromrichtersysteme (17.1, ..., 17.m) einen gemeinsamen sekundärseitigen Gleichspannungszwischenkreis (15) bilden, dadurch gekennzeichnet, dass der sekundärseitige Gleichspannungszwischenkreis (15) mit einer Anlaufschaltung (23) verbunden ist und dass die Speisung der primärseitigen Leittechnik inklusive der Ansteuereinrichtungen für die Halbleiterschalter des primärseitigen Vierquadrantenstellers (7) über die jeweiligen primärseitigen Gleichspannungszwischenkreise (8) oder aus den Wechselspannungen der jeweiligen primärseitigen Wechselrichter (10) oder aus den primärseitigen Wechselspannungen der jeweiligen Transformatoren (12) erfolgt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Antriebsschaltung für ein Schienenfahrzeug gemäß dem Obergriff des Anspruchs 1.
Eine derartige Antriebsschaltung für ein Schienenfahrzeug wird in der Patentanmeldung DE 196 302 84 A1 vorgeschlagen. Die Besonderheit der Antriebschaltung liegt darin, daß die relativ hohe Wechselspannung zwischen Fahrdraht/Stromabnehmer-System und Rad/Schiene-System entsprechend der Anzahl der ersten Teilstromrichtersysteme aufgeteilt wird, so daß jeder Vierquadrantensteller bzw. Wechselrichter der ersten Teilstromrichtersysteme mit Hableiterschaltern üblicher Sperrspannungsfestigkeit betreibbar ist. Die Anzahl der zweiten Teilstromrichtersysteme richtet sich nach der erforderlichen Anzahl von Antriebmotoren.
DE 38 35 869 A1 zeigt eine Anordnung zum Starten eines Wechselrichters, der von einem Zwischenkreis versorgt wird und der in seinem Lastkreis über einen Transformator eine als Reihenresonanzkreis ausgebildete Last speist.
DE 43 16 365 A1 betrifft ein Steuerverfahren und eine Steuerschaltung für einen Frequenzumrichter für den Anlauf, die Drehzahlverstellung, das Bremsen und Positionieren von Drehstrom-Asynchronmotoren, wobei während eines Bremsvorgangs nach Überschreiten einer Grenzspannung im Zwischenkreis durch Energieverbrauch eines Zwischenkreis-Netzteils ein Absinken der Zwischenkreisspannung verursacht wird.
„Neue Lokomotiven EA3000 der Danske Statsbaner im Betriebeinsatz" von Lang Andreas and Petersen Oldrup Bo beschreibt eine Antriebschaltung für ein Schienenfahrzeug.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Antriebsschaltung für ein Schienenfahrzeug der eingangs genannten Art anzugeben, bei der ein sicheres Aufstarten gewährleistet ist.
Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffes erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, dass ein relativ rasches Aufstarten der Schaltung unter Einsatz einer kostengünstigen Anlaufschaltung erzielt wird.
Der Einsatz von teuren, für Hochspannung auszulegenden Baukomponenten der Leittechnik, inklusive der Ansteuereinrichtungen für die Halbleiterschalter der eingesetzten Stromrichter, wird konsequent vermieden. Ausgleichsvorgänge 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 Ausführungsbeispiele erläutert. Es zeigen:
1 den prinzipiellen Aufbau der Antriebsschaltung,
2 eine Ausführungsform des ersten Stromrichtersystems,
3 eine alternative Ausführungsform des ersten Stromrichtersystems (Halbbrückenschaltung),
4 eine erste Ausführungsform einer Anlaufschaltung,
5 eine zweite Ausführungsform einer Anlaufschaltung,
6 eine dritte Ausführungsform einer Anlaufschaltung,
7 eine vierte Ausführungsform einer Anlaufschaltung,
In 1 ist der prinzipielle Aufbau der Antriebsschaltung dargestellt, wie er zum großen Teil aus der DE 196 302 84 A1 bekannt ist. Zwischen einem Fahrdraht/Stromabnehmer-System 1 und einem Rad/Schiene-System 2 liegen n netzseitig (primärseitig) in Reihe geschaltete und sekundärseitig parallelgeschaltete erste Teilstromrichtersysteme 6.1...6.n, die nach 2 oder 3 ausgebildet sind. Der Anschluß des Teilstromrichtersystems 6.1 an das Fahrdraht/Stromabnehmer-System 1 erfolgt über zwei in Reihe angeordnete Haupteingangsdrosseln 4 eines Hochspannungsnetzfilters und einen Hauptschalter 3. Der Verbindungspunkt beider Haupteingangsdrosseln 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 2 oder 3 besteht aus einem primärseitigen, mit einer Taktfrequenz bis vorzugsweise etwa 500 Hz betriebenen Vierquadrantensteller (Gleichrichter) 7, einem primärseitigen Gleichstromzwischenkreis 8 mit mindestens einem primärseitigem Zwischenkreiskondensator 9, einem primärseitigen, mit einer Taktfrequenz von vorzugsweise 8 bis 20 kHz betriebenen Wechselrichter 10, einem Transformator 12, einem sekundärseitigem, mit einer Taktfrequenz von 8 bis 20 kHz betriebenen Vierquadrantensteller (Gleichrichter) 14 und mindestens einem sekundärseitigen Zwischenkreiskondensator 16. Die parallelgeschalteten Zwischenkreiskondensatoren 16 bilden eine Teilkapazität 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 Gleichspannungszwischenkreises 15 wird von Zwischenkreiskondensatoren 18 von m (m = 2, 3, 4) zweiten Teilstromrichtersystemen 17.1...17.m gebildet. Zwischen den primärseitigen Gleichspannungszwischenkreisen 8 und dem sekundärseitigem Gleichspannungszwischenkreis 15 besteht eine harte Kopplung. Jedes zweite Teilstromrichtersystem 17.1...17.m weist einen mit einer Taktfrequenz bis vorzugsweise etwa 500 Hz betriebenen 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 Wechselspannungen der jeweiligen Wechselrichter 10 oder aus den primärseitigen Wechselspannungen der jeweiligen Transformatoren 12. Hierdurch lassen sich vorteilhaft Hochspannungsnetzteile vermeiden. Das Spannungspotential des sekundärseitigen Gleichspannungszwischenkreises 15 ist in der Nähe des Massepotentiales, weswegen 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 sekundärseitigen Gleichspannungszwischenkreises 15 verbunden.
In 4 ist eine erste Ausführungsform einer Anlaufschaltung 23 dargestellt. Die über einen Anlaufschalter 24 miteinander verbindbaren Eingänge der Anlaufschaltung 23 sind über einen Aufladewiderstand 25 und einen Schalter 37 mit den Wechselspannungsanschlüssen einer Diodenbrücke 26 verbunden, deren Gleichspannungsanschlüsse zum sekundärseitigen Gleichspannungszwischenkreis 15 führen. Der Schalter 37 dient zur Trennung des sekundärseitigen Gleichspannungszwischenkreises 15 vom Netz während des Normalbetriebes.
Während der eine Eingang der Anlaufschaltung 23 am Rad/Schiene-System 2 angeschlossen ist, führt der weitere Eingang der Anlaufschaltung 23 über den Haupteingangskondensator 5 zum gemeinsamen Verbindungspunkt beider Haupteingangsdrosseln 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 zwischen Fahrdraht/Stromabnehmer-System 1 und Rad/Schiene-System 2 anstehende Netzspannung ist mit uN und die Spannung am Anlaufschalter 24 ist mit uS bezeichnet.
In 5 ist eine zweite Ausführungsform einer Anlaufschaltung dargestellt. Bei dieser Anlaufschaltung 23 entfällt im Vergleich zur Ausführungsform gemäß 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 verbunden. Damit ergibt sich eine im Vergleich zur Ausführungsform gemäß 4 verbesserte 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 Transformator 30 mit uT bezeichnet.
Beide Ausführungsformen gemäß den 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 6 ist eine dritte Ausführungsform einer Anlaufschaltung dargestellt. Bei dieser Anlaufschaltung 23 ist eine Batterie 31 über einen Steller 32 – vorzugsweise ein bidirektionales Batterieladegerät – mit dem sekundärseitigen Gleichspannungszwischenkreis 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 7 ist eine vierte Ausführungsform einer Anlaufschaltung dargestellt. Bei dieser Anlaufschaltung 23 ist ein Netztransformator 34 primärseitig über einen Anlaufschalter 33 mit dem Fahrdraht/Stromabnehmer-System 1 und dem Rad/Schiene-System 2 sowie sekundärseitig über einen Gleichrichter 35 (Diodenbrücke) und einen Aufladewiderstand 36 mit dem sekundärseitigen Gleichspannungszwischenkreis 15 verbunden. Der Netztransformator 34 bietet den Vorteil, daß eine Potentialtrennung zwischen sekundärseitigem Gleichspannungszwischenkreis 15 und dem Netz realisiert 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 6, 7 geöffnet ist. Der Anlaufschalter 24 und der Traktionsschalter 29 bei den Ausführungsformen gemäß 4, 5 sind geöffnet. Der Schalter 37 bei der Ausführungsform gemäß 4 sowie der Anlaufschalter 33 bei der Ausführungsform gemäß 7 sind geschlossen.
Bei den Ausführungsformen gemäß 4 und 5 ist der Hauptschalter 3 geschlossen, der Filterstrom iF fließt über das Hochspannungsnetzfilter, den Aufladewiderstand 25 und die Diodenbrücke 26 in den sekundärseitigen Gleichspannungszwischenkreis 15, wodurch alle parallelgeschalteten Zwischenkreiskondensatoren 16, 18 gleichmäßig aufgeladen werden.
Allen Ausführungsformen ist es gemeinsam, daß die Ladeschaltungen in die sekundären Zwischenkreise einspeisen. Die Halbleiterschalter der sekundärseitigen Vierquadrantensteller 14 takten. Die Aufladung der primärseitigen Gleichspannungszwischenkreise 8 erfolgt über die Transformatoren 12 und die Dioden der primärseitigen Wechselrichter 10. Erreicht die Spannung der primärseitigen Gleichspannungszwischenkreise 8 eine vorgegebene Spannungsschwelle, können die zur Versorgung/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 6, 7 geschlossen werden, ohne daß dabei Ausgleichsvorgänge auf der Netzseite erzeugt werden (die Summe aller Spannungen der primärseitigen Gleichspannungszwischenkreise ist größer als die Netzspannung). Das gleiche gilt für die jetzt schließbaren Traktionsschalter 29 bei den Ausführungsformen gemäß 4, 5. Ferner sind jetzt die Anlaufschalter 24 bei den Ausführungsformen gemäß den 4, 5 zu schließen, um die Erdung des Haupteingangskondensators herzustellen. Zur Potentialtrennung werden der Schalter 37 bei der Ausführungsform gemäß 4 und der Schalter 33 bei der Ausführungsform gemäß 7 geöffnet.

Claims

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), 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 und wobei sekundärseitig parallelgeschaltete zweite Teilstromrichtersysteme (17.1, ..., 17.m) einen gemeinsamen sekundärseitigen Gleichspannungszwischenkreis (15) bilden, dadurch gekennzeichnet, dass der sekundärseitige Gleichspannungszwischenkreis (15) mit einer Anlaufschaltung (23) verbunden ist und dass die Speisung der primärseitigen Leittechnik inklusive der Ansteuereinrichtungen für die Halbleiterschalter des primärseitigen Vierquadrantenstellers (7) über die jeweiligen primärseitigen Gleichspannungszwischenkreise (8) oder aus den Wechselspannungen der jeweiligen primärseitigen Wechselrichter (10) oder aus den primärseitigen Wechselspannungen der jeweiligen Transformatoren (12) erfolgt.
Antriebsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlaufschaltung (23) eine Diodenbrücke (26) aufweist, die gleichspannungsseitig mit dem sekundärseitigen Gleichspannungszwischenkreis (15) und wechselspannungsseitig über 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.
Antriebsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschluss an das Fahrdraht/Stromabnehmer-System (1) über eine Haupteingangsdrossel (4) und einen Haupteingangskondensator (5) eines Hochspannungsnetzfilters erfolgt, wobei ein Traktionsschalter (29) zwischen dem Hochspannungsnetzfilter und dem ersten Teilstromrichtersystem (6.1) vorgesehen ist.
Antriebsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlaufschaltung (23) eine Batterie (31) mit Steller (32) aufweist.
Antriebsschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlaufschaltung (23) einen Netztransformator (34) mit angeschlossenem Gleichrichter (35) und Aufladewiderstand (36) aufweist.