DE19833490C2 - Spannungszwischenkreisumrichter - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Spannungszwischen­ kreisumrichter mit einem eingangsseitigen Gleichrichter, ei­ nem ausgangsseitigen Wechselrichter und einem im Spannungs­ zwischenkreis angeordneten Stützkondensator, wobei parallel zum Stützkondensator eine Schutzschaltung mit einem Auslöse­ element und in Reihe dazu einem Strombegrenzungselement ange­ ordnet ist.

Ein derartiger Spannungszwischenkreisumrichter wird bei­ spielsweise als Traktionsumrichter in Lokomotiven und Trieb­ wagen eingesetzt. Bei ihm ist das Strombegrenzungselement als Drossel ausgebildet.

Eine Drossel hat den Nachteil, große magnetische Felder zu erzeugen und somit starke Wechselwirkungen zu ihrer Umgebung hervorrufen. Folglich muß die Drossel mechanisch sehr stabil ausgeführt und befestigt sein. Ferner kann das entstehende Magnetfeld andere elektronische Einrichtungen, vor allem im Umrichter selbst, stören.

Aus der gattungsgemäßen DE 23 49 161 B2 ist eine Anordnung zum Schutz eines von einem Gleichspannungszwischenkreis gespeisten selbstge­ führten Wechselrichters bekannt. Diese Anordnung weist einen Zusatzzweig und einen weiteren Zweig auf, die elektrisch pa­ rallel zum Glättungskondensator des Spannungszwischenkreises geschaltet sind. Der Zusatzzweig weist eine Reihenschaltung einer Induktivität und eines Hilfsthyristors auf, wobei der weitere Zweig eine Reihenschaltung eines ohmschen Widerstan­ des und eine zur Polung des Glättungskondensators in Sperr­ richtung geschaltete Diode aufweist. Dieser weitere Zweig bildet eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den Polen des Glättungskondensators nach der schwingungsbedingten Umpo­ lung des Glättungskondensators im Störungsfall. Dadurch wird dem Schwingkreis aus Glättungskondensator und den im Wechsel­ richter vorhandenen oder in denselben eingeschalteten Induk­ tivitäten ab dem Maximum der ersten Entladehalbschwingung des Stromes auf sehr wirksame und einfache Art Energie entzogen, so dass alle folgenden Stromhalbschwingungen wesentlich klei­ ner werden als ohne den weiteren Zweig.

Aus der DE 43 31 250 C1 ist eine Vorrichtung zur Begrenzung des Einschaltstromes in einem Laststromkreis bekannt, die ei­ nen Begrenzungswiderstand aufweist. Dieser Begrenzungswider­ stand ist in Reihe zum Laststromkreis geschaltet. Als Begren­ zungswiderstand ist ein Heißleiter vorgesehen, der mit einem Überbrückungselement versehen ist. Beim Überschreiten eines vorgebbaren Widerstandswertes für den Heißleiter ist das Ein­ schalten der Last gesperrt. Der Einschaltstrom kann dadurch auch beim wiederholten Einschalten der Last nach kurzer Zeit bzw. in Folge, einen vorgegebenen Grenzwert nicht überschrei­ ten. Außerdem ist der Begrenzungs-Heißleiter vor Überlastung durch zu häufiges Ein-/Ausschalten geschützt.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Spannungszwischenkreisumrichter derart weiterzubilden, daß er die Nachteile des Standes der Technik vermeidet.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das Strombegrenzungsele­ ment als Heißleiter ausgebildet ist.

Das Auslöseelement kann ein beliebiger schneller Halbleiter­ schalter sein. Vorzugsweise aber ist das Auslöseelement als Thyristor ausgebildet.

Die Gefahr von Überspannungen, die mittels der Schutzschal­ tung verhindert werden sollen, können besonders dann auftre­ ten, wenn am eingangsseitigen Gleichrichter plötzliche Netzspannungsabfälle, am ausgangsseitigen Wechselrichter transi­ ente Laständerungen oder andere Störungen auftreten können und der Wechselrichter als rückspeisefähiger Wechselrichter ausgebildet ist. Besonders in diesem Fall sollte also ein er­ findungsgemäßer Spannungszwischenkreisumrichter verwendet werden.

Die erfindungsgemäße Schutzschaltung ist ferner besonders dann von Vorteil, wenn der Spannungszwischenkreisumrichter als Hochspannungs-Spannungszwischenkreisumrichter ausgebildet ist, also im Betrieb des Spannungszwischenkreisumrichters am Stützkondensator eine Betriebsspannung von über 1 kV abfällt.

Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nach­ folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels. Dabei zeigt in Prinzipdarstellung die einzige

Fig. 1 einen Spannungszwischenkreisumrichter.

Gemäß Fig. 1 weist ein Spannungszwischenkreisumrichter einen eingangsseitigen Gleichrichter 1, einen ausgangsseitigen Wechselrichter 2 und einen dazwischen angeordneten Stützkon­ densator 3 auf. Der Gleichrichter 1 wird aus einem Netz 4 ge­ speist. An den Wechselrichter 2 ist eine Last 5 angeschlos­ sen.

Gemäß Ausführungsbeispiel ist der Gleichrichter 1 als gesteu­ erter Gleichrichter 1 ausgebildet. Er weist also als gleich­ richtende Halbleiterventile steuerbare Elemente auf, z. B. IGBTs (IGBT = insulated gate bipolar transistor) oder GTOs (= gate turn off-Thyristoren). Der Gleichrichter 1 könnte aber auch mit ungesteuerten Halbleiterventilen, also Dioden, aus­ gebildet sein. Der Gleichrichter 1 wird ferner gemäß Ausfüh­ rungsbeispiel aus einem Einphasen-Wechselstromnetz 4 ge­ speist. Er könnte aber auch aus einem Drehstromnetz gespeist werden.

Der Wechselrichter 2 weist ebenfalls gesteuerte Halbleiter­ ventile auf, also IGBTs oder GTOs. Er ist vorzugsweise als rückspeisefähiger Wechselrichter 2 ausgebildet. Er kann also ggf. elektrische Energie von der Last 5 in den Zwischenkreis rückspeisen. Gemäß Ausführungsbeispiel ist an den Wechsel­ richter 2 eine Drehstromlast 5 angeschlossen. Es könnte aber auch eine einphasige Wechselstromlast angeschlossen sein.

Im Betrieb des Spannungszwischenkreisumrichters fällt am Stützkondensator 3 eine Betriebsspannung U von mehr als 1 kV ab. Die Betriebsspannung U wird mittels einer Steuerschaltung 6 erfaßt und ausgewertet. Wenn der absolute Wert der Be­ triebsspannung U bzw. die zeitliche Änderung der Betriebs­ spannung U einen - ggf. einstellbaren - Grenzwert übersteigt, steuert die Steuerschaltung 6 ein Auslöseelement 7 einer Schutzschaltung an, welche parallel zum Stützkondensator 3 angeordnet ist. Hierdurch wird die Betriebsspannung U nahezu schlagartig auf 0 abgebaut. Das Auslöseelement 7 kann als be­ liebiger schneller Halbleiterschalter ausgebildet sein. Vor­ zugsweise aber ist das Auslöseelement 7 als Thyristor 7 aus­ gebildet.

Die Betriebsspannung U wird mittels eines Kurzschlußstromes I abgebaut, der durch das Auslöseelement 7 fließt. Der Kurz­ schlußstrom I darf einerseits nicht zu schnell ansteigen und andererseits einen Maximalwert nicht übersteigen. Dennoch muß die Betriebsspannung U so schnell so weit abgebaut werden, daß eine Lichtbogenbrennspannung, bei der spätestens ein evtl. Lichtbogen erlöschen würde, rechtzeitig erreicht wird. Um dies zu gewährleisten, ist dem Auslöseelement 7 ein Strom­ begrenzungselement 8 vorgeschaltet, welches erfindungsgemäß als Heißleiter 8 ausgebildet ist. Das Strombegrenzungselement 8 ist ebenfalls Bestandteil der Schutzschaltung. Durch den relativ hohen Startwiderstand des Strombegrenzungselements 8 werden somit der Anstieg beim Auslösen des Auslöseelements 7 und der Maximalwert des Kurzschlußstroms durch das Auslöse­ element 7 begrenzt.

Der Stromfluß durch das Strombegrenzungselement 8 führt zu einer Erwärmung des Strombegrenzungselements 8. Hierdurch verringert sich dessen Widerstand, so daß die verbleibende Restspannung noch schneller abgebaut wird. Im Gegensatz zu einer Drossel entstehen aber kaum Magnetfelder, so daß die bei Verwendung einer Drossel sich ergebenden Probleme vermie­ den werden.

Der Spannungszwischenkreisumrichter kann insbesondere in Lo­ komotiven und Triebwagen als Traktionsumrichter eingesetzt werden.

Claims (5)

1. Spannungszwischenkreisumrichter mit einem eingangsseitigen Gleichrichter (1), einem ausgangsseitigen Wechselrichter (2) und einem im Spannungszwischenkeis angeordneten Stütz­ kondensator (3), wobei parallel zum Stützkondensator (3) eine Schutzschaltung (7, 8) mit einem Auslöseelement (7) und in Reihe dazu einem Strombegrenzungselement (8) ange­ ordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Strombegrenzungselement (8) als Heißleiter (8) ausgebildet ist.

2. Spannungszwischenkreisumrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Auslöseelement (7) als Thyristor (7) ausgebildet ist.

3. Spannungszwischenkreisumrichter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselrichter (2) als rückspeisefähiger Wechsel­ richter (2) ausgebildet ist.

4. Spannungszwischenkreisumrichter nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Betrieb des Spannungszwischenkreisumrichters am Stützkondensator (3) eine Betriebsspannung (U) über 1 kV abfällt.

5. Spannungszwischenkreisumrichter nach einem der obigen An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er als Traktionsumrichter verwendet wird.