DE19962615A1

DE19962615A1 - Einrichtung und Verfahren zum Stromrichter-Überlastschutz

Info

Publication number: DE19962615A1
Application number: DE19962615A
Authority: DE
Inventors: Gernot Enzensberger; Sead Mesic; Markus Joerg; Urs Ehrler; Markus Lerjen
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Alstom Transportation Germany GmbH
Priority date: 1999-12-23
Filing date: 1999-12-23
Publication date: 2001-07-05
Also published as: ES2307480T3; EP1110797A3; DE50015254D1; EP1110797B1; EP1110797A2; ATE400463T1

Abstract

Zusammenfassend offenbart die vorliegende Erfindung eine Einrichtung und ein Verfahren zum Stromrichter-Überlastschutz, durch die zuverlässig, auch bei fehlerhaften Nichtansprechen von Schutzschaltern Beschädigungen an den Stromrichtern vermieden werden können, indem innerhalb kürzester Zeit ein überlasteter bzw. kurzgeschlossener Stromkreis abgetrennt wird. Dazu umfasst die Einrichtung eine Einrichtung zur Momentanstrombegrenzung 1, eine Einrichtung zur Effektivstrombegrenzung sowie eine Einrichtung zur Zeitbegrenzung. Die Einrichtung zur Momentanstrombegrenzung 1 leitet bei Überschreiten eines aus einer Mehrzahl von Schwellenwerten durch den Zweigpaar-Wechselstrom eine Stromrichter-Ventilsperre ein, in der an Stelle nur eines Zweigpaares sämtliche Zweigpaare gesperrt werden. Die Einrichtung zur Effektivstrombegrenzung 2 ermittelt Schwellenwertüberschreitungen des aus dem Phasenstrom ermittelten Effektivwerts am Ausgang des Hilfsbetriebestromrichters und veranlasst ansprechend darauf eine Reduzierung der Aussteuerung des Hilfsbetriebestromrichters. die Einrichtung zur Zeitbegrenzung stellt sicher, dass ein Stromrichter-Überlastbetrieb nur für eine begrenzte Zeit aufrecht erhalten wird. Wenn während einer bestimmten Zeit keine Trennung eines überlasteten oder kurzgeschlossenen Stromkreises erfolgt, wird ansprechend auf ein Ausgangssignal der Einrichtung zur Zeitbegrenzung der Stromrichter gesperrt.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Leistungshalbleiter, insbeson dere auf eine Einrichtung und ein Verfahren zum Stromrichter-Überlastschutz.

Stand der Technik

Herkömmlich wird in Wechselstromumrichtern bei einer Überschreitung eines bestimmten, maximal zulässigen Momentanwertes des Stroms auf der Netz- oder Motor- bzw. Lastseite eine sogenannte "selektive Stromrichter- Ventilsperre" eingeleitet. Als Folge dieser selektiven Stromrichter-Ventilsperre tritt eine zeitlich begrenzte Unterbrechung des Stromes auf der Netz- oder Lastseite auf. Die Dauer dieser Unterbrechung wird sowohl von den Eigen schaften des Netzes oder der Last als auch denjenigen der Steuer- und Re geleinrichtung bestimmt. Der Ablauf des Eingriffs dieser Art Überstrombe grenzung ist in dem Konferenzbericht "Electrical Drives and Power Electro nics", Dubrovnik, Kroatien, 9. bis 11. Oktober 1996, Seiten 229 bis 234 be schrieben. Die Schutzmassnahmen sind dabei so ausgelegt, dass kleinst mögliche Auswirkungen auf den Fahrbetrieb auftreten.

Hierbei sind die Abgänge eines integrierten Hilfsbetriebestromrichters HSR mit Leistungsschutzschaltern versehen, die den Schutz der Leitung sowie des Hilfsbetriebestromrichters unter normalen Bedingungen sicherstellen sollen. Sprechen diese Leistungsschutzschalter bei einem Kurzschluss bzw. einer Überlast nicht oder verspätet an, so muss sichergestellt sein, dass der Hilfs betriebestromrichter nicht beschädigt wird. Herkömmlich wird, wie beispiels weise in "Elektrische Bahnen, Kap. 6.7. "Die Schutzeinrichtungen", von arko Filipovi, Springer-Verlag, 1995 beschrieben, ein derartiger Überstromschutz durch einen unverzögerten Hauptschalter in Kombination mit flinken Siche rungen verwirklicht. In den ersten Entwicklungsjahren wurden zusätzliche ul traschnelle Kurzschliesser verwendet, die den Stromrichter durch Überbrüc ken entlasteten. Eine verfeinerte Kurzschliesser-Methode besteht dabei auf grund der grossen Ladung des Zwischenkreis-Stützkondensators in der Zün dung sämtlicher Thyristoren. Bei herkömmlichen Hilfsbetriebestromrichtern HSR ist ein rascher Überstromschutz im Falle von Überlast oder Kurzschluss jedoch dennoch nicht immer zuverlässig sichergestellt, so dass es zu Beschä digungen des Hilfsbetriebestromrichters bei Überlast bzw. Kurzschluss kom men kann.

Bei Wechselrichtern, bei denen eine oder mehrere Lasten über Sicherungen oder Sicherungsautomaten an deren Ausgang angeschlossen sind, besteht nämlich die Forderung, dass der Wechselrichter im Fall einer Überlast oder eines Kurzschlusses in einem der abgesicherten Stromkreise immer seinen momentan maximal möglichen Strom liefert. Diese Forderung besteht, damit die Sicherungen ihre Funktion wahrnehmen können und innerhalb kürzester Frist den überlasteten bzw. kurzgeschlossenen Stromkreis abtrennen. Gerade diese Forderung kann aber im Stand der Technik nicht erfüllt werden. Bei spielsweise kommt es im Falle eines Kurzschlusses oder einer Überlast, in dem ein Schutzschalter nicht anspricht, nämlich zu einer Beschädigung des Hilfsbetriebestromrichters, da keinerlei weitere Schutzmassnahmen für den Hilfsbetriebestromrichter vorgesehen sind.

Darstellung der Erfindung

Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Einrichtung und ein Verfahren zum Stromrichter-Überlastschutz auszubilden, durch die im Fall ei ner Überlast oder eines Kurzschlusses in einem der abgesicherten Stromkrei se innerhalb kürzester Zeit der überlastete bzw. kurzgeschlossene Stromkreis zuverlässig abgetrennt werden kann, auch wenn ein Schutzschalter nicht an spricht.

Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe durch die in Anspruch 1, 6, 11, 12, 13 bzw. 15 angegebenen Merkmale gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsformen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Darstellung eines Blockschaltbilds einer erfindungsgemässen Ein richtung zum Stromrichter-Überlastschutz,

Fig. 2 eine Darstellung eines Stromverlaufs in einem Stromrichter-Zweigpaar über die Zeit,

Fig. 3 eine Darstellung des Zustands der Ventilsperre abhängig vom Mo mentanwert des Aussenleiterstroms am Ausgang des Hilfsbetriebestromrich ters,

Fig. 4 für den Fall eines Kurzschlusses im Stromkreis des Hilfsbetriebe- Netzes mit angeschlossener Kühlmittelpumpe den Zeitverlauf des Pumpen drucks und des Effektivstroms für die Kurzschlussfälle "Schutzschalter öffnet" und "Schutzschalter öffnet nicht" und

Fig. 5 für den Fall eines Kurzschlusses im Stromkreis des Hilfsbetriebe- Netzes ohne angeschlossene Kühlmittelpumpe den Zeitverlauf des Pumpen drucks und des Effektivstroms für die Kurzschlussfälle "Schutzschalter öffnet" und "Schutzschalter öffnet nicht".

Weg(e) zur Ausführung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung ist beispielsweise bei der Energieversorgung von Hilfsbetrieben eines elektrischen AC- bzw. Wechselstrom-Triebfahrzeugs an wendbar. Für derartige Hilfsbetriebe sollen zwei redundante, erdfreie Netze mit einer 3-phasigen Spannung fester bzw. variabler Amplitude und Frequenz zur Verfügung stehen. Die Speisung der Hilfsbetriebenetze wird durch einen im Traktionsstromrichter integrierten Hilfsbetriebestromrichter sichergestellt.

Im vorliegenden erfindungsgemässen Ausführungsbeispiel sind die Abgänge eines integrierten Hilfsbetriebestromrichters HSR mit Leistungsschutzschal tern ausgerüstet. Dadurch sind die Leitungen gegen Überlast und Kurzschluss geschützt. Im Fall einer Überlast oder eines Kurzschlusses muss der Hilfsbe triebestromrichter hierfür zeitlich begrenzt immer seinen momentan maximal möglichen Strom liefern, damit die Schutzschalter ihre Funktion übernehmen können und innerhalb kürzester Frist den überlasteten bzw. kurzgeschlosse nen Stromkreis abtrennen. Erfolgt jedoch während einer bestimmten Zeit kei ne Abtrennung des defekten Stromkreises, wird eine Gesamt-Ventilsperre des Hilfsbetriebestromrichters ausgelöst.

Bei allen Eingriffen, die eine Hilfsbetriebestromrichter-Schutzeinrichtung aus löst, sind jedoch die Auswirkungen auf das Hilfsbetriebenetz und den Trakti onstrieb zu beachten. Deshalb wurde die erfindungsgemässe Einrichtung zum Stromrichter-Überlastschutz derart ausgebildet, dass sie die folgenden Merk male aufweist bzw. sicherstellt:

1. Sehr hohe Verfügbarkeit des Hilfsbetriebenetzes und des Traktionsbe triebs
2. Sehr hohe Selektivität der Schutzschalter
3. Auf der Niederspannungsseite kurzschlussfester Hilfsbetriebestromrichter
4. Möglichst wenig Betriebsstörungen des Traktionsstromrichters und Hilfs betriebestromrichters durch Schutzeingriffe
5. Dynamische Vorgänge des Hilfsbetriebestromrichters in ordentlichen Be triebsarten führen zu keinen Hilfsbetriebestromrichter- Betriebsunterbrechnungen bzw. zu keinen Hilfsbetriebe-Netzeinbrüchen.

Zur Verwirklichung dieses vorstehend genannten Schutzkonzepts weist die erfindungsgemässe Einrichtung und das erfindungsgemässe Verfahren zum Stromrichter-Überlastschutz drei verschiedene Schutzeinrichtungen auf, die vor allem in Kombination einen zuverlässigen Schutz vor elektrischer Zerstö rung im Falle einer Überlast bzw. eines Kurzschlusses bieten. Die entspre chenden Einrichtungen sind eine Einrichtung zur Momentanstrombegrenzung 1, eine Einrichtung zur Effektivstrombegrenzung 2 sowie eine Einrichtung zur Zeitbegrenzung.

Ein Blockschaltbild eines erfindungsgemässen Stromrichter-Überlastschutzes ist in Fig. 1 gezeigt. Dieser Stromrichter-Überlastschutz umfasst die Einrich tung zur Momentanstrombegrenzung 1, die Einrichtung zur Effektivstrombe grenzung 2 sowie die (nicht gezeigte) Einrichtung zur Zeitbegrenzung. Diese Einrichtungen sind für jedes Zweigpaar 4 eines zusammengehörenden Strom richtersatzes SR, beispielsweise einer Einphasenbrücke oder einer Dreh strombrücke, je einmal ausgebildet.

Zunächst wird nun auf den Aufbau der erfindungsgemässen Einrichtung zur Momentanstrombegrenzung 1 sowie deren Funktion genauer eingegangen.

Die Einrichtung zur Momentanstrombegrenzung 1 umfasst im Prinzip einen Zweipunktregler mit einer unterlagerten Überwachung der Anzahl Eingriffe dieses Zweipunktreglers, der selektiv auf den Schaltzustand jedes Stromrich terzweigpaares 4 des Hilfsbetriebestromrichters HSR wirkt (siehe Fig. 3). Zeit lich gesehen ist die Momentanstrombegrenzung hierbei an kein festes Raster gebunden. Unter anderem umfasst die Einrichtung zur Momentanstrombe grenzung 1 einen Komparator 11, der, nachdem der Zweigpaar-Wechselstrom einen Schwellenwert THZVS für eine Zweigpaar-Ventilsperre, beispielsweise 1100 A, überschritten hat, beide elektronischen Schalter eines Stromrichter zweigpaars mittels Ausgabe eines Ausgangssignals ZVS an einen Modula tor/Steuersatz 5 sperrt. Dieser Schwellenwert THZVS ist unter anderem in Fig. 3 gezeigt. In dieser Fig. 3 bezeichnet THZVS einen Schwellenwert der über einen Stromsensor 41 erfassten Aussenleiterströme iHSR am Ausgang des Hilfsbetriebestromrichters HSR, bei dessen Überschreitung die "Zweig paar-Ventilsperre" ZVS ausgelöst wird. THZVSRESET bezeichnet einen Schwellenwert des Aussenleiterstroms iHSR am Ausgang des Hilfsbetriebe stromrichters HSR, bei dessen Unterschreitung nach einer "Zweigpaar- Ventilsperre" ZVS eines Zweigpaars 4 die Taktung dieses Zweigpaars 4 wie der freigegeben wird und beträgt beispielsweise 200 A, und THSVSGES be zeichnet einen Schwellenwert der Aussenleiterströme iHSR am Ausgang des Hilfsbetriebestromrichters HSR, bei dessen Überschreitung eine Schutzab schaltung mit Hauptschalterauslösung ausgelöst wird.

Eine Überwachung der Anzahl Eingriffe des Zweipunktreglers werden mit zwei Einrichtungen 12 und 13 jeweils Zeitfenstern mit Fenstergrössen t1 und t2 realisiert, wie in Fig. 2 gezeigt. In der Einrichtung 12 mit dem Zeitfenster t1 wird die Anzahl von Eingriffen der Triggerschwelle THZVS, d. h. des Schwel lenwerts der Aussenleiterströme iHSR am Ausgang des Hilfsbetriebestrom richters HSR, in das Pulsmuster eines Zweigpaars 4 des Hilfsbetriebestrom richters HSR, d. h. die Anzahl von Schwellenwertüberschreitungen des Zweig paar-Wechselstroms iHSR, gezählt und in der Einrichtung 13 mit dem Zeitfen ster t2 die Anzahl der Wiederholungen des Zeitfensters t1. Überschreitet eine der beiden aktuell gezählten Anzahlen von Ereignissen einen ihr zugeordne ten Grenzwert ANZTHZVS, beispielsweise 15, oder ANZTt1, beispielsweise 3, so wird eine Stromrichter-Ventilsperre SVS eingeleitet. Das heisst, an Stelle nur eines Zweigpaares 4 werden sämtliche Zweigpaare des Hilfsbetriebe stromrichters HSR gesperrt.

Für die Realisierung der Überwachung der Anzahl von Eingriffen des Zwei punktreglers sind, wie in Fig. 1 gezeigt, als Einrichtungen 12 und 13 mit Zeit fenstern t1 bzw. t2 zwei nicht retriggerbare Monoflops mit den Zeiten t1, bei spielsweise 0,01 s, und t2, beispielsweise 0,25, vorgesehen. Diese werden gemäss Fig. 2 mit jedem ersten Ansprechen des Zweipunktreglers getriggert und starten damit zwei unterschiedliche Zählvorgänge durch Zähler 14 und 15. Mit dem der Zeit t1 zugeordneten Zählvorgang wird durch den Zähler 14 die Anzahl von Schwellenwertüberschreitungen ANZTHZVS des Zweigpaar- Wechselstroms iHSR gezählt und mit dem der Zeit t2 zugeordneten Zähler 15 die Anzahl von Triggervorgängen ANZTt1 des der Zeit t1 zugeordneten Monoflops 12. Das Ergebnis der beiden Zählvorgänge wird jeweils in einem Komparator 16 bzw. 17 mit als Anz1 und Anz2 bezeichneten Grenzwerten verglichen. Die Ausgangssignale der Komparatoren 16 und 17 werden einem ODER-Gatter 18 zugeführt, so dass, wenn eine der beiden aktuell gezählten Anzahlen von Ereignissen, d. h. ein Zählwert, den ihr zugeordneten Grenzwert Anz1 bzw. Anz2 überschreitet, das ODER-Gatter 18 ein Signal ausgibt, auf grund dessen eine Stromrichter-Ventilsperre SVS durch den Modula tor/Steuersatz 5 eingeleitet wird. Das heisst, an Stelle nur eines Zweigpaares 4 werden sämtliche Zweigpaare der überwachten Stromrichterschaltung ge sperrt.

Weiterhin umfasst die Einrichtung zum Stromrichter-Überlastschutz die Ein richtung zur Effektivstrombegrenzung 2, auf die im folgenden näher einge gangen wird.

Allgemein benötigt die Effektivstrombegrenzung im Gegensatz zur Moment anstrombegrenzung ein festes Raster, auf das sich die Berechnung des Ef fektivwertes stützen kann. Daher ist hier ein Zyklustakt erforderlich. Dabei wird die zeitliche Basis für die ablaufenden Prozesse der Effektivstrombe grenzung als Zyklus bezeichnet. Ein Zyklus ist dabei ein ganzzahliges Vielfa ches n_Z einer Halbperiode des zu begrenzenden Wechselstroms. Vorzugs weise beträgt n_Z = 1 oder 2.

Prinzipiell gibt es in der Einrichtung zur Effektivstrombegrenzung 2 während jedes Zyklus zwei voneinander getrennt ablaufende Prozesse. Der eine Prozess wird als Messvorgang, der andere als Verarbeitungsvorgang be zeichnet. Im Messvorgang wird der Phasenstrom durch ein Abtasthalteglied 21 abgetastet und die Abtastwerte werden in einem Mess-Speicher 22 abge legt. Im Verarbeitungsvorgang wird in einer Effektivwert- Berechnungseinrichtung 25 aus den abgetasteten, in dem Messwert-Speicher 22 gespeicherten Messwerten des vorhergehenden Zyklus ein Effektivwert berechnet und in einem Komparator 28 mit einer Schutzkennlinie 26 vergli chen. Daraufhin wird ein Signal entsprechend der zulässigen Anzahl von Zy klen für diesen Effektivwertbetrag ausgegeben. Ergibt der Vergleich der zu lässigen Anzahl von Zyklen im Komparator 28 mit der aktuellen Anzahl von Zyklen aus einem Zykluszähler 27 eine Überschreitung der maximal zulässi gen Anzahl Zyklen eines bestimmten Effektivwertbetrags, so wird anspre chend auf das Ausgangssignal des Komparators 28 die Aussteuerung des Stromrichters nach einem geeigneten Verfahren durch den Modula tor/Steuersatz 5 reduziert. Der Zykluszähler 27 wird zurückgesetzt (Reset), sobald der Effektivwert die aktuelle Stufe der Schutzkennlinie 26 unterschrei tet oder überschreitet, d. h. bei jedem Unter- bzw. Überschreiten wird der Zähler auf Null gesetzt.

Die vorstehend beschriebene Effektivstrombegrenzung ist somit im Prinzip eine Überwachung einer Anzahl Halbschwingungen nHS für einen bestimm ten maximal zulässigen Effektivwert IHRSn, beispielsweise 300 A, des Stro mes iHSRn am Ausgang des Hilfsbetriebestromrichters HSR. Erfolgt eine Überschreitung der maximal zulässigen Anzahl Halbschwingungen nHSR, die beispielsweise 1 beträgt, des bestimmten Effektivwertbetrages IHSRn so wird die Aussteuerung des Stromrichters durch den Modulator/Steuersatz 5 nach einem geeigneten Verfahren reduziert. Hierbei bezeichnet IHSRn den Schwellenwert des Effektivstromes in den Aussenleitern des Hilfsbetriebe stromrichters HSR und nHS den Wert der zulässigen Anzahl Halbschwingun gen der Ströme in den Aussenleitern des Hilfsbetriebestromrichters HSR, der auftreten darf.

Wie in Fig. 1, Bezugszeichen 3 gezeigt, existiert parallel zum Zeitverlauf des zu begrenzenden Wechselstromes iHSR ein nicht notwendigerweise pha sengleiches Zyklussignal. Während jeder Halbperiode des Zyklussignals wird, wie bereits erwähnt, gleichzeitig in getrennten Prozessen gemessen und ver arbeitet. Während jedes Wechsels des Zyklussignals werden die abgetasteten Strom-Ist-Werte aus dem Messwert-Speicher 22 in den Verarbeitungsspei cher 24 geschoben, der Messwert-Speicher zurückgesetzt und der Mess- und Verarbeitungsvorgang neu gestartet.

Zudem umfasst die erfindungsgemässe Einrichtung zum Stromrichter- Überlastschutz eine (nicht gezeigte) Einrichtung zur Zeitbegrenzung, die be vorzugterweise separat oder auch in der Einrichtung zur Effektivstrombegren zung 2 realisiert ist. Das bedeutet, der Hilfsbetriebestromrichter- Überlastbetrieb wird nur für eine begrenzte Zeit aufrechterhalten. Erfolgt wäh rend einer bestimmten Zeit keine Trennung des überlasteten oder kurzge schlossenen Stromkreises, wird ansprechend auf ein Ausgangssignal der Ein richtung zur Zeitbegrenzung der Hilfsbetriebestromrichter HSR gesperrt.

Im folgenden werden die Fälle aufgelistet, in denen eine derartige Sperrung des Hilfsbetriebestromrichters HSR durch die Einrichtung zur Zeitbegrenzung erfolgt.

Fall 1

Der Kühlmitteldruck unterschreitet einen vorgegebenen Wert KDR2, bei spielsweise 750 hPa, für eine Zeit TWAITDR2, beispielsweise 1 s, ununterbro chen.

Hierbei ist TWAITDR2 also eine vorgegebene Wartezeit nach einer Unter schreitung des unteren Druckwertes KDR2 im Kühlmittelkreislauf bis zur Auslösung einer entsprechenden Schutzmassnahme.

Fall 2

Der Effektivwert des Stromes am Ausgang der Hilfsbetriebestromrichter- Drehstrombrücke überschreitet einen Wert IHSRMAX, beispielsweise 250 A, ununterbrochen während einer Zeit TWAITOLH, beispielsweise 2 s.

Hierbei ist IHSRMAX ein Schwellenwert der Effektivströme in den Aussenlei tern des Hilfsbetriebestromrichters, der nicht länger als die Zeit TWAITOLH überschritten sein darf. Der Wert IHSRMAX ist immer kleiner als IHSRn. Der Wert TWAITOLH bezeichnet die Wartezeit nach Überschreitung des Effektiv stroms IHSRMAX in einem der Aussenleiter des Hilfsbetriebestromrichters bis zur Auslösung einer entsprechenden Schutzmassnahme. Mit jedem Anspre chen der Triggerschwelle IHSRMAX wird die Zeit TWAITOLH neu gestartet. Mit jeder Unterschreitung wird sie zurückgesetzt.

Fall 3

Die maximal zulässige Anzahl von Ansprechen der Triggerschwelle IHSRMAX in einem Zeitfenster TWAITKSH, beispielsweise 4 s, wird überschritten. Hierbei bezeichnet TWAITKSH ein Zeitfenster für die Ermittlung der Anzahl von Ansprechen der Triggerschwelle IHSRMAX. Dieses Zeitfenster wird nach Überschreitung der Triggerschwelle IHSRMAX gestartet und erst nach Ablauf der Zeit TWAITKSH zurückgesetzt. Weiterhin bezeichnet ANZIHSRMAX eine Anzahl von Ansprechen der Triggerschwelle IHSRMAX, beispielsweise 25 Mal, während der Fensterzeit TWAITKSH.

Anwendbar ist der erfindungsgemässe Stromrichter-Überlastschutz beispiels weise in einer Lok mit zwei Traktionsstromrichtern mit je einem integrierten Hilfsbetriebestromrichter HSR. Der eine Hilfsbetriebestromrichter HSR er zeugt eine variable und der andere eine fixe Drehspannung zur Speisung der Hilfsbetriebe auf der Lokomotive und dem Zug.

Im Falle eines Kurzschlusses liefert der Hilfsbetriebestromrichter HSR zeitlich begrenzt seinen momentan maximal möglichen Strom, damit die Schutz schalter ihre Funktion übernehmen können und innerhalb kürzester Frist den überlasteten bzw. kurzgeschlossenen Stromkreis abtrennen können.

Abschliessend werden nur noch die für die erfindungsgemässe Einrichtung zum (Hilfsbetriebe-)Stromrichter-Überlastschutz relevanten Vorgänge, wie Lastzuschaltungen, Überlast und Kurzschluss im Hilfsbetriebenetz unter an derem anhand von Fig. 4 und 5 genauer beschrieben.

Zunächst wird jedoch noch allgemein auf diese relevanten Vorgänge allge mein eingegangen.

Bei Kurzschlüssen, die im Bereich zwischen dem Ausgang der Drehstrom brücke des Hilfsbetriebestromrichters HSR und der Trafosekundärseite vor kommen, also vor den Schutzgeräten, schaltet der gesamte Stromrichter SR ab. In diesen Fällen ist eine Betriebsunterbrechnung des gesamten Strom richters SR erlaubt, da es ansonsten zu grösseren Beschädigungen des ge samten Stromrichters kommen könnte.

Im folgenden wird nun auf das dynamische Verhalten des Hilfsbetriebestrom richters HSR bei Verwendung der erfindungsgemässen Einrichtung zum Stromrichter-Überlastschutz genauer eingegangen.

In ordentlichen Betriebsarten, d. h. bei Lastzuschaltungen im Hilfsbetriebe- Netz, beispielsweise von Ventilatoren, Kompressoren, Pumpen, usw., erge ben sich keine Schutzeingriffe, da diese Lastzuschaltungen fahrzeugseitig mi nimiert und gestaffelt vorgenommen werden und zwar derart, dass der Strom am Ausgang des Hilfsbetriebestromrichters HSR die Schutztriggerschwelle IHSRn nicht erreicht.

Anders stellt sich dies dahingegen in ausserordentlichen Betriebsarten dar, d. h. bei Überlast oder Kurzschluss.

Im Fall einer Überlast des Hilfsbetriebestromrichters HSR überschreitet der Effektivstrom I_eff am Ausgang der Hilfsbetriebestromrichter-Drehstrombrücke die Triggerschwelle IHSRMAX. Nun können zwei alternative Fälle auftreten, je nachdem, ob der Wert des Effektivstroms auch die Triggerschwelle IHSRn überschreitet oder nicht.

Fall 1: Überschreitung der Triggerschwelle IHSRn

Wenn in einem ersten Fall der Effektivstrom I_eff am Ausgang der Hilfsbetrie bestromrichter-Drehstrombrücke auch die Triggerschwelle IHSRn über schreitet, kann dies wiederum zu zwei alternativen Fällen a) und b) führen.

Fall 1a

In diesem Fall wird die Überlast im überlasteten Stromkreis durch einen Schutzschalter innerhalb einer Wartezeit TWAITKSH abgetrennt. Die entspre chende Schutzmassnahme ist somit ein Eingriff in die Effektivstrombegren zung durch eine Abtrennung des Kurzschlusses durch den Schutzschalter. Anschliessend wird die Hilfsbetriebestromrichter-Ausgangsspannung mit einer Rampe wieder auf den Sollwert hochgefahren. Aufgrund dieser Vorgehens weise ist ein unterbrechungsfreier Betrieb des Traktionsstromrichters TSR und des Hilfsbetriebestromrichters HSR mit kurzzeitigem Spannungseinbruch im Hilfsbetriebe-Netz mit einer Dauer von maximal 500 ms möglich.

Fall 1b

In diesem Fall erfolgt keine Abtrennung der Überlast im überlasteten Strom kreis durch den Schutzschalter während der Wartezeit TWAITKSH. Als Schutzmassnahme erfolgt daraufhin ein Eingriff in die Effektivstrombegren zung, indem durch Überschreitung der Anzahl von Ansprechen IHSRMAX im Zeitfenster TWAITKSH eine Ventilsperre des gesamten Hilfsbetriebestrom richters HSR verursacht wird. In diesem Fall kommt es daher als Folge zu ei ner Betriebsunterbrechung des Traktionsstromrichters TSR.

Fall 2: Keine Überschreitung der Triggerschwelle IHSRn

Wenn dahingegen in Fall 2 der Effektivstrom I_eff am Ausgang der Hilfsbetrie bestromrichter-Drehstrombrücke nicht die Triggerschwelle IHSRn erreicht, können ebenfalls zwei alternative Fälle a) und b) auftreten.

Fall 2a

In diesem Fall wird die Überlast im überlasteten Stromkreis durch den Schutzschalter innerhalb der Wartezeit TWAITOLH abgetrennt, so dass die Schutzmassnahme der Abtrennung des Kurzschlusses durch den Schutz schalter verwirklicht ist und ein unterbrechungsfreier Betrieb des Traktions stromrichters TSR und des Hilfsbetriebestromrichters HSR möglich ist.

Fall 2b

Die Überlast wird im überlasteten Stromkreis durch den Schutzschalter inner halb der Wartezeit TWAITOLH nicht abgetrennt, so dass als Schutzmass nahme nach Ablauf der Wartezeit TWAITOLH eine Ventilsperre des gesamten Hilfsbetriebestromrichters HSR verursacht wird, was zu einer Betriebsunter brechung des Traktionsstromrichters TSR führt.

Ein anderer Fall ergibt sich im Falle eines Kurzschlusses in einem Stromkreis des Hilfsbetriebe-Netzes, das zu einem Hilfsbetriebe-Netzeinbruch sowie ei nem Ausfall der Kühlmittelpumpe führt. Auch hier gibt es wiederum zwei ver schiedene Fälle, je nachdem, ob der Kurzschluss durch den Schutzschalter innerhalb der Wartezeit TWAITDR2 abgetrennt wird oder nicht. In Fig. 4 ist der Zeitverlauf des Pumpendrucks und des Effektivstroms für die Kurz schlussfälle Schutzschalter öffnet (Alternative 1) und Schutzschalter öffnet nicht (Alternative 2) gezeigt.

Fall 1: Schutzschalter öffnet

In diesem Fall wird der Kurschluss im kurzgeschlossenen Stromkreis durch den Schutzschalter innerhalb der Wartezeit TWAITDR2 abgetrennt. Dies be deutet zugleich als Schutzmassnahme einen Eingriff der Momentanstrombe grenzung und/oder Effektivstrombegrenzung durch die Abtrennung des Kurz schlusses durch den Schutzschalter. Daher wird die Hilfsbetriebestromrichter- Ausgangsspannung mit einer Rampe auf den Sollwert wieder hochgefahren. Auf diese Weise ist ein unterbrechungsfreier Betrieb des Traktionsstromrich ters TSR und des Hilfsbetriebestromrichters HSR mit kurzzeitigem Span nungseinbruch im Hilfsbetriebe-Netz mit einer maximalen Dauer von 500 ms möglich.

Fall 2: Schutzschalter öffnet nicht

Gemäss Fall 2 wird der Kurzschluss im überlasteten bzw. kurgeschlossenen Stromkreis durch den Schutzschalter während der Wartezeit TWAITDR2 nicht abgetrennt. Daher erfolgt als Schutzmassnahme ein Eingriff der Momentan strombegrenzung und/oder Effektivstrombegrenzung, wodurch entweder bei Überschreitung der Anzahl von Eingriffen THZVS im Zeitfenster t1 oder Über schreitung der Anzahl von Zeitfenstern ANZTt1 im Zeitfenster t2 oder Ablauf der Wartezeit TWAITDR2 eine Ventilsperre des gesamten Hilfsbetriebestrom richters HSR verursacht wird. Daher kommt es als Folge zu einer Betriebs unterbrechnung des Traktionsstromrichters TSR.

Zudem kann noch ein Fall auftreten, in dem es zu einem Kurzschluss im Stromkreis des Hilfsbetriebe-Netzes ohne angeschlossene Kühlmittelpumpe kommt, als dessen Folge ein Hilfsbetriebe-Netzeinbruch auftritt. Ebenfalls gibt es hier zwei alternative Fälle, nämlich den Fall, dass der Kurzschluss abge trennt wird, und den Fall, dass dies nicht erfolgt. In Fig. 5 ist der Zeitverlauf des Pumpendrucks und des Effektivstroms für die vorstehenden beiden Kurz schlussfälle Schutzschalter öffnet und Schutzschalter öffnet nicht dargestellt.

Fall 1: Schutzschalter öffnet

Wenn in diesem Fall der Kurzschluss im kurzgeschlossenen Stromkreis durch den Schutzschalter innerhalb der Wartezeit TWAITKSH abgetrennt wird, wird die Schutzmassnahme des Eingriffs der Momentanstrombegrenzung und/oder Effektivstrombegrenzung durch die Abtrennung des Kurzschlusses durch den Schutzschalter verwirklicht. Die Hilfsbetriebestromrichter-Ausgangsspannung wird mit einer Rampe auf den Sollwert wieder hochgefahren. Aufgrund dessen wird ein unterbrechnungsfreier Betrieb mit kurzzeitigem Spannungseinbruch im Hilfsbetriebe-Netz mit einer Dauer von maximal 500 ms realisiert.

Fall 2: Schutzschalter öffnet nicht

Im anderen Fall wird der Kurzschluss im kurzgeschlossenen Stromkreis durch den Schutzschalter während der Wartezeit TWAITKSH nicht abgetrennt. Die sich daraus ergebende Schutzmassnahme ist ein Eingriff der Momentan strombegrenzung und/oder Effektivstrombegrenzung, der bei Überschreitung der Anzahl von Eingriffen THZVS im Zeitfenster t1 oder Überschreitung der Anzahl von Zeitfenstern ANZTt1 im Zeitfenster t2 oder Überschreitung der Anzahl Ansprechen IHSRMAX im Zeitfenster TWAITKSH eine Ventilsperre des gesamten Hilfsbetriebestromrichters HSR verursacht. Somit kommt es als Folge zu einer Betriebsunterbrechung des Traktionsstromrichters TSR.

Somit lässt sich hinsichtlich des Verhaltens der erfindungsgemässen Einrich tung zum Stromrichter-Überlastschutz z. B. bei Kurzschlüssen im Hilfsbetrie benetz folgendes feststellen:

1. Kurzschlüsse im Bereich zwischen der Wechselstromseite der Hilfsbetrie bestromrichter-Drehstrombrücke und den Eingängen der Schutzschalter auf der Trafosekundärseite führen zu einer Stromrichter-Gesamtventilsperre SVS gefolgt von einer Betriebsunterbrechung des Traktionsstromrichters TSR und des Hilfsbetriebestromrichters HSR.
2. Kurzschlüsse im Niederspannungsbereich des Hilfsbetriebe-Netzes nach den Schutzschaltern haben hingegen für den Fall, dass die Schutzschalter ansprechen, nur einen transienten Einbruch der Spannung im Hilfsbetriebe- Netz zur Folge. Falls die Schutzschalter nicht ansprechen, kommt es zu einer Betriebsunterbrechung des Traktionsstromrichters TSR und des Hilfsbetriebe stromrichters HSR.

Auf diese Weise können auch im Falle eines Ausfalls der Schutzschalter Schäden an den Stromrichtern zuverlässig verhindert werden.

Zusammenfassend offenbart die vorliegende Erfindung eine Einrichtung zum Stromrichter-Überlastschutz, durch die zuverlässig, auch bei fehlerhaftem Nichtansprechen von Schutzschaltern Beschädigungen an den Stromrichtern vermieden werden können, indem innerhalb kürzester Zeit ein überlasteter bzw. kurzgeschlossener Stromkreis abgetrennt wird. Dazu umfasst die Ein richtung eine Einrichtung zum Momentanstrombegrenzung 1, eine Einrichtung zur Effektivstrombegrenzung sowie eine Einrichtung zur Zeitbegrenzung. Die Einrichtung zur Momentanstrombegrenzung 1 leitet bei Überschreiten eines aus einer Mehrzahl von Schwellenwerten durch den Zweigpaar-Wechselstrom eine Stromrichter-Ventilsperre ein, in der an Stelle nur eines Zweigpaares sämtliche Zweigpaare gesperrt werden. Die Einrichtung zur Effektivstrombe grenzung 2 ermittelt Schwellenwertüberschreitungen des aus dem Phasen strom ermittelten Effektivwerts am Ausgang des Hilfsbetriebestromrichters und veranlasst ansprechend darauf eine Reduzierung der Aussteuerung des Stromrichters. Die Einrichtung zur Zeitbegrenzung stellt sicher, dass ein Stromrichter-Überlastbetrieb nur für eine begrenzte Zeit aufrecht erhalten wird. Wenn während einer bestimmten Zeit keine Trennung eines überlaste ten oder kurzgeschlossenen Stromkreises erfolgt, wird ansprechend auf ein Ausgangssignal der Einrichtung zur Zeitbegrenzung der Stromrichter gesperrt.

Claims

1. Einrichtung zum Stromrichter-Überlastschutz für einen Stromrichter mit mehreren Zweigpaaren (4), mit:
einer Einrichtung zur Momentanstrombegrenzung (1), wobei die Einrichtung zur Momentanstrombegrenzung (1)

a) ansprechend auf ein Überschreiten eines Strom-Schwellenwertes (THZVS) für eine Zweigpaar-Ventilsperre eine Steuereinrichtung (5) zur Durchführung einer Zweigpaar-Ventilsperre veranlasst sowie nach Unter schreitung des Strom-Schwellenwertes (THZVS) die Steuereinrichtung (5) zu einer Wieder-Freigabe des zuvor gesperrten Zweigpaares (4) veran lasst,
b) ansprechend auf eine Überschreitung eines Schwellenwerts (ANZTHZVS) einer Anzahl von Strom-Schwellenwertüberschreitungen in einem vorbestimmten Zeitraum (t1) und/oder eine Überschreitung eines Schwellenwerts (ANZTt1) einer Anzahl von Wiederholungen des vorbe stimmten Zeitraums (t1) die Steuereinrichtung zur Durchführung einer Stromrichter-Ventilsperre (SVS) veranlasst.

2. Einrichtung zum Stromrichter-Überlastschutz nach Anspruch 1, wobei die Einrichtung zur Momentanstrombegrenzung (1) einen Komparator (11) umfasst, der, nachdem ein Zweigpaar-Wechselstrom den Strom- Schwellenwert (THZVS) für eine Zweigpaar-Ventilsperre (ZVS) über schritten hat, die Steuereinrichtung (5) zur Zweigpaar-Ventilsperre veran lasst und ansprechend auf eine nachfolgende Unterschreitung des Strom schwellenwerts (THZVS) die Steuereinrichtung veranlasst, die Taktung dieses Zweipaars (4) wieder freizugeben.

3. Einrichtung zum Stromrichter-Überlastschutz nach Anspruch 1 oder 2, wo bei die Einrichtung zur Momentanstrombegrenzung (1) einen Zweipunkt- Regler mit einer unterlagerten Überwachung der Anzahl von Eingriffen dieses Zweipunktreglers umfasst, der selektiv auf den Schaltzustand jedes Zweigpaares (4) wirkt.

4. Einrichtung zum Stromrichter-Überlastschutz nach Anspruch 3, wobei zur Überwachung der Anzahl von Eingriffen des Zweipunktreglers zwei Zeitfenster (t1, t2) ausgebildet sind, von denen in dem ersten Fenster (t1) die Anzahl von Eingriffen des Strom-Schwellenwerts (THZVS) und im zweiten Fenster (t2) die Anzahl von Wiederholungen des ersten Zeitfen sters (t1) gezählt werden.

5. Einrichtung zum Stromrichter-Überlastschutz nach Anspruch 4, wobei als Zeitfenster zwei nicht retriggerbare Monoflops (12, 13) mit den Zeiten (t1) und (t2) entsprechend der Grösse des ersten bzw. zweiten Fensters aus gebildet sind.

6. Einrichtung zum Stromrichter-Überlastschutz für einen Stromrichter mit mehreren Zweigpaaren (4), mit:
einer Einrichtung zur Effektivstrombegrenzung (2), wobei
die Einrichtung zur Effektivstrombegrenzung (2) ansprechend auf ein Ver gleichsergebnis einer maximal zulässigen Anzahl von Zyklen eines vorbe stimmten Effektivwerts des Phasenstroms und einer aktuellen Anzahl von Zyklen bei Überschreitung der maximal zulässigen Anzahl von Zyklen die Steuereinrichtung (5) zur Reduktion einer Aussteuerung veranlasst.

7. Einrichtung zum Stromrichter-Überlastschutz nach Anspruch 6, wobei die Einrichtung zur Effektivstrombegrenzung (2) eine Messeinrichtung zur Abtastung des Phasenstroms sowie zur Speicherung dieser Abtastwerte sowie eine Verarbeitungseinrichtung zur Berechnung eines Effektivwerts aus den gespeicherten Abtastwerten und zum Vergleich einer maximal zulässigen Anzahl von Zyklen eines bestimmten Effektivwerts mit der ak tuellen Anzahl von Zyklen des bestimmten Effektivwerts umfasst.

8. Einrichtung zum Stromrichter-Überlastschutz nach Anspruch 7, wobei die Messeinrichtung eine Abtasteinrichtung (21) zur Abtastung des Pha senstroms und Ausgabe von Phasenwerten und eine Mess- Speichereinrichtung (22) zur Speicherung der aus der Abtasteinrichtung ausgegebenen Phasenwerte umfasst.

9. Einrichtung zum Stromrichter-Überlastschutz nach Anspruch 7 oder 8, wo bei die Verarbeitungseinrichtung eine Einrichtung zur Berechnung eines Ef fektivwerts, einen Komparator (28) zum Vergleich einer maximal zulässi gen Anzahl von Zyklen mit der durch einen Zykluszähler (27) ansprechend auf einen Zyklustakt bestimmten aktuellen Anzahl von Zyklen des be stimmten Effektivwerts, wobei maximal zulässige Anzahl von Zyklen mit tels einer Schutzkennlinie (26) aus dem berechneten Effektivwert bestimmt wird, und zur Ausgabe eines Signals zur Reduktion der Aussteuerung, wenn die maximal zulässige Anzahl von Zyklen überschritten ist.

10. Einrichtung zum Stromrichter-Überlastschutz nach einem der Ansprüche 6 bis 9, weiterhin mit
einer Einrichtung zur Zeitbegrenzung, wobei
die Einrichtung zur Zeitbegrenzung ansprechend auf eine fortwährende Überschreitung eines maximalen Effektivwerts des Stroms (IHSRMAX) während eines vorbestimmten Zeitraums (TWAITOLH) und/oder eine fort währende Unterschreitung eines minimalen Druckwerts (KDR2) in einem Kühlmittelkreislauf während eines vorbestimmten Zeitraums (TWAITDR2) und/oder eine Überschreitung einer maximal zulässigen Anzahl von An sprechen des maximalen Effektivwerts des Stroms (IHSRMAX) während eines vorbestimmten Zeitraums (TWAITKSH) und/oder eine fortwährende Überschreitung eines anderen Schwellenwerts während eines vorbe stimmten Zeitraums, die auftreten, wenn ein Schutzschalter nicht ange sprochen hat, die Steuereinrichtung (5) zur Durchführung einer Strom richter-Ventilsperre (SVS) veranlasst.

11. Einrichtung zum Stromrichter-Überlastschutz mit einer Einrichtung zum Stromrichter-Überlastschutz nach einem der Ansprüche 1 bis 5 sowie ei ner Einrichtung zum Stromrichter-Überlastschutz nach einem der Ansprü che 6 bis 10.

12. Verfahren zum Stromrichter-Überlastschutz für einen Stromrichter mit mehreren Zweigpaaren (4), mit den Schritten:
zur Momentanstrombegrenzung:

a) ansprechend auf ein Überschreiten eines Strom-Schwellenwertes (THZVS) für eine Zweigpaar-Ventilsperre Veranlassen einer Steuerein richtung (5) zur Durchführung einer Zweigpaar-Ventilsperre sowie nach Unterschreitung des Strom-Schwellenwertes (THZVS) Veranlassen der Steuereinrichtung (5) zu einer Wieder-Freigabe des zuvor gesperrten Zweigpaares (4),
b) ansprechend auf eine Überschreitung eines Schwellenwerts (ANZTHZVS) einer Anzahl von Strom-Schwellenwertüberschreitungen in einem vorbestimmten Zeitraum (t1) und/oder eine Überschreitung eines Schwellenwerts (ANZTt1) einer Anzahl von Wiederholungen des vorbe stimmten Zeitraums (t1) Veranlassen der Steuereinrichtung zur Durchfüh rung einer Stromrichter-Ventilsperre (SVS).

13. Verfahren zum Stromrichter-Überlastschutz für einen Stromrichter mit mehreren Zweigpaaren (4), mit den Schritten:
zur Effektivstrombegrenzung:
ansprechend auf ein Vergleichsergebnis einer maximal zulässigen Anzahl von Zyklen eines vorbestimmten Effektivwerts des Phasenstroms und ei ner aktuellen Anzahl von Zyklen bei Überschreitung der maximal zulässi gen Anzahl von Zyklen Veranlassen einer Steuereinrichtung (5) zur Re duktion einer Aussteuerung.

14. Verfahren zum Stromrichter-Überlastschutz nach Anspruch 13, mit den weiteren Schritten:
zur Zeitbegrenzung:
ansprechend auf eine fortwährende Überschreitung eines maximalen Ef fektivwerts des Stroms (IHSRMAX) während eines vorbestimmten Zeit raums (TWAITOLH) und/oder eine fortwährende Unterschreitung eines minimalen Druckwerts (KDR2) in einem Kühlmittelkreislauf während eines vorbestimmten Zeitraums (TWAITDR2) und/oder eine Überschreitung ei ner maximal zulässigen Anzahl von Ansprechen des maximalen Effekti vwerts des Stroms (IHSRMAX) während eines vorbestimmten Zeitraums (TWAITKSH) und/oder eine fortwährende Überschreitung eines anderen Schwellenwerts während eines vorbestimmten Zeitraums, die auftreten, wenn ein Schutzschalter nicht angesprochen hat, Veranlassen der Steuer einrichtung (5) zur Durchführung einer Stromrichter-Ventilsperre (SVS).

15. Verfahren zum Stromrichter-Überlastschutz mit einem Verfahren nach An spruch 12 sowie einem Verfahren nach Anspruch 13 oder 14.