DE202004021079U1 - Übertragen von elektrischer Leistung zu einem Stromverbraucher - Google Patents

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Abstract

Anordnung (1) zum Übertragen von elektrischer Leistung von einer Leistungsquelle zu einem elektrischen Stromverbraucher (5), insbesondere zu einem Antriebsmotor eines Schienenfahrzeugs, wobei die Anordnung aufweist:
– eine Eingangsseite zum Verbinden der Anordnung mit der Leistungsquelle,
– einen Gleichstrom-Zwischenkreis (9), wobei der Zwischenkreis (9) eine erste (13) und eine zweite (15) Gleichstrom-Verbindungsleitung aufweist, wobei zumindest eine der ersten und zweiten Gleichstrom-Verbindungsleitung mit der Eingangsseite verbunden ist, und
– einen Stromrichter (11) zum Umrichten eines Gleichstroms und zum Liefern einer Wechselstrom-Leistung zu dem Leistungsverbraucher (5), wobei der Stromrichter mit der ersten (13) und der zweiten (15) Gleichstrom-Verbindungsleitung verbunden ist,
wobei zumindest ein Kondensator (17 bis 20) in dem Zwischenkreis (9) vorgesehen ist, wobei der Kondensator zwei entgegen gesetzte Pole aufweist, wobei ein erster Pol mit der ersten Gleichstrom-Verbindungsleitung (13) verbunden ist und wobei der zweite Pol mit der zweiten Gleichstrom-Verbindungsleitung (15) verbunden ist, wobei zumindest eine Sicherung...

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zum Übertragen von elektrischer Leistung von einer Leistungsquelle zu einem elektrischen Stromverbraucher, insbesondere zu einem Antriebsmotor eines Schienenfahrzeugs.
  • Die Anordnung weist eine Eingangsseite zum Verbinden der Anordnung mit der Leistungsquelle (insbesondere mit einem Eingangsstrom-Gleichrichter zum Gleichrichten eines Wechselstroms aus einer Leistungsquelle), einen Gleichstrom-Zwischenkreis, wobei der Zwischenkreis eine erste und eine zweite Gleichstrom-Verbindungsleitung aufweist, wobei zumindest eine der ersten und zweiten Gleichstrom-Verbindungsleitungen mit der Eingangsseite verbunden ist, und einen Stromrichter zum Umrichten eines Gleichstroms und zum Liefern einer Wechselstrom-Leistung zu dem Leistungsverbraucher auf. Der Stromrichter ist mit der ersten und der zweiten Gleichstrom-Verbindungsleitung verbunden. Zumindest ein Kondensator ist in dem Zwischenkreis vorgesehen. Der Kondensator hat zwei entgegen gesetzte Pole, wobei ein erster Pol mit der ersten Gleichstrom-Verbindungsleitung und wobei der zweite Pol mit der zweiten Gleichstrom-Verbindungsleitung verbunden ist.
  • Der Begriff „Leistungsquelle" umfasst alle elektrischen Vorrichtungen oder Netze, die dazu geeignet sind, elektrischen Strom zu liefern. Insbesondere können Mittel zur Verbindung der Anordnung mit einem Stromnetz, beispielsweise mit einem Wechselstromnetz, vorgesehen sein. Die Mittel werden mit der Eingangsseite der Anordnung, insbesondere mit einer Wechselstromseite des Eingangsstrom-Gleichrichters, verbunden.
  • Insbesondere dann, wenn der Stromverbraucher ein Hochleistungsverbraucher, wie zum Beispiel ein Antriebsmotor eines Schienenfahrzeugs, ist, ist die im Kondensator gespeicherte elektrische Energie hoch. Bei einem Fehler in der Anordnung (oder in der Anordnung einschließlich irgendwelcher elektrisch verbundenen Teile) kann es zu einer sofortigen und schnellen Entladung des Kondensators und infolge dessen zu mechanischen Schäden kommen. Der Begriff „Fehler" beinhaltet interne Kurzschlüsse in der Anordnung und externe Kurzschlüsse an elektrisch angeschlossenen Teilen. Insbesondere kann ein Halbleiterelementenpaar des Stromrichters defekt werden. Die beiden Halbleiter des Paares sind untereinander in Reihe geschaltet und bilden eine Verbindung zwischen der ersten und der zweiten Gleichstrom-Verbindungsleitung. Normalerweise führt jeweils nur einer der beiden Halbleiter Strom von der Leistungsquelle zum Stromverbraucher. Bei einem Fehler sind beide Halbleiterelemente gleichzeitig leitend, so dass das Paar einen Kurzschluss bildet. Obwohl ein derartiger Fehler selten ist, ist es erforderlich, die Anordnung vor Schäden zu schützen, da die Möglichkeit einer erheblichen Zerstörung besteht.
  • Es wurde vorgeschlagen, eine Vorrichtung bereitzustellen, die dafür geeignet ist, den Strom bei einer derartigen unmittelbaren Entladung zu begrenzen. Die Kosten einer derartigen Vorrichtung sind jedoch hoch. Ferner führt der elektrische Widerstand einer derartigen Vorrichtung zu erheblichen elektrischen Verlusten. Daher ist es bei Schienen-Antriebs-Fahrzeugen üblich, die Vorrichtung durch im Zwangsumlauf zirkulierende Kühlflüssigkeit aktiv zu kühlen. Daraus folgen ein erhöhter Platzbedarf und ein Ansteigen der Kosten.
  • Ferner wurde vorgeschlagen, bei Auftreten des Fehlers eine elektrische Leitung des Zwischenkreises unter Verwendung eines elektronischen Ventils zu unterbrechen. Bislang jedoch sind praktische Versuche, eine entsprechende Vorrichtung zu realisieren, an den ungenügenden Schalteigenschaften des elektronischen Ventils auf dem Gebiet der Hochleistungsübertragungsanordnungen gescheitert.
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Anordnung der eingangs genannten Art bereitzustellen, welche mechanische Schäden im Falle eines Fehlers verhindert. Die Kosten zum Anpassen der Anordnung und/oder die zusätzlichen Kosten zur Bereitstellung von beliebigen Mitteln zum Schutz gegen Schäden sollten gering sein. Vorzugsweise sollten auch die elektrischen Verluste der Anordnung gering sein.
  • Es wird vorgeschlagen, zumindest eine Sicherung vorzusehen, die in Reihe zu dem Kondensator oder zu zumindest einem der Kondensatoren geschaltet ist, so dass sie die erste und die zweite Gleichstrom-Verbindungsleitung über den Kondensator verbindet.
  • Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Sicherung ausgestaltet und/oder ausgewählt ist zu schmelzen oder durchzubrennen und dadurch die Verbindung zwischen dem Kondensator und zumindest einer der Gleichstrom-Verbindungsleitungen zu unterbrechen, wenn das Zeitintegral des Quadrats eines Stroms, der von zumindest einem Teil der Verbindung geführt wird, einen Grenzwert überschreitet. Ferner entspricht der Grenzwert vorzugsweise einem Strom, der nur dann auftritt, wenn aufgrund eines elektrischen Kurzschlusses in der Anordnung oder in der Anordnung einschließlich irgendwelcher elektrisch verbundenen Teile der Kondensator sofort entladen wird.
  • Insbesondere ist die Anordnung so ausgestaltet, dass elektrische Leistung von einem Stromnetz zu einem Antriebsmotor eines Schienenfahrzeugs übertragbar ist, wobei Mittel zum Verbinden der Anordnung mit dem Stromnetz vorgesehen sind und wobei die Mittel mit der Eingangsseite der Anordnung verbunden sind.
  • Die beschriebene Art, die Sicherung zu verwenden (durch Verbinden der ersten und zweiten Gleichstrom-Verbindungsleitung über den Kondensator), hat den Vorteil, dass die Anordnung (einschließlich aller anderen Teile bzw. Elemente im Zwischenkreis) und beliebige elektrisch mit der Anordnung verbundene Mittel oder Vorrichtungen geschützt sind. Ferner weist eine Sicherung üblicherweise einen sehr kleinen elektrischen Widerstand auf. Daher sind die elektrischen Verluste im Betrieb der Anordnung gering. Ferner, da die Lade- und Entladeströme in und aus dem Kondensator üblicherweise viel geringer sind als der in den Gleichstrom-Verbindungsleitungen geführte Strom, kann der Grenzwert der Sicherung so ausgewählt werden, dass er Strömen entspricht, die weit höher sind als die typischen Lade- und Entladeströme. Aufgrund eines geringeren Gleichstromwiderstands der Sicherung erfolgt daraus eine weitere Reduzierung der elektrischen Verluste.
  • Im Vergleich zu der oben beschriebenen Vorrichtung, die den Strom zum und aus dem Kondensator begrenzt, kann ein Kühlkreislauf vermieden werden. Der Platzbedarf ist somit geringer und die Anordnung leichter zugänglich.
  • Bei mehreren parallel zueinander im Zwischenkreis angeordneten Kondensatoren werden vorzugsweise mindestens zwei Sicherungen vorgesehen, wobei jede dieser Sicherungen die Lade- und Entladeströme von jeweils nur einem der Kondensatoren führt. In diesem Falle sind die durch die Sicherungen verursachten elektrischen Verluste noch geringer. Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung ist, dass bei einem internen Fehler des einen Kondensators der andere Kondensator, bzw. die anderen Kondensatoren geschützt ist bzw. sind.
  • Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Die einzige Figur der Zeichnung, 1, zeigt schematisch
    eine Anordnung mit vier Kondensatoren, die in dem Zwischenkreis parallel zueinander geschaltet sind.
  • Die Anordnung 1 in 1 umfasst einen Wechselstrom zu Gleichstrom umwandelnden Gleichrichter 7, dessen Gleichstromseite mit Mitteln 3 zum Verbinden der Anordnung 1 mit einem Einphasen-Wechselstromnetz für Schienenwege verbunden ist. Die Mittel 3 können einen Pantographen umfassen. Ferner umfasst die Anordnung 1 einen Zwischenkreis 9 mit zwei Gleichstrom-Verbindungsleitungen 13, 15. Diese Leitungen 13, 15 verbinden eine Gleichstromseite des Gleichrichters 7 mit einem Gleichstrom-Wechselstrom Stromrichter 11.
  • Vier Kondensatoren 17 bis 20 sind parallel zueinander geschaltet. Jeder Kondensator ist mit einer Sicherung 21 bis 24 in Reihe geschaltet, so dass jede Reihe die Gleichstrom-Verbindungsleitungen 13, 15 verbindet.
  • Der Stromrichter 11 kann nach dem Stand der Technik gebaut werden. Er umfasst zum Beispiel sechs elektronische Schalter (von denen der eine mit dem Bezugszeichen 32 angegeben ist). Eine Diode 30 ist antiparallel zu jeder der sechs elektronischen Schalter-32-Kombinationen geschaltet. Jeweils zwei der elektronischen Schalter 32 sind in Reihe geschaltet und die Reihenschaltung ist zu beiden Seiten mit einer der Gleichstrom-Verbindungsleitungen 13, 15 verbunden. Ferner ist jede der drei Reihenschaltungen mit einer Phase eines dreiphasigen Antriebsmotors 5 eines Schienenfahrzeugs verbunden. Die elektronischen Schalter 32 werden von einer – in 1 nicht dargestellten – zusätzlichen Vorrichtung gesteuert.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Sicherungen 21 bis 24 Halbleitersicherungen, d.h. Sicherungen, die dafür ausgelegt sind, ein Leistungshalbleiterelement vor Beschädigung aufgrund von elektrischer Überlast zu schützen. Halbleitersicherungen – welche manchmal auch „Gleichrichtersicherungen" bzw. „ultraschnelle Sicherungen" genannt werden – weisen bei Überlast eine sehr kurze Abschaltzeit auf. Somit wird die elektrische Verbindung unterbrochen, bevor der Strom sein Maximum erreichen konnte. Ferner können für Hochleistungsanwendungen ausgelegte Halbleitersicherungen bei hohen Umgebungstemperaturen (z.B. von 50 °C und darüber), wie sie üblicherweise infolge von Dissipation elektrischer Energie auftreten, Schaltkreiselemente zuverlässig schützen.
  • In der erfindungsgemäßen Anordnung werden jedoch die Sicherungen nicht primär zum Schutz der Halbleiterelemente verwendet. Sie dienen vielmehr dazu, die Anordnung zu schützen, wenn – zum Beispiel – Halbleiterelemente bereits defekt sind und einen Kurzschluss verursachen.
  • Zum Beispiel weisen die Sicherungen 21 bis 24 einen I2t-Wert (Abschaltzeitintegral des Quadrats des von der Sicherung geführten Stroms) im Bereich von 40 bis 80 kA2s, insbesondere von 50 bis 70 kA2s bei einer mittleren Zwischenkreisspannung im Bereich von 2,7 bis 3,3 kV, insbesondere von 2,9 bis 3,1 kV, auf. Eine derartige Sicherung reagiert extrem schnell auf eine Kurzschlusssituation, in der ein Kondensator mit einer Spannung von typischerweise bis zu 2,8 kV geladen sein kann.
  • Vorzugsweise werden Sicherungen 21 bis 24 eines Typs verwendet, der dafür ausgelegt ist, bei einer Kurzschlussspannung im Bereich von 1,8 kV bis 2,2 kV abzuschalten. Obwohl eine höhere Kondensatorspannung auftreten kann (siehe das Beispiel des vorangegangenen Absatzes mit Zwischenkreisspannungen von mehr als 2,7 kV), ist dies ausreichend, da die normalen Lade- und Entladeströme sowie die Spannung an der Sicherung im Normalbetrieb im Vergleich zur Kurzschlusssituation wesentlich geringer sind. Dies ermöglicht die Verwendung von kleineren und preiswerteren Sicherungen und es können daher sowohl Platz als auch Investitionskosten eingespart werden.
  • Die Kapazität eines jeden Kondensators liegt beispielsweise im Bereich von 2 bis 2,4 mF, insbesondere von 2,1 bis 2,3 mF.
  • Um die gute Zugänglichkeit der Kondensatoren zu gewährleisten, könnten die Sicherungen 21 bis 24 unterhalb der Kondensatoren angeordnet werden, wobei die anderen Bauelemente des Zwischenkreises ebenfalls unterhalb der Kondensatoren angeordnet sind. Daher sind elektrische Verbindungen zwischen den jeweiligen Sicherungen 21 bis 24 und dem jeweiligen Kondensator erforderlich. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Gesamtinduktivität der jeweiligen Sicherungen 21 bis 24 einschließlich der jeweiligen elektrischen Verbindung zwischen der Sicherung 21 bis 24 und dem Kondensator geringer als 100 nH, insbesondere geringer als 85 nH, um so die negativen Auswirkungen der Störinduktivität zu begrenzen.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Sicherungen 21 bis 24 mit mindestens zwei Wärmeableitvorrichtungen zur Ableitung der Wärme an die Umgebungsluft durch natürliche Konvektion versehen. Die Ableitvorrichtungen befinden sich an einander entgegen gesetzten Enden der Sicherung 21 bis 24, insbesondere an Enden, die die elektrischen Kontakte der Sicherung umfassen. Selbst in Hochleistungsanwendungen wie in Schienen-Triebfahrzeugen ist die Ableitleistung derartiger Ableitvorrichtungen – im Bereich von 40 bis 90 W – ausreichend. Es besteht kein Bedarf an einer Flüssigkeitskühlung. Die Ableitvorrichtungen können mehrere Rippen umfassen und aus einem Metallblock gebildet sein. Der Gleichstromwiderstand der jeweiligen Sicherungen ist vorzugsweise geringer als 1,1 mΩ, insbesondere geringer als 0,6 mΩ.
  • Die Anordnung 1, insbesondere der Zwischenkreis 9, kann mehr Elemente und/oder Teile als die in 1 gezeigten, so z.B. eine Induktivität in einer der Gleichstrom-Verbindungsleitungen 13, 15, umfassen.
  • Nach einer alternativen Anordnung ist der Zwischenkreis 9 mit einem Gleichstromnetz verbunden. In diesem Fall ist der Stromrichter 7 nicht erforderlich und es wird darauf verzichtet. Zum Beispiel wird die Gleichstrom-Verbindungsleitung 13, insbesondere über eine Induktivität, mit dem Mittel 3 verbunden. Die Gleichstrom-Verbindungsleitung 15 kann mit dem Massepotential verbunden sein.
  • Manche der Eisenbahn-Stromnetze werden mit Wechselstrom mit der geringen Frequenz von 16 2/3 Hz betrieben. Daher ist das Verhältnis der in den Kondensatoren 17 bis 20 gespeicherten Energie zur Nominalleistung des Gleichrichters 9 und des Stromrichters 11 besonders hoch. Bei einem Fehler sind besonders hohe Entladeströme aus den Kondensatoren 17 bis 20 zu erwarten. Das Konzept der Sicherung 21 bis 24, die direkt mit dem Kondensator 17 bis 20 in Reihe geschaltet ist, spielt eine wichtige Rolle beim Schutz gegen Fehler. Sonst besteht die Gefahr, dass der Zwischenkreis 9 schwer beschädigt wird.
  • Im Vergleich zur Vorrichtung nach dem Stand der Technik, die dafür geeignet ist, bei unmittelbarer Entladung eines Kondensators den Strom zu begrenzen, können die aufgrund des Gleichstromwiderstands der Vorrichtung entstehenden elektrischen Verluste auf etwa 5 %, d.h. um einen Faktor 20, reduziert werden.

Claims (6)

  1. Anordnung (1) zum Übertragen von elektrischer Leistung von einer Leistungsquelle zu einem elektrischen Stromverbraucher (5), insbesondere zu einem Antriebsmotor eines Schienenfahrzeugs, wobei die Anordnung aufweist: – eine Eingangsseite zum Verbinden der Anordnung mit der Leistungsquelle, – einen Gleichstrom-Zwischenkreis (9), wobei der Zwischenkreis (9) eine erste (13) und eine zweite (15) Gleichstrom-Verbindungsleitung aufweist, wobei zumindest eine der ersten und zweiten Gleichstrom-Verbindungsleitung mit der Eingangsseite verbunden ist, und – einen Stromrichter (11) zum Umrichten eines Gleichstroms und zum Liefern einer Wechselstrom-Leistung zu dem Leistungsverbraucher (5), wobei der Stromrichter mit der ersten (13) und der zweiten (15) Gleichstrom-Verbindungsleitung verbunden ist, wobei zumindest ein Kondensator (17 bis 20) in dem Zwischenkreis (9) vorgesehen ist, wobei der Kondensator zwei entgegen gesetzte Pole aufweist, wobei ein erster Pol mit der ersten Gleichstrom-Verbindungsleitung (13) verbunden ist und wobei der zweite Pol mit der zweiten Gleichstrom-Verbindungsleitung (15) verbunden ist, wobei zumindest eine Sicherung (21 bis 24), die in Reihe zu dem Kondensator oder zu zumindest einem der Kondensatoren (17 bis 20) geschaltet ist, so dass sie die erste (13) und zweite (15) Gleichstrom-Verbindungsleitung über den Kondensator (17 bis 20) verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Sicherung (21 bis 24) eine Halbleitersicherung ist.
  2. Anordnung nach Anspruch 1, wobei die Sicherung (21 bis 24) ausgestaltet und/oder ausgewählt ist zu schmelzen oder durchzubrennen und dadurch die Verbindung zwischen dem Kondensator (17 bis 20) und zumindest einer der Gleichstrom-Verbindungsleitungen (13, 15) zu unterbrechen, wenn das Zeitintegral des Quadrats eines Stroms, der von zumindest einem Teil der Verbindung geführt wird, einen Grenzwert überschreitet.
  3. Anordnung nach Anspruch 2, wobei der Grenzwert einem Strom entspricht, der nur in dem Fall einer sofortigen Entladung des Kondensators (17 bis 20) infolge eines elektrischen Kurzschlusses in der Anordnung oder in der Anordnung einschließlich irgendwelcher elektrisch verbundener Teile auftreten kann.
  4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Eingangsseite der Anordnung einen Eingangsstrom-Gleichrichter (7) aufweist, zum Verbinden der Anordnung mit der Leistungsquelle und zum Gleichrichten eines Wechselstroms aus der Leistungsquelle und wobei die erste und die zweite Gleichstrom-Verbindungsleitung mit dem Eingangsstrom-Gleichrichter (7) verbunden sind.
  5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Anordnung der Übertragung der elektrischen Leistung von einem Leistungsnetz zu einem Antriebsmotor (5) eines Schienenfahrzeugs dient.
  6. Anordnung nach Anspruch 5, wobei Mittel (3), insbesondere ein Pantograph, zum Verbinden der Eingangsseite der Anordnung mit dem Leistungsnetz vorgesehen sind und wobei zumindest eine der ersten und zweiten Gleichstrom-Verbindungsleitung mit den Mitteln (3) verbunden ist.
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