DE2261623B2 - Statischer Mehrsystemumformer - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen statischen Mehrsystemumformer zum Anschluß an unterschiedliche Stromarten und Spannungen, insbesondere zum Anschluß an die bei grenzüberschreitendem Betrieb von Bahnfahrzeugen vorkommenden Zugversorgungsspannungen 3 kV Gleichspannung, 1,5 kV Wechselspannung Hz und 1 kV Wechselspannung 16²/3 Hz, bestehend aus einem Eingangsteil mit einem Gleichrichter und nachgeschaltetem Filterteil, einem als Stellglied wirkenden Halbleiterschalter mit Ausgangstransformator und nachgeschaltetem Gleichrichter und einem mit Glättungsmitteln versehenen Ausgangsteil, bei dem sämtliche Versorgungsspannungen über den Eingangsteil mit Gleichrichter und Filterteil an den Halbleiterschalter geführt sind.

Bekanntlich gibt es innerhalb der Eisenbahnnetze der europäischen Bahnverwaltungen unterschiedliche Systeme mit differenten Stromarten und Spannungen. Sie betragen im wesentlichen 3000 V Gleichspannung, 1500V Gleichspannung, 25kV~50Hz und kV~ I6²/j Hz. Von der Fahrleitung wird unter anderem auch die durch die Züge hindurchgehende Hauptspeiseleilung oder Zugsammeischiene versorgt, die für die zentrale Energieversorgung der Züge, insbesondere der Reisezugwagen, von Bedeutung ist. Die ai der Zugsammeischiene herrschenden Versorgungsnennspannungen können 3 kV Gleichspannung. 1,5 kV Gleichspannung, 1.5 kV -50 Hz und 1kV~l6'/)Hz Wcchselspannun ■ hutragen. Von den

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möglichen Versorgungsspannungen an der Zugsammelschiene mit der Stufung 6 :3 ; 2 werden die Elektroenergieverbraucher der Reisezugwagen, unter anderem elektrische Heizung, Hilfsbetriebe, Beleuchtung und Batterieladung entsprechend umgeformt oder abgespannt betrieben. Beleuchtung und Steuerung werden netzunabhängig von Batterien versorgt, die von Umformern gelaaen werden müssen und von der Versorgungsspannung betrieben werden. Schvierigkeiten bereitet die Batterieaufladung im grenzüberschreitenden Verkehr durch die Systemunterschiede und ihre oft erheblichen zulässigen Netzspannungsschwankungen.

Es ist bereits bekannt, eine Batterie durch ein Ladegerät aufzuladen, welches bei anstehender Wechselspannung über Transformatoren versorgt wird, während bei anstehender Gleichspannung ein anderes Ladegerät durch Drehspannung versorgt wird, die ein vorgeschalteter rotierender Gleichstrom-Drehstrom-Umformer liefert (»BBC-Nachrichten«, Mai/Juni 1971).

Statische Energieumformer enthalten keine rotierenden und daher störanfälligen Teile und sind daher vorzuziehen. Es ist bereits ein statisches Energieversorgungssystem für Bahnbetrieb mit möglicher Vierspannungseinspeisung bekanntgeworden, bei der u. a. auch eine Batterieladung erfolgt (»Glasers Annalen« 92 (1968), Nr. 2, Febr., Seite 56, Bild 2, oder »Deutsche Eisenbahntechnik« 20 (1972), Heft 8, Seite 371, Bild 5). Bei diesem statischen Umformer wird nach anliegender Stromart unterschieden. Bei 3 kV Gleichspannung werden zwei Wechselrichtereinhciten in Reihe oder bei 1500 V Gleichspannung parallelgeschahet. Sie arbeiten auf verschiedenen Primärwicklungen eines gemeinsamen Ausgangstransformators. Die Batterieladung erfolgt über einen Ladegleichrichter. Bei anliegender Wechselspannung wird der Wechselrichter übergangen und direkt hinuntertransformiert, wozu die Primärwicklung des Ausgangstransformators Anzapfungen aufweist für 1500 V- oder 1000 V Anschluß. Derartige statische Umrichter haben sich bewährt, sie sind jedoch recht umfangreich im Aufbau, insbesondere wegen des für 16²A Hz auszulegenden Transormators.

Aus der Zeitschrift »Deutsche Eisenbahntechnik« 20 (1972), 9, Seite 411, insbesondere Bild 2b, ist ein anderes italisches Energiewandlungssystem mit Stelleingriff auf der Oberspannungsseite bekanntgeworden. Hierbei wird über einen Gleichrichter mit nachgesx-hjltetem Filterteil ein als Wechselrichter arbeitender Halbleiterschalter gespeist, der auf einen Ausgangsübertrager mit Gleichrichter arbeitet und über einen Ausgangsteil mit Glättungsmitteln eine Batterie lädt. Der Wechselrichter pestattet den Stelleingriff auf der Oberspannungsseite, auf der Unterspannungsseite erfolgt eine ungeregelte Gleichrichtung. Sämtliche Versorgungsspannungen werden dabei über den Eingangsteil mit Gleichrichter und Filterteil an den Halbleiterschalter geführt. Eine derartige Ausführung bietet den zusätzlichen Vorteil, mit einem kleinen, für Wechselrichterfrequenzen ausgelegten Ausgangstransformator auszukommen.

Von einem solchen statischen Umformersystem geht die Erfindung aus.

Infolge der herrschenden Betriebsverhältnisse in den Bahnnetzen der Länder mit bei den verschiedenen Betriebssystemen unterschiedlichen Nennspannungsabweichungen bis zu ♦ }" n/_n mit gegebenenfalls bis zu + 40% Schaltspannungsspitzcn muß der Wechselrichter /wischen 4200 V = und 600 V = arbeitsfähig sein, ti. h., er muß einen Spannungshub von 7 : I aushalten.

Das bedeutet eine Vielzahl teurer, erheblich belasteter Ventile.

Aufgabe der Erfindung ist es, für solche statischen Umformer der eingangs genannten Art unter Vermeidung einer eigenen Steuer- und Schalteinrichtung eine Verkleinerung des Spannungshubes zu erreichen.

Diese Aufgabe wird für einen statischen Mehrsystemumformer der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß der Halbleiterschalter in sechs, als Vierpol ausgebildete und ausgangsseitig parallelgeschaitete Halbleiterblöcke aufgeteilt ist, die eingangssei tig mittels des von der anliegenden Voersorgungsspannung abhängig gesteuerten vorhandenen Gruppierungsschaltwerkes für das gruppierende Schalten der elektrischen Zugbeheizungswiderstände mitgruppierbar sind.

Aus der DE-PS 15 63 94 7 ist zwar bekannt, über einen gruppierenden Umschalter innerhalb der Umschalteinrichtung einer elektrischen Energieversorgungsanlage für aus unterschiedlichen Fahrleitungssystemen gespeiste Eisenbahnfahrzeuge abhängig von der anliegenden Spannung z. B. bei Gleichspannung 3 kV oder 15 kV Gleichspannungsmotoren in Serie oder aarallei zu gruppieren oder bei Wechselspannung 1500V und 1000 V auf Transformatorenanzapfungen umzuschalten. Der gruppierende Umschalter wird von einer Relais-Umschalteinrichtung beträtigt Mit der vorliegenden Erfindung, einer speziellen Gruppierung eines aufgeteilten Halbleiterschalters über ein vorhandenes Gruppierungsschaltwerk für Zugbeheizungswiderstände hat dies keinen Zusammenhang.

Durch die Erfindung kann bei einfachem einheitlichem Aufbau die Sperrspannung pro Halbleiterblock auf nur noch 300V= bis 900V=, d.h. einen Spannungshub von UsnaJUsmm =1:3 reduziert werden. Ein derartig aufgebauter statischer Umformer gestattet somit bei Verkleinerung des Spannungshubes einen einfachen, zweckmäßig aus Modulen zu realisierenden Aufbau für optimale Leistungsanpassung. Die verringerte Sperrspannungsbeanspruchung kann durch Einsparung von Zellen verbilligend wirken.

Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Anhand eines Ausführungsbeispiels wird die Erfindung im nachstehenden näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 das Laden einer Batterie in Blockbilddarstellung,

F i g. 2 den Umformer im einzelnen,

F i g. 3 Gruppierungsmöglichkeiten der Halbleiterblöcke für t/, bis Li,.

Nach Fig. 1 wird ti^:e Versorgungsspannung, die — wie ausgeführt — eine Gleichspannung oder Wechselspannung entsprechend den Bezeichnungen U\ bi* Ut sein kann, über einen Gleichrichter 1 und ein Eingangsfilter 2 einem Halbleiterschalter 3 zugeleitet. Die umgeformte, gleichgerichtete Spannung wird über einen Ausgangsfilter 4 an eine nicht näher dargestellte Batterie geschaltet. Zwischen Ausgangsfilier 4 und dem Anschluß der Batterie erfolgt eine Messung der Ausgangswerte Ub, Ib, die über eine Meßwerterfassung 5 an eine Steuerung 6 gegeben werden, die den Halbleiterschalter 3 beeinflußt. Mittels einer Erfassung der gleichgerichteten Eingangsspannung wird über Meßwerterfassung 5 und Steuerung 6 eine noch näher zu beschreibende Gruppierung des Halbleiterschalters vorgenommen. Soweit das Prinzip.

In Fig.2 ist der Umformer im einzelnen dargestellt. Ober den Gleichrichter 1 und ein Eingangsfilter 2 wird die Versorgungsspannung einem Gruppierungsschaltwerk 11 und über dieses dem in 6 Halbleiterblöcke 8a bis

ίο 8/ unterteilten Halbleiterschalter 3 zugeführt. Das Eingangsfilter 2 besteht aus einer Drossel und einem Kondensator, der in diesem Fall in 6 Teilkondensatoren Ta bis Tf unterteilt ist, entsprechend der Zahl der Halbleiterblöcke 8a bis Sf. Es filtert bei einer

is eingespeisten Wechselspannung die nach der Gleichrichtung in dem Gleichrichter 1 vorhandenen Oberwellen heraus und ist für die Eingangsspannung mit der niedrigsten Frequenz zu bemessen. Das Schaltwerk 11 erlaubt eine zweckentsprechende Gruppierung der Halbleiterblöcke 8a bis Sf. An sie schließt sich das Ausgangsfilter 4 mit Drossel und <vondensator an. An seinem Ausgang wird die Steuerung 6 mit der Zündschaltung 10 angeschlossen, die die Halbleiter in den Halbleiterblöcken beeinflußt. Die im Syrrbol der Steuerung 6 angegebenen Kennlinien für U\ bis LZ₄ der VersGi gungsspannungen zeigen für Impulsbreitensteuerung die Abhängigkeit der Steuerimpulsbreite T zur Batterieladungsspannung U bzw. U₈ bis zur gestrichelt angedeuteten Lade-Gasungsgrenze. Aus den Meßwer-

jo ten im Ausgang ist zu erkennen, ob die Dauer des Energieflusses über die Halbleiter vergrößert oder verkleinert werden muß. Das geschieht durch die Steuerung. Ist die Eingangsspannung hoch, so wird die Dauer des Energieflusses verkürzt und umgekehrt. Die Meßwerterfassung 5 ist mit dem Schaltwerkantrieb kombiniert. Als Schaltwerk findet vorzugsweise das sowieso vorhandene mechanische Heizspan nungs-Gruppierungsschaltwerk Verwendung. Die möglichen Gruppierungen der Halbleiterblöcke Sa bis 8/bei den im Beispiel vorhandenen Eingangsspannungen zeigt F i g. 3. Dabei können die Kontakte für das Schalten der Halbleiterblöcke sowohl die normalen Kontakte des Heizspannungs-Gruppierungs-Schaltwerkes als auch spezielle poteniialgetrennte Kontakte sein, die jedoch auf der gleichen Antriebsachse angeordnet sind. Im ersteren Falle wird die Spannungsteilung mitbestimmt durch die Anzahl der parallel eingeschalteten Heizkörperwiderstände, im letzteren Fall ist die Spannungsteilung abhängig von der Genauigkeit der Kondensator-

W reihenschaltung. Bei hohen Eingangs-Wechselspannungen kann eine Ajsfilterung von Oberwellen aufgrund siolationstechnischer, baulicher Vorteile auch im Niederspannungs-Ausgangsteil erfolgen.
Y i g. 3 zeigt die möglichen Gruppierungen, links für

5> 300 V Gleichspannung U\ mit 6 in Reihe geschalteten Halbleiterblöcken. In der Mitte für 1500 V Gleichspannung (ίΛ) oder 1500V Wechselspannung (LZ₃) mit je 2x3 in Reihe geschaltteten Halbleiterblöcken. Rechts eine Anordnung ^rür 1000 V Wechselspannung (L/4) mit

"i 3 χ 2 in Reihe geschalteten Halbleiterblöcken.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Statischer Mehxsysternumformer zum Anschluß an unterschiedliche Stromarten und Spannungen, insbesondere zum Anschluß an die bei grenzüberschreitendem Betrieb von Bahnfahrzeugen vorkommenden Zugversorgungsspannungen 3 kV Gleichspannung, 1,5 kV Gleichspannung, 1,5 kV Wechselspannung 50 Hz und 1 kV Wechselspannung 16²/3Hz, bestehend aus einem Eingangsteil mit einem Gleichrichter und nachgeschaltetem Filterteil, einem als Stellglied wirkenden Halbleiterschalter mit Ausgangstransformator und nachgeschaltetem Gleichrichter und einem mit Glättungsmitteln versehenen Ausgangsteil, bei dem sämtliche Versorgungsspannungen über den Eingangsteil mit Gleichrichter und Filterteil an den Halbleiterschalter geführt sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Kalbleiterschalter (3) in sechs, als Vierpol ausgebildete und ausgangsseitig parallelgeschaltete Halbleiterblöcke (8a bis Bf) aufgeteilt ist, die eingangsseitig mittels des von der anliegenden Versorgungsspannung abhängig gesteuerten vorhandenen Gruppierungsschaltwerkes (11) für das gruppierende Schalten der elektrischen Zugbeheizungswiderstände mitgruppierbar sind.

2. Statischer Mehrsystemumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontakte für das Schalten der elektrischen Zugbeheizungswiderständf. mitbenutzbar sind.

3. Statischer Mehrsystemumformer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß potentialgetrennte Kontakte auf der gleichen Antriebsachse des Heizspannungsschaltwerkes vorgesehen sind.