DE3037503A1 - AC=DC converter for electric vehicle - has string of resistors connected to DC bus=bar and switched in whilst motor is acting as generator during braking - Google Patents
AC=DC converter for electric vehicle - has string of resistors connected to DC bus=bar and switched in whilst motor is acting as generator during brakingInfo
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Abstract
Description
Halbleiter-StromrichterSemiconductor converters
Die Erfindung bezieht sich auf einen Halbleiter-Stromrichter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a semiconductor power converter according to the preamble of claim 1.
Bei Anordnung eines Thyristor-Stromrichters auf einem Fahrzeug mit Wechselspannungsspeisung treten Probleme auf, da Oberschwingungen, die durch Stromverzerrungen in den in Reihe geschalteten Stromrichtereinheiten durch die Phasenanschnittsteuerung hervorgerufen werden, ansteigen. Um diesen Nachteil zu vermeiden, wird die Sekundärwicklung eines auf dem Triebfahrzeug angeordneten Transformators in mehrere Abschnitte unterteilt. Mit jeder Sekundärwicklung ist eine Stromrichtereinheit in Brückenschaltung verbunden. Die Stromrichtereinheiten sind in Kaskade geschaltetX Thyristor-Stromrichter solcher Bauart sind für zwei Betriebsarten geeignet und zwar einmal für den Fahrbetrieb (Gleichrichterbetrieb des Thyristor-Stromrichters) und zum anderen für den Nutzbremsbetrieb (Wechselrichterbetrieb des Thyristor-Stromrichters), wobei man von einer Betriebsart in die andere in einfacher Weise durch eine Änderung der Zündfolge und des Zündwinkels der Thyristoren übergehen kann. Die Unterteilung der Sekundärwicklung bewirkt eine Reduzierung der Oberschwingungndes Stromes, der durch die Reihenschaltung fließt. Im allgemeinen werden vier bis sechs Wicklungsabschnitte verwendet. Für den Nutzbremsbetrieb des Thyristor-Stromrichters in Brückenschaltung muß eine Kommutierungszeit gewährleistet sein, die von der Freiwerdezeit der Thyristoren abhängt. Dabei wird der minimale Voreilwinkel ßmin des Thyristor- Stromrichters im Wechselrichterbetrieb aus der Summe eines Winkels, der der Schonzeit entspricht, und eines Uberlappungswinkels während der Kommutierung gebildet.When arranging a thyristor converter on a vehicle with AC power supply problems arise because of harmonics caused by current distortion in the series-connected converter units through the phase control are caused, increase. To avoid this disadvantage, the secondary winding a transformer arranged on the locomotive divided into several sections. A converter unit is connected to each secondary winding in a bridge circuit. The power converter units are connected in cascade, X thyristor power converters Bauart are suitable for two modes of operation, one for driving (Rectifier operation of the thyristor converter) and on the other hand for regenerative braking (Inverter operation of the thyristor converter), whereby one of an operating mode in the other in a simple manner by changing the firing order and the firing angle the thyristors can go over. The subdivision of the secondary winding causes a Reduction of the harmonics of the current flowing through the series connection. Generally four to six winding sections are used. For regenerative braking of the thyristor converter in bridge circuit must ensure a commutation time which depends on the release time of the thyristors. The minimum Lead angle ßmin of the thyristor Converter in inverter operation from the sum of an angle corresponding to the closed season and an overlap angle formed during commutation.
Im Fahrbetrieb ist der minimale Zündwinkel o6 = Null während im Nutzbremsbetrieb der minimale voreilende Zündwinkel gleich dem Winkel Bmin ist. Je größer der über lappungswinkel während der Kommutierung ist, um so größer ist bein, was dazu führt, daß der Leistungsfaktor, der Aussteuerungsgrad bei der Rückspeisung und die Nutzbremskraft herabgesetzt sind, wogegen der Oberschwingungsstrom über die Reihenschaltung zunimmt. Insbesondere im Fall eines Wechselstromtriebfahrzeuges erreicht die Reaktanz im Wechselstromkreis an der von der Verteilerstation am weitesten entfernten Stelle ein Maximum, weshalb auch Bmin auf einen maximalen Wert ansteigt.In driving mode, the minimum ignition angle o6 = zero, while in regenerative braking mode the minimum leading ignition angle is equal to the angle Bmin. The bigger the over lap angle during commutation, the greater the leg, which leads to that the power factor, the degree of modulation in the feedback and the regenerative braking force are reduced, whereas the harmonic current increases across the series connection. In particular in the case of an AC traction vehicle, the reactance reaches im AC circuit at the point furthest from the distribution station a maximum, which is why Bmin also rises to a maximum value.
Deshalb erhält man entweder keine ausreichende Nutzbremskraft oder der Oberschwingungsstrom nimmt zu. Die Leistung des Fahrzeuges wird daher erheblich beeinträchtigt.Therefore, one either does not get sufficient regenerative braking force or the harmonic current increases. The performance of the vehicle is therefore considerable impaired.
Fig. 1 zeigt einen Hauptstromkreis eines Wechselstromfahrzeuges, bei dem ein bekannter Stromrichter mit Thyristoren in Brückenschaltung verwendet ist. In der Schaltung ist eine Speisequelle 1, eine Reaktanz 2, ein Transformator 3 mit einer Primärwicklung 31 und Sekundärwicklungen 32 bis 35, in Kaskade geschaltete Einheiten 41 bis 44, eine Glättungsdrossel 5 und ein elektrischer Antriebsmotor 6 angeordnet.Fig. 1 shows a main circuit of an AC vehicle at a well-known converter with thyristors in a bridge circuit is used. In the circuit is a supply source 1, a reactance 2, a transformer 3 with a primary winding 31 and secondary windings 32 to 35, connected in cascade Units 41 to 44, a smoothing throttle 5 and an electric drive motor 6 arranged.
Fig. 2 zeigt Betriebskurven des Stromrichters, wenn die jeweiligen Stromrichtereinheiten 41 bis 44 mit einem Mindestzündwinkel Bmin im Wechselrichterbetrieb betrieben werden. In dem Diagramm kennzeichnen e1 eine Speisespannung; isl bis i54 (i32 bis i35) Sekundärwicklungsströme; e41 bis e44 Ausgangsspannungen der Jeweiligen Stromrichtereinheiten; ed eine zusammengesetzte Ausgangsspannung.Fig. 2 shows operating curves of the converter when the respective Converter units 41 to 44 with a minimum ignition angle Bmin in inverter operation operate. In the diagram, e1 denotes a supply voltage; isl to i54 (i32 to i35) secondary winding currents; e41 to e44 output voltages of the Respective Converter units; ed a composite output voltage.
Wenn die Stromrichtereinheiten 41 bis 44 mit demselben Zündwinkel betrieben werden, kommutieren sie wegen der gegenseitigen Beeinflussung der Wicklungen nicht gleichmäßig und die auftretende Uberlappung der Kommutierungswinkel wird groß. Deshalb muB in diesem Fall der Zündwinkel Bmin groß eingestellt werden, so (9ß der Löschwinkel 6 der Wicklung S4 (Fig. 1), deren Kommutierung zuletzt vollendet wird, einen vorgegebenen Wert übersteigt. Wird die Nutzbremsung durch Wechselrichterbetrieb bis zum Stillstand des Triebwagens angewendet, so kann es vorkommen, daß aus den obengenannten Gründen eine ausreichende Nutzbremsung nicht zustande kommt, wenn die gleiche Sekundärspannung wie im Fahrbetrieb verwendet wird. Aus diesem Grund muß die Wechselspannung bei Nutzbremsbetrieb höher sein als im Fahrbetrieb. Es gibt hierzu eine bekannte Methode. Diese wird im folgenden anhand des in Fig. 1 gezeigten Beispiels erläutert.If the converter units 41 to 44 have the same firing angle are operated, they commutate because of the mutual influence of the windings not evenly and the overlapping of the commutation angles that occurs becomes large. Therefore, in this case, the ignition angle Bmin must be set large, so (9ß der Extinction angle 6 of the winding S4 (Fig. 1), the commutation of which is completed last, exceeds a predetermined value. Regenerative braking is achieved through inverter operation Applied to the standstill of the railcar, it can happen that from the A sufficient regenerative braking does not come about if the above-mentioned reasons the same secondary voltage is used as when driving. For this reason the AC voltage must be higher in regenerative braking than in driving. There is a known method for this. This is shown below with reference to that shown in FIG Example explained.
Im Fahrbetrieb sind die Stromrichtereinheiten 41 bis 43 in Betrieb und die Stromrichtereinheit 44 wird lediglich zur Überbrückung benutzt, wogegen beim Nutzbremsbetrieb alle Stromrichter 41 bis 44 betrieben werden.The converter units 41 to 43 are in operation when driving and the converter unit 44 is only used for bridging, whereas all converters 41 to 44 are operated during regenerative braking.
Bei diesem Verfahren ist sogar dann, wenn die Wicklungsspannungen beim Fahrbetrieb und Bremsbetrieb untereinander gleich sind, der Oberschwingungsstrom im Bremsbetrieb höher als im Fahrbetrieb, deshalb verursacht die erhöhte Spannung im Bremsbetrieb im Vergleich zum Fahrbetrieb einen extrem hohen Oberwellenstrom durch die Primärwicklung. Das führt häufig dazu, daß diese Methode undurchführbar ist.With this method is even when the winding tensions when driving and braking are the same, the harmonic current higher in braking than in driving, which is why the increased voltage causes an extremely high harmonic current during braking compared to driving through the primary winding. This often makes this method impractical is.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Halbleiter-Stromrichter anzugeben, der eine ausreichende Nutzbremskraft aufweist und das Netz nur mit geringen Oberschwingungsströmen belastet.The object of the present invention is to provide a semiconductor power converter indicate that has a sufficient regenerative braking force and the network only with low Harmonic currents burdened.
Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.This task is carried out by the characterizing part of the claim 1 resolved.
Durch die Erfindung wird bei Gewährleistung einer ausreichenden Nutzbremsung der Leistungsfaktor im Nutzbremsbetrieb so groß wie möglich, und im Nutzbremsbetrieb können Oberschwingungen so klein wie im normalen Fahrbetrieb gehalten werden.The invention ensures sufficient regenerative braking the power factor in regenerative braking as large as possible, and in regenerative braking harmonics can be kept as small as in normal driving.
Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren 3 und 6 gezeigt. Die in den Figuren 4 und 5 gezeigten Kurven dienen zur Erläuterung der Wirkungsweise des in Fig. 3 gezeigten Stromrichters.Two exemplary embodiments of the invention are shown in FIGS 6 shown. The curves shown in Figures 4 and 5 serve to explain the Operation of the converter shown in FIG. 3.
In Fig. 3 ist eine Reihenschaltung eines Thyristors 7 und einer Vielzahl von ohmschen Widerständen 81 bis 84 an die Gleichstromschienen geschaltet, wobei Kurzschlußschalter 91 bis 94 parallel zu den einzelnen ohmschen Widerständen angeordnet sind. Bei einer solchen Schaltungsanordnung wird ein Teil des Laststromes über die Widerstände geleitet, wenn der Stromrichter als Wechselrichter betrieben wird, um den im Stromrichter fließenden Strom zu reduzieren und Oberschwingungen im Speisekreis beim Bremsen zu vermindern.In Fig. 3 is a series connection of a thyristor 7 and a plurality of ohmic resistors 81 to 84 connected to the direct current rails, wherein Short-circuit switches 91 to 94 arranged in parallel with the individual ohmic resistors are. In such a circuit arrangement, part of the load current is via the Resistances conducted when the power converter is operated as an inverter To reduce the current flowing in the converter and to reduce harmonics in the supply circuit to decrease when braking.
Wie eingangs erwähnt, wird die Sekundärwicklungen des Transformators 3 im allgemeinen in eine Vielzahl von Abschnitten unterteilt, um Ströme mit Oberschwingungen zu reduzieren. Auch im vorliegenden Fall ist der Stromrichter in vier einzelne Stromrichtereinheiten 41 bis 44 unterteilt.As mentioned at the beginning, the secondary windings of the transformer 3 generally divided into a variety of sections to handle currents with harmonics to reduce. In the present case, too, the converter is made up of four individual converter units 41 to 44 divided.
Im Fahrbetrieb wird der Thyristor 7 gesperrt, um die ohmschen Widerstände 81 bis 84 abzuschalten. Die ein- zelnen Stromrichtereinheiten 41 bis 44 arbeiten dann im normalen Gleichrichterbetrieb.When driving, the thyristor 7 is blocked to the ohmic resistances 81 to 84 switch off. The A- individual converter units 41 up to 44 then work in normal rectifier mode.
Im Nutzbremsbetrieb des Stromrichters wird der Thyristor 7 gezündet. Die Stromrichtereinheiten 41 bis 44 werden mit einem Steuerwinkel entsprechend der Spannung des Motors 6 betrieben, um einen vorgegebenen Nutzstrom zu erhalten. In diesem Fall wird vermieden, daß der Anteil des Motorstromes, der einen vorbestimmten Betrag überschreitet, in die Speisequelle zurückfließt. Der über den vorbestimmten Betrag hinausgehende Strom wird über den Thyristor 7 geleitet. Die Werte der Serienwiderstände 81 bis 84 werden durch die Kurzschlußschalter 91 bis 94 eingestellt, um einen vorgegebenen Stromfluß über die Widerstände in Abhängigkeit von der Spannung des Motors zu erhalten.In regenerative braking operation of the converter, the thyristor 7 is ignited. The converter units 41 to 44 are with a control angle corresponding to Voltage of the motor 6 operated to obtain a predetermined useful current. In In this case it is avoided that the proportion of the motor current, which is a predetermined Exceeds amount, flows back into the supply source. The one above the predetermined Amount of excess current is passed through the thyristor 7. The values of the series resistances 81 to 84 are set by the short circuit switches 91 to 94 to a predetermined one To get current flow through the resistors depending on the voltage of the motor.
Für den Thyristor 7 ergibt sich folgende Betriebsweise: Erzeugt der Stromrichter eine maximale Ausgangsspannung, so hat ein Verlauf der Ausgangsspannung die in Fig. 4 dargestellte Form und zwar kennzeichnet a einen Ausgangsspannungs-Verlauf des Stromrichters und b einen Stromverlauf im Widerstand. Zur Zeit t1 leitet der Thyristor des Stromrichters die Kommutierung ein und zum Zeitpunkt t2 ist sie vollzogen. An den Thyristor, der durch die Kommutierung während der Zeitdauer t2 bis t3 gelöscht wird, wird eine Gegenspannung entsprechend der schraffierten Spannungszeitfläche in Fig. 4 angelegt. Die gleiche Spannung wird auch an den Thyristor 7 angelegt, um ihn zu löschen.The following mode of operation results for the thyristor 7: Generates the If the converter has a maximum output voltage, then the output voltage has a curve the form shown in Fig. 4, namely a denotes an output voltage curve of the converter and b a current curve in the resistor. At time t1 the Thyristor of the converter switches on the commutation and at time t2 it is completed. To the thyristor, which is cleared by the commutation during the period t2 to t3 becomes a counter voltage corresponding to the hatched voltage-time area in FIG. 4. The same voltage is also applied to the thyristor 7, to erase it.
Nachdem sich im Zeitpunkt t3 die Spannung umgekehrt hat, wird der Thyristorschalter 7 wieder gezündet, um zu ermöglichen, daß ein Teil des Motorstromes in die Widerstände fließt. Wird, wie aus Vorstehendem er- sichtlich, bei der vorliegenden Erfindung an den Thyristorschalter kein Zündsignal angelegt, so können die Widerstände in einer Halbschwingung elektrisch vom Speisekreis getrennt werden. Die Höhe des in Fig. 4 gezeigten Stromes b ist durch die Änderung des Widerstandes in Abhängigkeit von der Ausgangs spannung des Stromrichters einstellbar.After the voltage has reversed at time t3, the Thyristor switch 7 re-ignited to allow some of the motor current flows into the resistors. Will, as from the above visibly, In the present invention, no ignition signal is applied to the thyristor switch, in this way the resistors can be electrically isolated from the supply circuit in a half oscillation will. The level of the current b shown in Fig. 4 is due to the change in resistance adjustable depending on the output voltage of the converter.
Der in die Widerstände fließende Strom b hat eine Herabsetzung des in die Speise quelle zurückfließenden Stromes zur Folge. Deren Auswirkungen sind in Fig. 5 graphisch dargestellt. Eine durchgezogene Linie I kennzeichnet eine Speisestrom-Wellenform, wenn keine Shuntung über die Widerstände vorgenommen wird. Eine durch eine gestrichelte Linie II angedeutete Linie kennzeichnet einen Stromverlauf, wenn der Strom durch die Widerstände fließt. Wie aus Fig. 5 hervorgeht, wird der Strom dadurch klein, daß ein Teil des Laststromes über die Widerstände geleitet wird. Die Oberschwingungen im Speise stromkreis werden daher vermindert.The current b flowing into the resistors has a reduction in the result in the current flowing back into the source of supply. Their effects are shown graphically in FIG. A solid line I indicates a supply current waveform, if the resistors are not shunted. One through a dashed Line II indicated line indicates a current flow when the current is through the resistances flows. As can be seen from Fig. 5, the current becomes small as a result, that part of the load current is passed through the resistors. The harmonics in the supply circuit are therefore reduced.
Dadurch, daß ein Teil des Motorstromes in den Widerstandspfad geleitet wird, ändert sich der Motorstrom nicht und deshalb bleibt auch die elektrische Bremskraft unverändert. Die elektrische Bremsenergie wird nicht vollständig in Rückspeiseenergie umgewandelt, sondern ein Teil wird von den Widerständen aufgenommen.Because part of the motor current is routed into the resistance path the motor current does not change and therefore the electrical braking force remains unchanged. The electrical braking energy is not completely converted into regenerative energy converted, but part of it is absorbed by the resistors.
Deshalb wird die Rückspeiseenergie geringfügig vermindert, wobei jedoch der Oberschwingungsgehalt des Stromes verringert wird. Deshalb ist der Stromrichter besonders für elektrische Triebfahrzeuge geeignet, die eine Begrenzung der Oberschwingungen des Stromes benötigen.Therefore, the regenerative energy is slightly reduced, however the harmonic content of the current is reduced. That is why the converter is particularly suitable for electric traction vehicles that limit harmonics of electricity.
In Fig. 6 ist eine weitere AusfÜhrungsform eines Stromrichters dargestellt. Die vorliegende Ausführungsform verwendet als Thyristor 101 bis 104 ausgebildete Halbleiterschalter als Kurzschlußschalter. Einem der Widerstände ist anstelle eines Kurzschlußschalters ein Chopper zugeordnet. Da in Fig. 3 der Widerstandswert stufenweise durch Schalten der Kurzschlußschalter geändert wird, ist es nicht ohne weiteres möglich, den Nebenschlußstrom in den Widerständen in Abhängigkeit von den Änderungen der Motorspannung konstant zu halten.In Fig. 6, a further embodiment of a converter is shown. The present embodiment uses formed as thyristors 101-104 Semiconductor switch as short-circuit switch. One of the resistors is in place of one Short-circuit switch assigned to a chopper. Since in Fig. 3 the resistance value is gradual is changed by switching the short-circuit switch, it is not easily done possible to reduce the shunt current in the resistors depending on the changes to keep the motor voltage constant.
Deshalb wird der Chopper - wie in Fig. 6 dargestellt -für einen der Widerstände benutzt, um eine kontinuierliche Änderung des Widerstandswertes zu ermöglichen.Therefore, the chopper - as shown in Fig. 6 - for one of the Resistors are used to allow a continuous change in the resistance value.
Die Verwendung des Choppers erlaubt es, den Widerstandsstrom unabhängig von der Motorspannung konstant zu halten.The use of the chopper allows the resistance current to be independent to keep constant by the motor voltage.
Wie aus dem Vorstehenden ersichtlich ist, bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein System, in dem eine einen Thyristor 7 und Widerstände 81 bis 84 enthaltende Reihenschaltung mit dem Ausgang des Stromrichters verbunden ist und in dem ein Teil des Motorstromes während des Nutzbremsbetriebes über die Widerstände geleitet wird, um den Speisestrom und die Oberschwingungen zu verringern. Bei einer solchen Schaltungsanordnung hat der Stromrichter zusätzlich zu den obengenannten Eigenschaften folgende vorteilhafte Wirkungen: 1. Im Nutzbremsbetrieb ist eine beliebige Reduzierung der Ströme mit Oberschwingungen im Stromkreis möglich, 2. es wird eine ausreichende elektrische Bremskraft gewährleistet, 3. da die Nebenschlußwiderstände nur im Bremsbetrieb benutzt werden, brauchen sie nur für einen Kurzzeitbetrieb ausgelegt zu werden und 4. wenn Stromkreisunterbrechungen auftreten, wird der Bremsvorgang durch Umschalten des Nutzbremsbetriebs auf Widerstandsbremsbetrieb unter Verwendung der Widerstände ermöglicht. Dies ist besonders für den elektrischen Bahnbetrieb von Bedeutung.As can be seen from the above, the present relates to Invention to a system in which a thyristor 7 and resistors 81 to 84 containing series circuit is connected to the output of the converter and in which part of the motor current during regenerative braking is via the resistors is conducted to reduce the supply current and the harmonics. At a the converter has such a circuit arrangement in addition to those mentioned above Features the following advantageous effects: 1. In regenerative braking operation is any Reduction of the currents with harmonics in the circuit is possible, 2. it becomes a sufficient electrical braking force is guaranteed, 3. because the shunt resistors are only used in braking mode, they only need to be designed for short-term operation and 4. if there is an open circuit, the braking process is stopped by switching regenerative braking mode to dynamic braking mode using which enables resistances. This is especially true for electric rail operations significant.
Obwohl die vorgenannten Ausführungsformen eine einphasige Speisung verwenden, kann die vorliegende Erfindung auch bei mehrphasigen Stromrichtern Anwendung finden.Although the aforementioned embodiments have a single-phase supply use, the present invention can also be applied to multiphase power converters Find.
6 Figuren 4 Patentansprüche6 figures 4 claims
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