DE3243337C2

DE3243337C2 -

Info

Publication number: DE3243337C2
Application number: DE19823243337
Authority: DE
Inventors: Heinz Dipl.-Ing. 1000 Berlin De Boehm
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1982-11-19
Filing date: 1982-11-19
Publication date: 1988-08-25
Also published as: DE3243337A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung für Fahr- und Bremsbetrieb elektrischer Triebfahrzeuge, wie sie im Ober begriff des Anspruchs 1 näher definiert ist. Es wird dabei ausgegangen von einer Schaltungsanordnung für Wechselspannungsbetrieb, wie sie aus Fig. 1 hervorgeht und z. B. aus "Elektrische Bahnen" 77 (1979) H. 6, S. 145-151, insbesondere Bild 2, bekannt ist.

Dabei liegt der Stromrichter stromstellend zwischen Wechselspannungsnetz und Gleichstromlast bzw. -zwischenkreis. Als pulsender Stromrichter kann dieser Stromrichter dem Netz einen nahezu sinusförmigen Strom in Phase mit der Netzspannung entnehmen und ist daher netzfreundlich. In vollgesteuerter Ausführung ist diese Schaltung in der Lage, die Leistung ins Netz zurückzuführen.

Bekannt sind ferner Schaltungen, bei denen zwischen Gleich spannungsnetz und Gleichstromlast bzw. -zwischenkreis ein stromstellender Stromrichter unter dem Namen "Gleichstrom steller" gelegt ist. Auch diese Schaltungen sind rückspeise fähig, bei nichtaufnahmefähigem Netz wird normalerweise ein Bremsthyristor gezündet, um die Bremsleistung in einem Brems widerstand umzusetzen.

Zweck der Erfindung ist die Realisierung eines netzfreundlichen, rückspeisefähigen Mehrsystem-Netzstromrichters bei Verwendung nur einer Umrichtungsstufe. Die bislang ausgeführten Lösungen verwenden wahlweise ein Netzteil zur Wechselstromeinspeisung und ein anderes zur Gleichstromeinspeisung oder bei einem System beide Netzteile in Reihe. Die letztgenannte Mehrsystem lösung ist hinsichtlich Leistung und Steuerelektronik sehr auf wendig und hat bei Wechselstromeinspeisung einen schlechten Wirkungsgrad durch zweistufige Umrichtung.

Die eigentliche technische Aufgabe liegt darin, die vorbe kannte, bisher nur für Fahr- und Bremsbetrieb an Wechsel spannungsnetzen verwendbare Schaltungsanordnung durch einfache Schal tungsänderungen zusätzlich für Gleichspannungsbetrieb ein schließlich des wahlfreien Einsatzes auch als Netz- oder Widerstandsbremse im Bremsbetrieb universell anwendbar zu machen. Dabei wird auch für diese Mehrsystemlösung Netzfreund lichkeit mit λ ≈ 1 angestrebt.

Die genannte Aufgabe wird für eine Schaltungsanordnung der eingangs ge nannten Art entsprechend den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Anhand von Ausführungsbeispielen wird die Erfindung im nach stehenden näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 die bekannte Schaltungsanordnung,

Fig. 2 die erfindungsgemäße Schaltung,

Fig. 3 eine Modifikation.

Anhand der bekannten Schaltungsanordnung nach Fig. 1 - von der bei der Erfindung ausgegangen wird - soll der Grundaufbau erläutert werden. Danach wird von einem Wechselspannungsfahrleitungs netz 1 über einen Transformator 2, ein Netzfilter mit Drossel 7 und Netzkondensator 8 und eine stromstellende Stromrichter brücke 4 eine nicht näher dargestellte, an den Klemmen x und y liegende Last gespeist. Die Last kann eine Gleichstromlast wie z. B. Gleichstrommotoren oder ein Zwischenkreis sein. Die Thy ristoren der Netzstromrichterbrücke sind mit 4.1 bis 4.4 be zeichnet. Die Thyristoren einer zugehörigen Löschbrücke 10 in Graetzschaltung sind mit 4.5 bis 4.8 angegeben. 5 ist ein gemeinsamer diagonal liegender Löschkondensator. Über Sperr ventile 4.9 und 4.10 erfolgt die Löschung der Zweigpaarthy ristoren der Netzstromrichterbrücke. Mit 6 ist noch eine Last stromdrossel und mit 3 ein Masserückschluß bezeichnet.

In der nachfolgenden Erörterung der Erfindung sind für gleiche Elemente in der Schaltungsanordnung die gewählten Bezugszeichen weit gehend beibehalten worden.

Fig. 2 zeigt nun die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung für einen wahlfreien Anschluß an ein Wechselspannungsnetz 1.1 oder ein Gleichspannungsnetz 1.2. Über einen Systemumschalter mit den Kontakten 17.1 bis 17.5 erfolgt die Umschaltung auf die ent sprechenden Systeme. Dabei wird bei Gleichspannungsbetrieb die Sekundärseite des Transformators 2 geöffnet durch die Um schaltkontakte 17.1 und 17.2 und direkt über die Kontakte 17.5 und 17.4 sowie Drossel 7 eingespeist. Gegebenenfalls kann hier ein Umschalten des Filters 7/8 erforderlich werden. Schaltkontakt 17.3 ist bei Gleichspannungsbetrieb geöffnet. Hinzugekommen ist des weiteren ein als Fahrschütz wirkender Schalter 9 und ein gleichsinnig parallel zu den Thyristorzweigpaaren 4.1/4.2 und 4.3/4.4 liegendes weiteres Thyristorzweigpaar 13.1/13.2 sowie ein Bremswider stand 14.

Der Thyristor 4.1 des linken Thyristorzweigpaares 4.1/4.2 ist bei Fahrbetrieb dauernd gezündet. Der untere Thyristor 4.2 wirkt als Freilaufdiode und ist bei Fahren und Bremsen dauernd gezündet. Thyristor 4.3 des rechten Zweigpaares des Netzstromrichters wirkt als Bremsdiode und ist daher im Brems betrieb dauernd in Betrieb. Thyristor 4.4 wirkt als Haupt thyristor und wird daher mit fester Pulsfrequenz pulslängen moduliert gezündet. Die Thyristoren 4.5 bis 4.8 der Lösch brücke 10 und das Ventil 4.9 bilden in Verbindung mit dem Hauptthyristor 4.4 außerdem einen Gleichstromsteller. Ventil 4.10 ist bei Stellerbetrieb durch den Schaltkontakt 17.3 des Systemumschalters abgetrennt. Thyristor 13.1 wirkt als Bremsthyristor und wird gezündet, wenn die Grenzspannung am Netzkondensator 8 erreicht ist. Thyristor 13.2 hat bei Stellerbetrieb keine spezielle Aufgabe. Allerdings kann durch gleichzeitiges Zünden der Thyristoren 13.1 und 13.2 ein Frei lauf zum stromlosen Öffnen des Schalters 9 (Fahrschütz) sowie zur Führung des Mindeststromes bei Drehstromantriebssystemen mit eingeprägtem Zwischenkreis gebildet werden.

In der nachfolgenden Funktionsbeschreibung werden die charak teristischen Betriebszustände mit den jeweiligen Stromfüh rungen beschrieben. Die Umschaltkriterien zwischen den Be triebszuständen werden von einer übergeordneten Steuerung ge bildet, die nicht Gegenstand der Erfindung ist und hier vor ausgesetzt ist.

Zur Funktion:

Wechselspannungseinspeisung

Die Kontakte der Systemumschaltung 17.1 bis 17.3 sind ge schlossen in Stellung "≈", Schalter 9 (Fahrschütz) ist eben falls geschlossen. Für "Fahren" verläuft der Strom in der ersten positiven Halbwelle über Netzdrossel 7, den gezünde ten Thyristor 4.1, Schalter 9 (Fahrschütz), Lastdrossel 6, die Last und zurück über den gezündeten Thyristor 4.4. In der nächsten Halbwelle sind die Thyristoren 4.1 und 4.4 ge löscht und die Thyristoren 4.3 und 4.2 führen den Strom. Dies wiederholt sich abwechselnd usw. Dazwischen sowie pulsend im Verlauf der jeweiligen Halbwelle liegen jeweils die Zu stände Löschen und Freilauf. Zum Löschen von z. B. Thyristor 4.4 werden die Löschthyristoren 4.5 und 4.8 zunächst gezün det. Damit entlädt sich der entsprechend geladene Löschkon densator 5 über das Ventil 4.9 und löscht den Hauptthyristor 4.4. Anschließend wird der Kondensator 5 durch den Laststrom in entgegengesetzter Polarität umgeladen und ein Freilauf er folgt über den neugezündeten Thyristor 4.2 und den noch ge zündeten Thyristor 4.1. Der Netzkondensator 8 lädt sich da nach auf und es folgt der bereits angedeutete Zustand "Trei ben" für den nächsten Puls bzw. die nächste Halbwelle. Für diese ergeben sich gleichartige Verhältnisse, wobei die Löschung des stromführenden Thyristors 4.2 über das Sperrven til 4.10 erfolgt und der Freilauf durch Zündung des Haupt thyristors 4.4 und den noch leitenden Thyristor 4.3 durchge führt wird.

Bei Netzbremse dreht sich bei gleichbleibender Stromrichtung in der Last die Spannung an den Klemmen x und y um. Die Strom richtung im Netz wird durch Zünden der Thyristoren 4.3 und 4.2 für die eine netzseitige Polarität (+ an 17.1) bzw. Zün den von Thyristor 4.1 und 4.4 für die andere netzseitige Po larität (- an 17.1) umgedreht.

Nach Erreichen der zulässigen momentanen Spannung am Netz kondensator 8 kann bei nichtaufnahmefähigem Netz direkt durch Zünden eines der beiden Bremsthyristoren 13.1 (mit 4.3) oder 13.2 (mit 4.4) auf Widerstandsbremsbetrieb übergegangen werden (sogenannte gemischte Netz- und Widerstandsbremse).

Durch Zünden der Thyristoren 4.4 bzw. 4.1 und 4.2 wird, wie geschildert, nachfolgend der Freilauf eingeleitet. Nach an schließendem Löschen der Thyristoren 4.4 bzw. 4.2 und er folgter Umladung des Löschkondensators 5 kann über die Thy ristoren 4.2 bzw. 4.4 wieder der Zustand der Netzbremse, wie beschrieben, oder der Widerstandsbremse erfolgen.

Gleichspannungseinspeisung

Hierbei sind die Umschaltkontakte 17.4 und 17.5 des System umschalters geschlossen und die Umschaltkontakte 17.3 sowie 17.1 sowie 17.2 geöffnet. Der Schalter 9 (Fahrschütz) ist beim Fahren geschlossen und wird zum Bremsen geöffnet.

Der Zustand "Treiben" entspricht weitgehend dem geschilder ten Zustand bei Wechselspannungseinspeisung und positiver Polarität an 17.1. Infolge der einheitlichen Polarität am Netzkondensator 8 entfällt der Löschvorgang an Thyristor 4.2. Das Sperrventil 4.10 kann daher abgetrennt werden. Die Pola rität an Kondensator 5 ist wiederum beliebig.

Der Zustand "Löschen 1" ist wieder analog dem geschilderten Löschen bei Wechselspannungseinspeisung nach der positiven Halbwelle. Gleiches gilt für den Freilauf "Fahren". Auch hier wird nach erfolger Umladung der Thyristor 4.2 gezündet und der Netzkondensator 8 lädt sich aus dem Netz auf. Es folgt wieder der bereits für "Treiben" unter Gleichspannung ge schilderte Zustand, jedoch mit entgegengesetzter Polarität des Kondensators 5. Der anschließende Zustand "Löschen 2" ist ähnlich dem für "Löschen 1" geschilderten Zustand, er folgt jedoch wegen umgekehrter Polarität am Kondensator 5 über die Löschthyristoren 4.6, 4.7 und Sperrventil 4.9. Zum Übergang von Fahren auf Bremsen wird der Schalter 9 geöffnet. Bei Drehstromantriebssystemen mit eingeprägtem Strom im Zwischenkreis kann hier ein Zustand "Stromerhaltung" er wünscht sein, der ein garantiert stromloses Öffnen der Kon takte ermöglicht und den Betrieb mit Mindeststrom während des Auslaufs erleichtert.

Für den Zustand "Freilauf für Stromerhaltung" werden die Thyristoren 13.1 und 13.2 ge zündet. Sie übernehmen allein den Zwischenkreisstrom. Der Schalter 9 kann jetzt nahezu stromlos öffnen.

Zum Übergang auf Fahr- oder Bremsbetrieb wird der Freilauf über die Thyristoren 13.1 und 13.2 durch Zünden der Lösch thyristoren 4.5/4.8 oder 4.7/4.6 und gleichzeitigem Zünden von Thyristor 4.3 aufgehoben. Der Stromverlauf bei Netz- und Widerstandsbremse entspricht dem für Wechselspannungsbetrieb für die erste Halbwelle geschilderten Stromverlauf.

Eine weitere Besonderheit für den Betrieb mit eingeprägtem Zwischenkreisstrom bei Drehstromantriebssystemen ermöglicht der Thyristor 4.1 im Bremsbereich bei kleinsten Geschwindig keiten ähnlich dem Überbrückungsthyristor bei Gleichstrom stellern. Wenn die Bremsleitung der Motoren nicht mehr zur Verlustdeckung des Systems bei Mindeststrom im Zwischenkreis ausreicht, kann nach Schließen des Fahrschützes 9 durch Zünden von Thyristor 4.1 gezielt zusätzlich zur Bremslei stung aus dem Netz Leistung entnommen werden. Das heißt der Netz stromrichter ist bereits in Fahrfigur, während Motor und Wechselrichter sich noch im Bremsbetrieb befinden.

Fig. 3 zeigt noch eine Modifikation von Fig. 2. Dabei wurde auf eine weitgehende Vermeidung von Starkstromkontakten Wert gelegt. Schalter 9 wurde eingespart. Seine bisherige Funk tion wird durch einen Thyristor 16 in löschbarer Ausführung mitübernommen. Er wird dann zu Beginn des Bremsvorganges ein malig gelöscht. Weiterhin wurde das Sperrventil 4.10 durch den Thyristor 15 ersetzt, der die Funktion des Schaltkon taktes 17.3 mitübernimmt. Der Thyristor 15 wird bei Übergang auf Stellerbetrieb nicht mehr gezündet.

Durch die Erfindung ist eine besonders universell einsatz bare Schaltungsanordnung für Fahrbetrieb sowie Netz- und Widerstands bremsbetrieb an Gleich- und Wechselspannungsnetzen bei hoher Netzfreundlichkeit geschaffen worden.

Claims

1. Schaltungsanordnung für den Fahr- und Bremsbetrieb elektrischer Triebfahrzeuge, insbesondere für Stromsystemwechsel z. B. im grenzüberschreitenden Verkehr, mit einer voll steuerbaren, pulsbaren Netzstromrichterbrücke in Graetz konfiguration, deren beide Wechselspannungsanschlüsse am speisenden Netz sowie über jeweils ein, die Netz spannung sperrendes Ventil am positiven Gleichspannungs ausgang einer Löschbrücke in Graetzschaltung mit Dia gonalkondensator liegen und deren negativer Gleich spannungsanschluß mit dem gleichnamigen Anschluß der Netzstromrichterbrücke verbunden ist, dadurch gekenn zeichnet, daß gleichsinnig parallel zu den beiden Thyristorzweigpaaren (4.1/4.2 und 4.3/4.4) der Netz stromrichterbrücke ein weiteres Thyristorzweigpaar (13.2/13.1) angeordnet ist, an dessen Teilerpunkt (A′) ein Bremswiderstand (14) mit weiterem Anschluß an einen der Wechselspannungsanschlüsse (C) der Netzstromrichter brücke liegt und das auf der negativen Seite mit dem nega tiven Gleichspannungsanschluß (D) der Netzstromrichter brücke verbunden ist und auf der positiven Seite an die über einen Schalter (9) auftrennbare Verbindung der posi tiven Gleichspannungsanschlüsse (B) beider Thyristorzweig paare der Netzstromrichterbrücke hinter den Schalter (9) ge legt ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Gleichspannungsbetrieb die Gleichspannung über Filter (7, 8) an den Wechselspannungsanschlüssen (A, C) der Netzstromrichter brücke liegt und die Verbindung zwischen dem positiven Gleichspannungsausgang der Löschbrücke (10) und dem einen Sperrventil (4.10), das nicht mit dem Bremswiderstand (14) verbunden ist, durch einen Schaltkontakt (17.3) aufgetrennt ist, wobei beim Bremsen (Netz- oder Widerstandsbremse) zu sätzlich der Schalter (9) in der Netzstrombrücke geöffnet ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Wechselspannungsbetrieb der Schalter (9) in der Netzstrom richterbrücke und auch der Schaltkontakt (17.3) in der Ver bindung zu dem einen Sperrventil (4.10) beim Fahren und Bremsen (Netz- oder Widerstandsbremse) geschlossen sind.

4. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß bei Anliegen einer Gleichspannung von den Thyri storen der Netzstromrichterbrücke der obere (4.1) des linken Zweigpaares (4.1/4.2) bei Fahrbetrieb und der untere (4.2) als "Freilauf" innerhalb des Fahr- und Bremsbetriebes ge zündet wird.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Anliegen einer Gleichspannung von den Thyristoren der Netzstromrichterbrücke der obere (4.3) des rechten Zweipaares (4.3/4.4) im Bremsbetrieb dauernd gezündet ist und der untere (4.4) als Hauptthyristor mit fester Pulsfrequenz pulsmoduliert gesteuert wird.

6. Schaltungsanordnung nach den Ansprüchen 1, 2 bis 5, dadurch gekenn zeichnet, daß im Fahrbetrieb der Hauptthyristor (4.4) der Netzstromrichterbrücke in Verbindung mit den Thyri storen (4.5 bis 4.8) der Löschbrücke (10) und dem schalt kontaktfreien Sperrventil (4.9) als Gleichstromsteller wirksam ist.

7. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß bei Gleichspannungsbetrieb zum Bremsen von den Thyristoren des weiteren Zweigpaares (13.1/13.2) der untere (13.1) als Bremsthy ristor gezündet wird, wenn die Grenzspannung am Netzkon densator (8) erreicht ist.

8. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Wechselspannungsbetrieb zum Bremsen von den Thyristoren des weiteren Zweigpaares (13.1/13.2) je nach Polarität am Netzkondensator (8) der untere (13.1) oder obere Thyristor (13.2) als Bremsthyristor gezündet wird, wenn die Grenzspannung am Netzkondensator (8) er reicht ist.

9. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle des die Netzspannung sperren den Ventils (4.10) mit in Reihe liegendem Schaltkontakt (17.3) ein Thyristor (15) Verwendung findet, der bei Stellerbetrieb nicht mehr gezündet wird (Fig. 3).

10. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle des Schalters (9) und des oberen Thyristors (4.1) des linken Zweigpaares (4.1/4.2) ein lösbarer Thyristor (16) Verwendung findet.