DE3316885C2 - - Google Patents

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DE3316885C2
DE3316885C2 DE19833316885 DE3316885A DE3316885C2 DE 3316885 C2 DE3316885 C2 DE 3316885C2 DE 19833316885 DE19833316885 DE 19833316885 DE 3316885 A DE3316885 A DE 3316885A DE 3316885 C2 DE3316885 C2 DE 3316885C2
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    • B60—VEHICLES IN GENERAL
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    • B60L7/00—Electrodynamic brake systems for vehicles in general
    • B60L7/003—Dynamic electric braking by short circuiting the motor
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/66—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output with possibility of reversal
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    • H02M7/72—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output with possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/75—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output with possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a thyratron or thyristor type requiring extinguishing means
    • H02M7/757—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output with possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a thyratron or thyristor type requiring extinguishing means using semiconductor devices only

Description

Bei der Erfindung wird ausgegangen von einem kontaktlosen Zweiquadrantenstromrichter nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zur Regelung der Ausgangsspannung eines Zweiquadrantenstromrichters.The invention is based on a contactless one Two-quadrant converter according to the preamble of the claim 1. The invention also relates to a method for controlling the output voltage of a two-quadrant converter.

Mit den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 3 nimmt die Erfindung auf einen Stand der Technik Bezug, wie er aus der DE-Al 32 33 206 bekannt ist. Bei dem dort beschriebenen Gleichstromsteller, welcher auch den Spannungsbereich um Null kontinuierlich überstreichen kann, ist in der positiven Anspeisung ein zwangskommutierbarer Thyristorschalter und in der negativen Speiseleitung ein kontaktbehafteter Bremsschalter vorgesehen. Parallel zur Last ist ein Aussteuerungswiderstand mit einem Aussteuerungsthyristor in Reihe geschaltet. Die negative Lastklemme ist über eine Freilaufdiode mit der positiven Speisespannungsklemme verbunden. Die negative Speisespannungsklemme ist über einen Thyristor mit der positiven Lastklemme verbunden.With the preambles of claims 1 and 3, the invention takes to a prior art reference, as it is from DE-Al 32 33 206 is known. With the DC chopper described there, which also continuously sweeps the voltage range around zero can, there is a positively commutatable thyristor switch in the positive feed and a contact in the negative feed line Brake switch provided. A modulation resistor is parallel to the load connected in series with a modulation thyristor. The negative load terminal is connected to the positive via a freewheeling diode Supply voltage terminal connected. The negative supply voltage terminal is connected to the positive load terminal via a thyristor.

Die Umgruppierung mit einem mechanischen Bremsschalter hat schlechte dynamische Eigenschaften. Außerdem unterliegen die Kontakte einem dauernden Abbrand.The regrouping with a mechanical brake switch has bad dynamic properties. In addition, the contacts are subject to one constant burning.

Derartige Zweiquadrantenstromrichter werden insbesondere zum Betrieb von Wechsel-/Drehstrommaschinen mit vorgeschaltetem Wechselrichter und Gleichstromzwischenkreis verwendet.Such two-quadrant converters are used in particular for the operation of AC / three-phase machines with upstream Inverter and DC link used.

Um den Energieverbrauch der Fahrzeuge zu verringern, werden Nutzbremseinrichtungen verwendet, mit deren Hilfe ein Teil der mechanischen Bremsenergie in elektrische Energie umgewandelt und in das Stromversorgungsnetz zurückgespeist wird. Dabei arbeitet der Motor als Generator. Der Übergang vom Motor- auf Generatorbetrieb und umgekehrt erfordert eine Umgruppierung von Schaltelementen bzw. eine Umleitung des Stromflusses im Zweiquadrantenstromrichter.To reduce the energy consumption of vehicles Used braking devices with the help of which Part of the mechanical braking energy into electrical energy converted and fed back into the power supply network becomes. The engine works as a generator. The transition from engine to generator operation and vice versa a regrouping of switching elements or a Redirection of the current flow in the two-quadrant converter.

Aus der DE-OS 30 44 129 ist es bekannt, eine derartige Umgruppierung ohne mechanischen Schaltkontakt, der einem Verschleiß unterworfen ist und lange Schaltzeiten bedingt, mittels eines Umgruppierungsthyristors zu realisieren. Bei der dort angegebenen Schaltung wird für den Umgruppierungsthyristor keine besondere Löscheinrichtung benötigt; zum Löschen wird die Löscheinrichtung des Hauptthyristors in Verbindung mit einem zusätzlichen Löschventil verwendet.From DE-OS 30 44 129 it is known such Regrouping without mechanical switching contact, which one  Is subject to wear and causes long switching times, to realize by means of a regrouping thyristor. In the circuit specified there is for the regrouping thyristor no special extinguishing device required; the extinguishing device of the main thyristor used in conjunction with an additional extinguishing valve.

Diese bekannte Gleichstromstellerschaltung weist fünf Hauptzweige auf:This known DC regulator circuit has five main branches on:

  • - einen Zerhackerzweig mit Hauptthyristor und Rückschwingdiode für ein indirektes Einstellen des Zwischenkreisstromes durch Zerhacken der Eingangsspannung,- A chopper branch with a main thyristor and a flyback diode for an indirect setting of the intermediate circuit current by chopping the input voltage,
  • - einen Fahrschalterzweig mit Umgruppierungsthyristor für ein selbständiges Umgruppieren der Stromrichterschaltung,- A driving switch branch with regrouping thyristor for an independent regrouping of the converter circuit,
  • - einen Freilaufzweig mit Freilaufdiode zum Schließen der Freilaufmasche bei sperrendem Zerhacker in der Motorbetriebs- bzw. Fahrgruppierung und der Netzrückspeisemasche in der Bremsgruppierung,- A freewheeling branch with freewheeling diode for closing the freewheeling mesh with a blocking chopper in the engine operating or driving grouping and the regenerative mesh in the brake grouping,
  • - einen Netzrückspeisezweig mit einer Diode zum Schließen der Freilaufmasche bei leitendem Zerhacker und der Rückspeisemasche bei sperrendem Zerhacker in der Bremsgruppierung und- A regenerative branch with a diode for closing the free-running mesh with the conductive chopper and the regenerative mesh with blocking chopper in the brake grouping and
  • - einen Bremszweig mit Thyristor und Widerstand zur Übernahme der Bremsenergie bei nichtaufnahmefähigem Netz.- a brake branch with thyristor and resistor for takeover the braking energy in the case of non-absorbable network.

Nachteilig bei der bekannten Gleichstromstellerschaltung ist, daß der Übergang vom Motor- bzw. Fahrbetrieb auf Generator- bzw. Bremsbetrieb und umgekehrt nicht kontinuierlich vorgenommen werden kann. Infolge einer nicht beliebig reduzierbaren Mindestaussteuerung des Zerhackers läßt sich dessen Ausgangsspannung nicht kontinuierlich auf Null einstellen, so daß es zu einer sogenannten "toten Spannungszone" kommt, die bei der Umgruppierung übersprungen werden muß. Um diese Mindestaussteuerung möglichst klein zu bekommen, ist bei dieser Gleichstromstellerschaltung ein separater Umschwingkreis für den Hauptthyristor vorgesehen, der die Umschwingung der Kommutierungskapazität schon während des Freilaufs einleiten kann. Aus der Schweizer Zeitschrift Brown Boveri Mitteilungen 12 (1978) S. 777 bis 785, insbesondere S. 781, ist es bekannt, die Aussteuerung des Zerhackers durch einen Zerhacker-Aussetzbetrieb - auf Kosten von unerwünschten Netzrückwirkungen - zu verringern. Es ist auch bekannt, hinter dem Zerhacker im Starkstromteil zusätzlich einen Thyristor mit Pulsanschnittsteuerung vorzusehen, was einen zusätzlichen Aufwand bedingt.A disadvantage of the known DC regulator circuit is that the transition from engine or driving to Generator or brake operation and vice versa not continuously can be made. As a result of not one Minimum control of the chopper that can be reduced as required its output voltage cannot be continuous set to zero so that it becomes a so-called "dead Tension zone "comes, which skipped when regrouping  must become. To make this minimum level possible To get small is with this DC regulator circuit a separate ring circuit for the main thyristor provided the swinging around the commutation capacity can initiate during free-running. From the Swiss Brown Boveri Mitteilungen 12 (1978) p. 777 to 785, in particular p. 781, it is known that Control of the chopper by a chopper intermittent operation - at the expense of undesirable network effects - to reduce. It is also known behind the chopper in the high-current section, an additional thyristor with pulse control to provide what an additional effort conditionally.

Die Erfindung, wie sie in den Patentansprüchen 1 und 3 definiert ist, löst die Aufgabe, einen Zweiquadrantenstromrichter und ein Verfahren zur Regelung der Ausgangsspannung eines Zweiquadrantenstromrichters anzugeben, der ein schnelleres Umschalten von Motor- bzw. Fahrbetrieb auf Generator- bzw. Bremsbetrieb und umgekehrt von Fahrzeugmaschinen ermöglicht.The invention as defined in claims 1 and 3 is solving the task of a two-quadrant converter and a method for regulating the output voltage to specify a two-quadrant converter, the one faster switching from motor or driving operation on generator or braking operation and conversely made possible by vehicle machines.

Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß durch die schnelle Umschaltmöglichkeit ein ruckfreies Fahren von Fahrzeugen möglich wird.An advantage of the invention is that the ability to switch quickly smooth driving of vehicles becomes possible.

Zum Löschen des Umgruppierungsthyristors wird kein besonderes Löschventil benötigt. Sowohl diese Spannungseinstellung im "toten Spannungsbereich" als auch das Löschen des Umgruppierungsthyristors werden mit Hilfe des Bremszweiges des Zweiquadrantenstromrichters erreicht, der zur Umwandlung von Bremsenergie in Wärme dient, wenn die Aufnahmefähigkeit des Stromversorgungsnetzes für Bremsenergie abnimmt. To clear the regrouping thyristor no special extinguishing valve is required. Both of these Voltage setting in the "dead voltage range" as well clearing the regrouping thyristor will be using the braking branch of the two-quadrant converter is reached, which is used to convert braking energy into heat if the absorption capacity of the power supply network for braking energy decreases.  

Der Bremszweig nach dem erfindungsgemäßen Zweiquadrantenstromrichter erfüllt folgende drei Aufgaben:The braking branch after the two-quadrant converter according to the invention fulfills the following three tasks:

  • a) Umwandlung der Bremsenergie in Wärme bei Abnahme der Aufnahmefähigkeit des Stromnetzes,a) Converting the braking energy into heat when the Power grid absorption capacity,
  • b) Steuerung der Zweiquadrantenstromrichterausgangsspannung im Bereich der bisherigen "toten Spannungszone" undb) Control of the two-quadrant converter output voltage in the area of the previous "dead tension zone" and
  • c) Löschung des steuerbaren Umgruppierungsventils durch Übernahme des Zwischenkreisstromes.c) Deletion of the controllable regrouping valve by Takeover of the intermediate circuit current.

Die Löschfähigkeit des steuerbaren Hauptventils kann unabhängig von der Eingangsspannung gewährleistet werden. Bei großen Differenzen zwischen der Eingangsspannung - am Ausgang des Eingangsfilters - und der Spannung am Löschkondensator für das steuerbare Hauptventil treten keine Verluste auf; es erfolgt auch keine Rückladung ins Stromversorgungsnetz bzw. in die Gleichspannungsquelle. Für das steuerbare Hauptventil und das Löschventil können rückwärtsleitende Thyristoren verwendet werden, so daß die Schaltung vergleichsweise kostengünstig auf engem Raum untergebracht werden kann.The controllable main valve can be extinguished independently guaranteed by the input voltage. With large differences between the input voltage - at the output of the input filter - and the voltage at Kick extinguishing capacitor for the controllable main valve no losses on; there is also no reloading into the Power supply network or in the DC voltage source. For the controllable The main valve and the extinguishing valve can be directed backwards Thyristors are used, making the circuit comparatively inexpensively housed in a small space can be.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert.The invention is described below using an exemplary embodiment explained.

Es zeigen:Show it:

Fig. 1 eine Starkstromschaltung eines Drehstromantriebes mit einem erfindungsgemäßen Zweiquadrantenstromrichter 23 und Fig. 1 shows a power circuit of a three-phase drive with a two-quadrant converter 23 and

Fig. 2 ein Diagramm, das die mittlere Ausgangsspannung ₂₃ des Zweiquadrantenstromrichters 23 gemäß Fig. 1 in Abhängigkeit vom Einschaltverhältnis α des steuerbaren Hauptventils 5 sowie in Abhängigkeit vom Einschaltverhältnis β des Bremsthyristors 12 für verschiedene Werte des Zwischenkreisstromes I₁₅ im Bremsbetrieb darstellt. Fig. 2 is a diagram showing the average output voltage ₂₃ of the two-quadrant converter 23 of FIG. 1 depending on the duty ratio α of the controllable main valve 5 and depending on the duty ratio β of the brake thyristor 12 for different values of the intermediate circuit current I₁₅ in braking operation.

In Fig. 1 ist der erfindungsgemäße Zweiquadrantenstromrichter 23 eingangsseitig über ein Eingangsfilter 22 aus einer Filterdrossel 2 und einem Filterkondensator 3 an eine Gleichspannungsquelle 1, die ein Gleichspannungsnetz sein kann, angeschlossen. Am Ausgang des Eingangsfilters liegt die Gleichspannung U₃ an. Diese ist mit ihrem +Pol an den Eingang A des steuerbaren Hauptventils 5 geführt, das aus einem rückwärtsleitenden Thyristor besteht. Der Eingang A ist über einen Löschzweig für das Hauptventil 5, bestehend aus einer Reihenschaltung einer Löschdrossel 6, eines Löschkondensators 7 und eines steuerbaren Löschventils 8, das aus einem rückwärtsleitenden Thyristor besteht, mit dem Ausgang B des steuerbaren Hauptventils 5 verbunden. Dieser Ausgang B ist gleichzeitig ein Ausgang des Zweiquadrantenstromrichters 23. Ein zweiter Eingang C des Zweiquadrantenstromrichters 23 ist mit dem - Pol des Eingangsfilters 22 und mit dem -Pol der Gleichspannungsquelle 1 verbunden; er ist an den Ausgang eines steuerbaren Umgruppierungsventils bzw. an die Kathode eines Umgruppierungsthyristors 14 geführt und gleichzeitig über eine Freilaufdrossel 4 an den Eingang eines steuerbaren Freilaufventils bzw. an die Anode eines Freilaufthyristors 13. Dieser Freilaufthyristor 13 ist kathodenseitig mit dem Ausgang B verbunden. Der Eingang D des Umgruppierungsthyristors 14 ist gleichzeitig zweiter Ausgang des Zweiquadrantenstromrichters 23; er ist mit dem Eingang eines Bremsventils bzw. mit der Anode einer Rückspeisediode 9 verbunden, die kathodenseitig an den Eingang A des steuerbaren Hauptventils 5 angeschlossen ist. In FIG. 1, the two-quadrant converter 23 according to the invention is connected on the input side via an input filter 22 comprising a filter inductor 2 and a filter capacitor 3 to a DC voltage source 1 , which can be a DC voltage network. The DC voltage U₃ is present at the output of the input filter. This is led with its + pole to the input A of the controllable main valve 5 , which consists of a reverse conducting thyristor. The input A is connected to the output B of the controllable main valve 5 via an extinguishing branch for the main valve 5 , consisting of a series connection of an extinguishing throttle 6 , an extinguishing capacitor 7 and a controllable extinguishing valve 8 , which consists of a reverse conducting thyristor. This output B is also an output of the two-quadrant converter 23 . A second input C of the two-quadrant converter 23 is connected to the pole of the input filter 22 and to the pole of the DC voltage source 1 ; it is led to the output of a controllable regrouping valve or to the cathode of a regrouping thyristor 14 and at the same time via a freewheeling throttle 4 to the input of a controllable freewheeling valve or to the anode of a freewheeling thyristor 13 . This freewheeling thyristor 13 is connected on the cathode side to the output B. The input D of the regrouping thyristor 14 is also the second output of the two-quadrant converter 23 ; it is connected to the input of a brake valve or to the anode of a feedback diode 9 , which is connected on the cathode side to the input A of the controllable main valve 5 .

Der Ausgang B ist ferner über eine Reihenschaltung aus einer Bremsdrossel 10, einem Bremswiderstand 11 und dem steuerbaren Bremsventil bzw. einem Bremsthyristor 12 mit dem Ausgang D verbunden. Praktisch bestehen die Bremsdrossel 10 und der Bremswiderstand 11 aus einem einzigen induktivitätsbehafteten Widerstand.The output B is also connected to the output D via a series circuit comprising a brake choke 10 , a brake resistor 11 and the controllable brake valve or a brake thyristor 12 . In practice, the braking choke 10 and the braking resistor 11 consist of a single inductive resistor.

An den Ausgängen B und D des Zweiquadrantenstromrichters 23 liegt die Spannung U₂₃ an.At the outputs B and D of the two-quadrant converter 23 , the voltage U₂₃ is present.

Die Ausgänge des Zweiquadrantenstromrichters 23 sind über einen Gleichstromzwischenkreis 24 mit einem Wechselrichter 26 verbunden.The outputs of the two-quadrant converter 23 are connected to an inverter 26 via a direct current intermediate circuit 24 .

Der Gleichstromzwischenkreis 24 weist eine Zwischenkreisdrossel 15 zur Glättung eines eingeprägten bzw. Zwischenkreisstromes I₁₅ auf, die einerseits an den Ausgang B und andererseits an den Eingang einer ersten Brückenhälfte des Wechselrichters 26 geschlossen ist.The DC intermediate circuit 24 has an intermediate circuit choke 15 for smoothing an impressed or intermediate circuit current I₁₅, which is closed on the one hand to the output B and on the other hand to the input of a first bridge half of the inverter 26 .

Der an sich bekannte Wechselrichter 26 ist als sechspulsige Drehstrombrückenschaltung mit Phasenfolgelöschung ausgeführt, der den über die Zwischenkreisdrossel 15 zugeführten Zwischenkreisstrom I₁₅ entsprechend der vorgegebenen Frequenz in Blöcken von 120° über kurzschließbare Bremsvorwiderstände 27 auf die drei Wicklungsstränge der Asynchronmaschine bzw. des Asynchronmotors M verteilt.The inverter 26, which is known per se, is designed as a six-pulse three-phase bridge circuit with phase sequence cancellation, which distributes the intermediate circuit current I₁₅ supplied via the intermediate circuit choke 15 in accordance with the predetermined frequency in blocks of 120 ° via short-circuitable braking resistors 27 to the three winding phases of the asynchronous machine or the asynchronous motor M.

Der erfindungsgemäße Zweiquadrantenstromrichter 23 kann in vier Arbeitsbereichen I . . . IV betrieben werden, vgl. Fig. 2. ₂₃ bezeichnet den Mittelwert der Ausgangsspannung U₂₃ des Zweiquadrantenstromrichters 23, α das Einschaltverhältnis des steuerbaren Hauptventils 5. Bezeichnet man mit T die Periodendauer (Schaltfrequenz f = l/T), mit T₁ die Einschaltdauer, mit T₂ die Ausschaltdauer, T = T₁ + T₂, so ist α = T₁/T.The two-quadrant converter 23 according to the invention can be used in four working areas I. . . IV operated, cf. Fig. 2. ₂₃ denotes the mean value of the output voltage U₂₃ of the two-quadrant converter 23 , α, the duty cycle of the controllable main valve 5th If one designates T the period (switching frequency f = l / T), with T₁ the duty cycle, with T₂ the duration, T = T₁ + T₂, then α = T₁ / T.

Für reale Betriebsverhältnisse gilt zum Beispiel: U₃ = 600 V; 0,1 α 0,95; T = 2 ms.For example, for real operating conditions: U₃ = 600 V; 0.1 α 0.95; T = 2 ms.

β bezeichnet das Einschaltverhältnis des Bremsthyristors 12.β denotes the duty cycle of the brake thyristor 12 .

Die Periodendauer für den Bremsthyristor 12 stimmt mit derjenigen für das Hauptventil 5 überein. Es gilt:The period for the brake thyristor 12 coincides with that for the main valve 5 . The following applies:

α + β 1.α + β 1.

Reale Zwischenkreisströme I15/1 . . . I15/4 liegen im Bereich von 300 A . . . 750 A. Für sie gilt:Real DC link currents I 15/1 . . . I 15/4 are in the range of 300 A. . . 750 A. The following applies to you:

I15/1 < I15/2 < I15/3 < I15/4 = Imax.I 15/1 <I 15/2 <I 15/3 <I 15/4 = I max .

Regelverfahren im Arbeitsbereich IControl procedures in work area I

Im Arbeitsbereich I erfolgt die Regelung des Zwischenkreisstromes I₁₅ durch periodisches Zünden des rückwärtsleitenden Hauptthyristors 5. Während der Einschaltdauer des Hauptthyristors 5 fließt ein Strom vom +Pol der Gleichspannungsquelle 1 über die Filterdrossel 2, den Hauptthyristor 5, die Zwischenkreisdrossel 15, den Wechselrichter 26 mit angeschlossenem Asynchronmotor M und den Umgruppierungsthyristor 14 zum -Pol der Gleichspannungsquelle. Während der Ausschaltdauer des Hauptthyristors 5 fließt der eingeprägte Zwischenkreisstrom I₁₅ von der Zwischenkreisdrossel 15 über den Wechselrichter 26 mit angeschlossenem Asynchronmotor M, den Umgruppierungsthyristor 14, die Freilaufdrossel 4 und den Freilaufthyristor 13 zurück zur Zwischenkreisdrossel 15. Der Zeitpunkt der Zündung des steuerbaren Löschventils 8 wird durch das für den Fahrbetrieb gewünschte Einschaltverhältnis α gegeben. In the work area I, the control of the intermediate circuit current I₁₅ is carried out by periodically firing the reverse conducting main thyristor 5 . During the on period of the main thyristor 5 , a current flows from the + pole of the DC voltage source 1 via the filter choke 2 , the main thyristor 5 , the intermediate circuit choke 15 , the inverter 26 with connected asynchronous motor M and the regrouping thyristor 14 to the pole of the DC voltage source. During the switch-off period of the main thyristor 5 , the impressed intermediate circuit current I 1 flows from the intermediate circuit reactor 15 via the inverter 26 with connected asynchronous motor M, the regrouping thyristor 14 , the freewheeling reactor 4 and the freewheeling thyristor 13 back to the intermediate circuit reactor 15 . The timing of the ignition of the controllable extinguishing valve 8 is given by the switch-on ratio α desired for the driving operation.

Je größer der α-Wert, desto größer ist die mittlere Ausgangsspannung ₂₃. Die Löschfähigkeit des Hauptthyristors 5 ist von der Spannung U₇ am Löschkondensator 7 abhängig. Somit kann der Zündzeitpunkt für das Löschventil 8 auch vom Betrag der Spannung U₇ abhängig gemacht werden.The larger the α value, the greater the mean output voltage ₂₃. The extinguishing capacity of the main thyristor 5 is dependent on the voltage U₇ across the quenching capacitor 7 . The ignition timing for the extinguishing valve 8 can thus also be made dependent on the magnitude of the voltage U₇.

Der Momentanwert der Spannung U₂₃ pendelt zwischen 0 beim Freilauf und +U₃ bei leitendem Hauptventil 5. Der Mittelwert ₂₃ dieser Spannung ist durch ₂₃ = α · U₃ gegeben. Dabei ist α im Bereich von z. B. αmin ≈ 0,1 bis αmax ≈ 0,95 einstellbar.The instantaneous value of the voltage U₂₃ oscillates between 0 when freewheeling and + U₃ when the main valve 5 is on . The mean ₂₃ of this voltage is given by ₂₃ = α · U₃. Here, α is in the range of z. B. α min ≈ 0.1 to α max ≈ 0.95 adjustable.

Regelverfahren im Arbeitsbereich IIStandard procedure in work area II

Der Arbeitsbereich II betrifft den Anfahrbereich sowie den Übergang aus dem Fahr- bzw. Motorbetrieb in den Brems- bzw. Generatorbetrieb der Asynchronmaschine M, die sogenannte "tote Spannungszone" bekannter Netzstromrichter, die z. B. von +60 V bis -60 V gehen kann. Der Zwischenkreisstrom I₁₅ wird durch zyklisches Zünden der Thyristoren 5 und 14, 8, 12 sowie 13 und 14 geregelt.The work area II relates to the start-up area and the transition from driving or motor operation to braking or generator operation of the asynchronous machine M, the so-called "dead voltage zone" of known mains converters which, for. B. can go from +60 V to -60 V. The intermediate circuit current I₁₅ is regulated by cyclic firing of the thyristors 5 and 14 , 8 , 12 and 13 and 14 .

Es werden zunächst der Hauptthyristor 5 und der Umgruppierungsthyristor 14 gezündet, so daß eine positive Spannungszeitfläche bzw. ein positives Spannungszeitprodukt entsteht, wie im Arbeitsbereich I während der Einschaltdauer des Hauptthyristors 5. Auch der Stromfluß ist der gleiche wie dort.First, the main thyristor 5 and the regrouping thyristor 14 are ignited, so that a positive voltage time area or a positive voltage time product is produced, as in the working area I during the on period of the main thyristor 5 . The current flow is also the same as there.

Der Zündzeitpunkt für den Löschthyristor 8 wird so gewählt, daß der Hauptthyristor 5 mit minimaler Aussteuerung α = αmin betrieben wird.The ignition timing for the quench thyristor 8 is selected so that the main thyristor 5 is operated with minimal modulation α = α min .

Danach wird im Unterschied zum Arbeitsbereich I nicht der Freilaufthyristor 13, sondern der Bremsthyristor 12 gezündet, wobei der Zeitpunkt der Zündung ähnlich wie der für den Freilaufthyristor 13 im Arbeitsbereich I gewählt werden kann. Dadurch wird der Freilaufkreis durch den Bremszweig geöffnet und während der Laufzeit des Bremsthyristors 12 ein negatives Spannungszeitprodukt gebildet.Thereafter, in contrast to the working area I, not the freewheeling thyristor 13 but the braking thyristor 12 is fired, the timing of the firing being similar to that for the freewheeling thyristor 13 in the working area I can be selected. As a result, the freewheeling circuit is opened by the braking branch and a negative voltage-time product is formed during the running time of the braking thyristor 12 .

Danach erfolgt die Zündung des Umgruppierungsthyristors 14 und des Freilaufthyristors 13, wobei der Zündzeitpunkt von dem gewünschten Einschaltverhältnis β für den Bremsthyristor 12 abhängt. Je länger der eingeprägte Zwischenkreisstrom I₁₅ durch den Bremszweig fließt, desto größer ist das negative Spannungszeitprodukt und umso kleiner der Mittelwert der Spannung ₂₃ am Ausgang des Zweiquadrantenstromrichters. Für Zwischenkreisströme I15/2 bis I15/4 im lückenlosen Betrieb kann die mittlere Spannung ₂₃ stufenlos zwischen U₃ · αmin und -U₃ (1-αmax) eingestellt werden.Thereafter, the ignition of the Umgruppierungsthyristors 14 and the Freilaufthyristors 13, whereby the ignition timing from the desired duty ratio β depends on the Bremsthyristor 12th The longer the impressed intermediate circuit current I₁₅ flows through the braking branch, the greater the negative voltage-time product and the smaller the mean value of the voltage ₂₃ at the output of the two-quadrant converter. For DC link currents I 15/2 to I 15/4 in seamless operation, the mean voltage ₂₃ can be set continuously between U₃ · α min and -U₃ (1-α max ).

Die mittlere Spannung ₂₃ am Ausgang des Zweiquadrantenstromrichters 23 ergibt sich aus:The average voltage ₂₃ at the output of the two-quadrant converter 23 results from:

₂₃ = U₃ · α - R₁₁ · I₁₅ · β,₂₃ = U₃ · α - R₁₁ · I₁₅ · β,

wobei R₁₁ den Wert des Bremswiderstandes 11 bezeichnet.wherein R₁₁ denotes the value of the braking resistor 11 .

Regelverfahren im Arbeitsbereich IIIControl procedures in work area III

Der Arbeitsbereich III betrifft die Bremsgruppierung mit Nutzbremsung, bei der die Zündimpulse für den Umgruppierungsthyristor 14 gesperrt bleiben, nachdem dieser nichtleitend bzw. gesperrt wurde. In diesem Arbeitsbereich arbeitet die Asynchronmaschine M als Generator, wobei die Spannung am Ausgang C positiv gegenüber der Spannung am Ausgang B ist; ₂₃ ist folglich negativ. Der Hauptthyristor 5 wird wie im Arbeitsbereich I betrieben. Während der Einschaltdauer des Hauptthyristors 5 fließt ein Zwischenkreisstrom I₁₅ von der Asynchronmaschine M über die untere Wechselrichterbrückenhälfte in Fig. 1, durch die Rückspeisediode 9, den Hauptthyristor 5, die Zwischenkreisdrossel 15 und die obere Wechselrichterbrückenhälfte zurück zur Asynchronmaschine M. Während der Ausschaltdauer des Hauptthyristors 5 fließt der Zwischenkreisstrom I₁₅ von der Asynchronmaschine M über die untere Wechselrichterbrückenhälfte, die Rückspeisediode 9, die Filterdrossel 2, die Gleichspannungsquelle 1, die Freilaufdrossel 4, den Freilaufthyristor 13, die Zwischenkreisdrossel 15 und die obere Wechselrichterbrückenhälfte zurück zur Asynchronmaschine M, wobei Bremsenergie in die Gleichspannungsquelle 1 bzw. in das Netz eingespeist wird. Der Momentanwert der Spannung U₂₃ pendelt zwischen Null bei leitendem Hauptthyristor 5 und -U₃ bei Rückspeisung. Der Mittelwert der Spannung am Ausgang des Zweiquadrantenstromrichters 23 beträgt:Working area III relates to the brake grouping with regenerative braking, in which the ignition pulses for the regrouping thyristor 14 remain blocked after the latter has been turned off or blocked. In this working area, the asynchronous machine M works as a generator, the voltage at output C being positive compared to the voltage at output B; ₂₃ is therefore negative. The main thyristor 5 is operated as in work area I. During the duty cycle of the main thyristor 5 flows intermediate circuit current I₁₅ of the induction motor M via the lower inverter bridge half in Fig. 1, through the feedback diode 9, the main thyristor 5, the DC reactor 15 and the upper inverter bridge half back to the asynchronous machine M. During the off-time of the main thyristor 5 flows the intermediate circuit current I₁₅ from the asynchronous machine M via the lower half of the inverter bridge, the feedback diode 9 , the filter inductor 2 , the DC voltage source 1 , the freewheeling inductor 4 , the freewheeling thyristor 13 , the intermediate circuit reactor 15 and the upper half of the inverter bridge back to the asynchronous machine M, with braking energy in the DC voltage source 1 or is fed into the grid. The instantaneous value of the voltage U₂₃ oscillates between zero when the main thyristor 5 is conductive and -U₃ when it is fed back. The mean value of the voltage at the output of the two-quadrant converter 23 is:

₂₃ = -U₃ (1-α).₂₃ = -U₃ (1-α).

Regelverfahren im Arbeitsbereich IVStandard procedure in work area IV

Der Arbeitsbereich IV betrifft eine kombinierte Nutz-/Widerstandsbremsung mit einer Bremsgruppierung entsprechend dem Arbeitsbereich III, wobei bei nicht voll aufnahmefähiger Gleichspannungsquelle bzw. bei nicht voll aufnahmefähigem Netz ein Teil der Bremsenergie in die Gleichspannungsquelle bzw. in das Netz eingespeist und ein Teil im Bremswiderstand 11 in Wärme umgewandelt wird. Wenn die Toleranzgrenze für die Spannungszunahme der Gleichspannungsquelle erreicht ist, wird die Bremsenergie vollständig im Bremswiderstand in Wärme umgewandelt. Die Zündung und Löschung des Hauptthyristors 5 erfolgt wie im Arbeitsbereich III. Während der Ausschaltdauer des Hauptthyristors 5 wird zusätzlich zum Freilaufthyristor 13 und zeitlich danach der Bremsthyristor 12 gezündet, wobei der Zündzeitpunkt für den Bremsthyristor 12 von der Aufnahmefähigkeit der Gleichspannungsquelle abhängt. Der Freilaufthyristor 13 wird wie in den Arbeitsbereichen I und III gezündet.Working area IV relates to combined useful / resistance braking with a brake grouping corresponding to working area III, with part of the braking energy being fed into the direct voltage source or into the network and part in the braking resistor 11 if the DC voltage source is not fully absorbable or the network is not fully absorbable is converted into heat. When the tolerance limit for the voltage increase of the DC voltage source is reached, the braking energy is completely converted into heat in the braking resistor. The main thyristor 5 is ignited and extinguished as in work area III. During the switch-off period of the main thyristor 5 , in addition to the freewheeling thyristor 13 and afterwards the braking thyristor 12 is ignited, the ignition timing for the braking thyristor 12 depending on the absorption capacity of the DC voltage source. The freewheeling thyristor 13 is ignited as in work areas I and III.

In Fig. 2 ist für einen Wert α′ des Einschaltverhältnisses α und für unterschiedliche Einschaltverhältnisse β sowie für unterschiedliche Zwischenkreisströme I15/1 . . . I15/4 der Wert der Spannung ₂₃ angegeben, wobei wieder gilt:
I15/1 < I15/2 < I15/3 < I15/4 = Imax. Der Betrag der Spannung ₂₃ nimmt dabei mit zunehmendem Einschaltverhältnis β ab. Der Mittelwert der Spannung am Ausgang des Zweiquadrantenstromrichters 23 beträgt:In Fig. 2 is for a value α 'of the duty ratio α and for different duty ratios β and for different intermediate circuit currents I 15/1 . . . I 15/4 the value of the voltage ₂₃ given, again the following applies:
I 15/1 <I 15/2 <I 15/3 <I 15/4 = I max . The amount of voltage ₂₃ decreases with increasing duty cycle β. The mean value of the voltage at the output of the two-quadrant converter 23 is:

₂₃ = -U₃ (1 - α - β) - R₁₁ · I₁₅ · β.₂₃ = -U₃ (1 - α - β) - R₁₁ · I₁₅ · β.

UmgruppierungsvorgangRegrouping process

Soll vom Fahrbetrieb auf Bremsbetrieb übergegangen werden, so wird nach dem Löschen des Hauptthyristors 5 der Bremsthyristor 12 gezündet. Der Zwischenkreisstrom I₁₅ geht dann völlig über den Bremszweig, so daß der Umgruppierungsthyristor 14 stromlos wird. Nach Ablauf der für den Umgruppierungsthyristor 14 erforderlichen Freiwerdezeit kann der Hauptthyristor 5 gezündet werden, damit der Zwischenkreisstrom I₁₅ nicht unnötig abnimmt. Nach der Umgruppierung wird die Zündung für den Umgruppierungsthyristor blockiert.If you want to switch from driving to braking, the braking thyristor 12 is ignited after the main thyristor 5 has been extinguished. The intermediate circuit current I₁₅ then goes completely through the braking branch, so that the regrouping thyristor 14 is de-energized. After the expiry time required for the regrouping thyristor 14 , the main thyristor 5 can be ignited so that the intermediate circuit current I₁₅ does not decrease unnecessarily. After the regrouping, the firing for the regrouping thyristor is blocked.

Soll vom Brems- auf Fahrbetrieb übergegangen werden, so werden die Zündimpulse für den Umgruppierungsthyristor 14 freigegeben.If it is desired to switch from braking to driving, the ignition pulses for the regrouping thyristor 14 are released.

Der Erfindungsgegenstand ist auf das in den Zeichnungen Dargestellte selbstverständlich nicht beschränkt. So könnte anstelle des Hauptthyristors 5 und des dazugehörigen Löschkreises auch ein anderer kontaktloser Zerhacker oder Gleichstromsteller verwendet werden. Insbesondere kann das steuerbare Hauptventil 5 und das steuerbare Bremsventil 12 aus löschbaren Thyristoren (GTO) bestehen. Dabei entfällt der Löschkreis für das Hauptventil 5. Zwischen der Filterdrossel 2 und dem Eingang A des Hauptventils 5 könnte eine Drossel zur Begrenzung der Anstiegsgeschwindigkeit des Eingangsstroms vorgesehen sein, gegebenenfalls anstelle der Freilaufdrossel 4. Mit der Freilaufdrossel 4 wird jedoch erreicht, daß sowohl im α - als auch im β-Betrieb die Spannung U₇ am Löschkondensator 7 annähernd gleich groß wird.The subject matter of the invention is of course not limited to what is shown in the drawings. Instead of the main thyristor 5 and the associated quenching circuit, another contactless chopper or DC chopper could also be used. In particular, the controllable main valve 5 and the controllable brake valve 12 can consist of erasable thyristors (GTO). The extinguishing circuit for the main valve 5 is omitted. Between the filter throttle 2 and the input A of the main valve 5 , a throttle could be provided to limit the rate of increase of the input current, possibly instead of the freewheeling throttle 4 . With the freewheeling choke 4 , however, it is achieved that the voltage U₇ at the quenching capacitor 7 becomes approximately the same in both the α and the β mode.

Claims (5)

1. Zweiquadrantenstromrichter, insbesondere für Verbraucher mit einem Gleichstromzwischenkreis,
  • a) mit einem steuerbaren Hauptventil (5),
  • b) das eingangsseitig (A) mit einem 1. Pol (+) einer Gleichspannungsquelle (1) und ausgangsseitig mit einem 1. Ausgang (B) des Zweiquadrantenstromrichters (23) in Verbindung steht,
  • c) mit einem steuerbaren Umgruppierungsventil (14),
  • d) das eingangsseitig mit einem 2. Ausgang (D) des Zweiquadrantenstromrichters und ausgangsseitig mit einem 2. Pol (-) dieser Gleichspannungsquelle (1) in Verbindung steht,
  • e) mit einem Rückspeiseventil (9), das eingangsseitig mit dem 2. Ausgang (D) des Zweiquadrantenstromrichters (23) und ausgangsseitig mit dem Eingang (A) des steuerbaren Hauptventils (5) in Verbindung steht,
  • f) mit einem steuerbaren Freilaufventil (13), das eingangsseitig mit dem Ausgang (C) des steuerbaren Umgruppierungsventils (14) und ausgangsseitig mit dem 1. Ausgang (B) des Zweiquadrantenstromrichters (23) in Verbindung steht,
  • g) mit einem steuerbaren Bremsventil (12), das in Reihe mit einem Bremswiderstand (11) zwischen dem 1. Ausgang (B) und dem 2. Ausgang (D) des Zweiquadrantenstromrichters (23) angeschlossen ist,
1. two-quadrant converters, in particular for consumers with a DC link,
  • a) with a controllable main valve ( 5 ),
  • b) which is connected on the input side (A) to a 1st pole (+) of a DC voltage source ( 1 ) and on the output side to a 1st output (B) of the two-quadrant converter ( 23 ),
  • c) with a controllable regrouping valve ( 14 ),
  • d) which is connected on the input side to a second output (D) of the two-quadrant converter and on the output side to a second pole (-) of this DC voltage source ( 1 ),
  • e) with a regenerative valve ( 9 ) which is connected on the input side to the second output (D) of the two-quadrant converter ( 23 ) and on the output side to the input (A) of the controllable main valve ( 5 ),
  • f) with a controllable freewheel valve ( 13 ) which is connected on the input side to the output (C) of the controllable regrouping valve ( 14 ) and on the output side to the 1st output (B) of the two-quadrant converter ( 23 ),
  • g) with a controllable brake valve ( 12 ) which is connected in series with a braking resistor ( 11 ) between the 1st output (B) and the 2nd output (D) of the two-quadrant converter ( 23 ),
dadurch gekennzeichnet,
  • h) daß alle steuerbaren Ventile (5, 8, 12-14) kontaktlos sind und
  • i) daß eine Freilaufdrossel (4) in Reihe mit dem steuerbaren Freilaufventil (13) geschaltet ist.
 characterized by
  • h) that all controllable valves ( 5, 8, 12 - 14 ) are contactless and
  • i) that a free-wheel throttle ( 4 ) is connected in series with the controllable free-wheel valve ( 13 ).
2. Zweiquadrantenstromrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das steuerbare Bremsventil (12) ein abschaltbarer GTO-Thyristor ist. 2. Two-quadrant converter according to claim 1, characterized in that the controllable brake valve ( 12 ) is a GTO thyristor that can be switched off. 3. Verfahren zur Regelung der Ausgangsspannung eines Zweiquadrantenstromrichters (23) nach Anspruch 1 oder 2,
  • a) bei dem der Mittelwert der Ausgangsspannung (U₂₃) in einem I. Arbeitsbereich mit einer 1. Polarität und
  • b) in einem III. Arbeitsbereich mit einer entgegengesetzten 2. Polarität,
  • c) in Abhängigkeit von einem Einschaltverhältnis (α) des steuerbaren Hauptventils (5) auf einen vorgebbaren Wert gebracht wird,
  • d) wobei in einem II. Übergangsbereich zwischen diesem I. und III. Arbeitsbereich der Mittelwert dieser Ausgangsspannung (U₂₃) in Abhängigkeit von einem vorgebbaren Einschaltverhältnis (β) des steuerbaren Bremsventils (12) eingestellt wird, wobei der Freilaufstrom während einer diesem Einschaltverhältnis (β) entsprechenden Zeitdauer zunächst durch den Bremszweig (12-10) mit dem Bremswiderstand (11) und danach durch einen Freilaufzweig ohne Bremswiderstand gesteuert wird,
3. A method for controlling the output voltage of a two-quadrant converter ( 23 ) according to claim 1 or 2,
  • a) in which the mean value of the output voltage (U₂₃) in a I. work area with a 1st polarity and
  • b) in a III. Working area with an opposite 2nd polarity,
  • c) is brought to a predeterminable value as a function of a duty ratio (α) of the controllable main valve ( 5 ),
  • d) where in a II. transition area between these I. and III. Working range of the mean value of this output voltage (U₂₃) is set as a function of a predefinable duty ratio (β) of the controllable brake valve ( 12 ), the freewheeling current during a period corresponding to this duty ratio (β) first through the braking branch ( 12 - 10 ) with the braking resistor ( 11 ) and then controlled by a free-wheeling branch without braking resistor,
dadurch gekennzeichnet,
  • e) daß das Einschaltverhältnis (α) des steuerbaren Hauptventils (5) im II. Arbeitsbereich auf seinem Minimalwert (αmin) gehalten wird.
characterized,
  • e) that the duty ratio (α) of the controllable main valve ( 5 ) in the II. working range is kept at its minimum value (α min ).
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