DE3826755C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung für den Gleich­ stromstellerbetrieb eines Elektromotors im Fahr- und Bremsmodus, wie sie im Oberbegriff des Anspruches 1 näher definiert ist.

Eine derartige Schaltung ist z. B. aus der DE-PS 33 16 280 für eine Fahr­ motorsteuerung bekannt.

Dort geht es speziell um eine Zusatzbeschaltung für ein abschaltbares Halbleiterventil (GTO-Thyristor), insbesondere zur Verwendung in Gleich­ stromstellern, das bereits mit einer normalen RCD-Beschaltung, d. h. der Reihenschaltung eines Widerstandes mit paralleler Diode und einem Be­ schaltungs- oder Bedämpfungskondensator versehen ist. Dem Beschaltungs­ kondensator der RCD-Beschaltung wird danach ein vorgeladener Zusatzkonden­ sator wesentlich größerer Kapazität parallelgeschaltet, der dann wirksam wird, sobald die Ladespannung am Bedämpfungskondensator beim Sperren des abschaltbaren Ventils einen definierten Wert überschreitet. Mit jedem Ein­ schalten des abschaltbaren Ventils wird der Zusatzkondensator nur noch bis zum definierten Wert entladen. Derart ausgerüstete abschaltbare Ventile (GTO-Thyristoren) können nach der genannten bekannten Schrift sowohl im Hauptschaltkreis als auch im Löschstromzweig von Gleichstromstellern bei elektrischen Bahnen Anwendung finden.

Nach der bekannten Schaltung muß die Anordnung ständig am Fahrleitungsnetz liegen oder es sind nichtabschaltfähige Verbraucher nötig, die die im Bremsbetrieb entstehende überschüssige Energie aufnehmen können. Ist dies nicht der Fall, führt das zu unerwünschten Spannungserhöhungen.

Ist das Fahrleitungsnetz nicht aufnahme- oder rückspeisefähig, muß über Bremswiderstände gebremst werden. Der Bremswiderstand kann jedoch nur die Bremsenergie umsetzen und ist für den Abbau von Spannungserhöhungen aus schaltungstechnischen Gründen nicht verwendbar. Man kann statt dessen einen Entladewiderstand benutzen, über den Spannungserhöhungen am Zusatz­ kondensator abgebaut werden können, jedoch stört dabei der bisher zu trei­ bende Schaltungsaufwand mit einer zusätzlichen Schalteinrichtung, ferner stören die hohen Verluste an einem Dauergrundlastwiderstand bei anderen Betriebszuständen und die dadurch notwendig werdende aufwendige Kühlung.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Entladung des Zusatzkondensators bei der Betriebsart "netzgetrennte Bremse" zu erreichen, ohne daß ein Entladewider­ stand in den anderen Betriebszuständen das Netz belastet und ohne daß weitere mechanische oder elektronische Schalteinrichtungen benötigt werden.

Diese Aufgabe wird für eine Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Eine vorteil­ hafte Ausgestaltung ist dem Unteranspruch entnehmbar.

Anhand eines Ausführungsbeispiels wird die Erfindung im nachstehenden näher erläutert.

Die Figur zeigt den Stromlaufplan der Fahr-Bremssteuerung eines elektrischen Fahrzeuges. Der Stromlaufplan ist - entgegen üblicher Darstellung - in umge­ kehrter Polung erstellt, wie es z. B. bei der Berliner S-Bahn der Fall ist.

An der stromversorgenden dritten Schiene 1 liegen dabei -800 V an. Diese Gleichspannung wird über einen Netzautomaten Q, eine Netzdrossel L_N, ein Vorladeschütz 1K 2 und ein Netzstromschütz NTS der Fahr-Bremsschaltung zu­ geführt. Der eingeprägte Strom verläuft im Fahrbetrieb von der Fahrschiene (+) über einen Gleichstromsteller mit Gegentaktthyristoren HT 1, HT 2, einen Phasenfolgewechselrichter PFWR, der Drehstrommotore M speist, eine Zwischen­ kreisdrossel L_ZK, ein Fahrbremsschütz FBS, ein Netztrennschütz NTS und weiter über 1K 2, L_N, Q zur dritten Schiene 1. Mit R_L ist noch ein Vorlade­ widerstand bezeichnet, über den ein stützender Netzkondensator C_Netz mit Verpolschutz D₁ zunächst aufgeladen wird und der für volle Leistungsüber­ gabe durch ein Vorladeschütz mit Kontakt 1K 2 überbrückbar ist. R_Brems ist ein Bremswiderstand. Die Drossel L 1 und die Freilaufdiode FD bilden den Freilaufkreis der Schaltung, wobei L 1 den Stromanstieg in den Hauptthyri­ storen HT 1 und HT 2 zu begrenzen hat, wenn diese auf den Netzkondensator C_Netz bei noch leitender Freilaufdiode FD schalten.

Die Hauptthyristoren HT 1 bzw. HT 2 werden ebenso wie der Bremsthyristor BT über einen abschaltbaren Löschthyristor GTO gelöscht, der in üblicher Weise mit einem Beschaltungskondensator C_B sowie den Elementen V 18 und R 18 RCD- beschaltet ist. Die Teilkondensatoren C 1, C 2 dienen als Spannungsquelle und gehören mit den Koppeldioden D₂ bis D₅ zu einer besonderen Lösch­ schaltung.

Der Widerstandsbremskreis wird durch den schon erwähnten Bremsthyristor BT, eine Bremsdiode BD und den Bremswiderstand R_Brems gebildet. KD ist eine weitere Koppeldiode. Die Zusatzbeschaltung besteht aus einem Koppelventil V 11 und einem Zusatzkondensator C_Z. Die Elemente V 12, R 17, L 2 arbeiten mit dem Zusatzkondensator C_Z zusammen und stehen im Zusammenhang mit der Spannungsbegrenzung beim Abschalten des Löschthyristors GTO. R_Z ist ein Entladewiderstand, dessen besondere Schaltung hier im Vordergrund steht.

Zur Funktion

Beim Löschvorgang der Hauptthyristoren HT 1, HT 2 übernimmt zunächst der Ab­ schaltthyristor GTO den Strom aus dem jeweiligen Hauptthyristor. Hat der Hauptthyristor seine Sperrfähigkeit wiedergewonnen, wird der GTO-Thyristor abgeschaltet und der Strom in den Freilaufkreis mit L₁ und FD gezwungen.

Beim Ausschalten des GTO's kommutiert der Strom durch den niederinduktiven Anschluß der GTO-Beschaltung (Beschaltungskondensator C_B und Beschaltungs­ diode V 18) schnell in den Zweig mit den Beschaltungselementen C_B und V 18. Da die Kapazität des Beschaltungskondensators C_B relativ klein ist, wird C_B relativ schnell durch den konstanten Laststrom linear aufgeladen und es entsteht erstmals eine Überspannung am Beschaltungskondensator C_B. Man wählt für C_B eine kleine Kapazität, da man bei der Entladung des Be­ schaltungskondensators C_B nicht zu große Verlustenergien im Einschalt­ moment des GTO's am Beschaltungswiderstand entstehen lassen will. Dem steht jedoch die Höhe der entstehenden Überspannung am GTO beim Abschalten ent­ gegen. Wäre keine Zusatzbeschaltung vorhanden, in die der Laststrom kommu­ tieren könnte, würde die Überspannung am GTO auf nicht akzeptable Werte ansteigen mit den Nachteilen hoher Bauteilkosten und einem schlechteren Schaltverhalten des GTO's. Steigt nun die Spannung am Beschaltungskonden­ sator C_B über den vorgeladenen Spannungswert von Zusatzkondensator C_Z, stellt sich ein Kommutierungsstrom aus C_B in C_Z ein. Durch die Parallel­ schaltung von C_B und C_Z wirkt eine höhere Beschaltungskapazität für den GTO-Thyristor und es sinkt der Spannungszuwachs am Beschaltungskondensator C_B. Das Spannungsmaximum an C_B wird erreicht, wenn die Höhe des Kommutierungs­ stromes die Laststromhöhe erreicht. Dann sperrt das Beschaltungsventil V 18 und der Laststrom geht ausschließlich über Zusatzkondensator C_Z und Koppel­ ventil V 11.

Die Spannung am Zusatzkondensator C_Z steigt nun nur relativ langsam an, da die Kapazität von C_Z um ein Vielfaches größer ist (Faktor 30 bis 100) als die des Beschaltungskondensators C_B. Da die Spannung am Zusatzkonden­ sator C_Z den Spannungswert am Netzkondensator C_Netz durch die Aufladung mit dem Laststrom überschreitet, stellt sich nunmehr ein Kommutierungsstrom aus Zusatzkondensator C_Z in den Netzkondensator C_Netz hinein ein. Dieser Strom fließt über L 1, Freilaufdiode FD und in Rückwärtsrichtung über V 11. Erreicht dabei der Kommutierungsstrom die Höhe des Laststromes, sperrt Koppelventil V 11 und der Laststrom geht voll über die Freilaufdiode FD. Der Kommutierungsvorgang "Strom aus GTO in die Freilaufdiode FD" ist beendet. Jedoch liegt die Spannung von Zusatz­ kondensator C_Z noch oberhalb der des Netzkondensators C_Netz. Die Spannungs­ überhöhung beträgt abhängig von der Laststromhöhe ΔU = U_C - U_C.

Diese Überspannung ΔU muß während eines Choppertaktes wieder abgebaut werden, da beim nächsten Kommutierungsvorgang wieder eine Überladung am Zu­ satzkondensator C_Z entsteht und sonst C_Z weiter hochgeladen werden würde.

Die Entladung von C_Z in den Netzkondensator C_Netz erfolgt über die Ele­ mente L 1, V 12, L 2 und dem niederohmigen Widerstand R 17, der Schwingungen beim Ausgleichsvorgang zwischen Netzkondensator C_Netz und Zusatzkonden­ sator C_Z bedämpfen soll. Die Entladung von Zusatzkondensator C_Z ist ver­ lustarm, da die Entladeenergie als Nutzenergie im Netzkondensator C_Netz zur Verfügung steht. Der Entladewiderstand R_Z ist beim Fahren wirkungslos (Fahr-Brems-Schütz = FBS betriebsbedingt geschlossen), da die Bremsdiode BD in diesem Betriebszustand ständig gesperrt ist und quasi als geöffneter Schalter wirkt.

Beim Bremsen ist das Fahrbremsschütz FBS geöffnet. Damit muß der konstante Laststrom ständig über die Bremsdiode BD, Bremswiderstand R_Brems und Koppeldiode K_D in Vorwärtsrichtung fließen (BD wirkt als geschlossener Schalter).

Im Betriebszustand "netzgetrennte Bremse" fließt somit beim Kommutierungs­ vorgang Strom aus dem abschaltbaren Ventil GTO in den Bremszweig mit Brems­ widerstand R_Brems und Bremsthyristor BT. Es entsteht auch hier eine Über­ spannung am Zusatzkondensator C_Z, da auch hier im Fall des Abschaltens der Laststrom nicht sofort in den Bremszweig fließt, weil auch im Bremszweig nicht zu vernachlässigende Induktivitäten vorhanden sind. Eine Entladung von Zusatzkondensator C_Z über den Netzkondensator C_Netz ist jedoch nicht möglich, da das Netztrennschütz NTS in diesem Betriebszustand geöffnet sein muß. Hier setzt die Erfindung ein. Sie besteht in einem Entladewiderstand R_Z, der zwischen der Anodenseite der Bremsdiode BD und dem Teilerpunkt von Zusatzkondensator C_Z und Koppelventil V 11 angeschlossen ist. Der Entlade­ widerstand R_Z wirkt derart, daß während eines Bremsvorganges mit Bremsstrom über die Bremsdiode BD in Vorwärtsrichtung ein Entladestrom für Zusatzkonden­ sator C_Z in Rückwärtsrichtung über die Bremsdiode BD fließen kann. Der Ent­ ladestrom ist ein Bruchteil des Laststromes in Vorwärtsrichtung der Diode. Damit wird die Überspannung an C_Z abgebaut.

Bei nutz- oder netzgekoppelter Widerstandsbremse ist das Netz-Trenn-Schütz NTS betriebsmäßig geschlossen. Hier kann die Entladung - wie beim Fahrbe­ trieb - von C_Z über den Netzkondensator C_Netz, Netz-Trenn-Schütz NTS, L 1, V 12, R 17, L 2 erfolgen. Der Entladewiderstand R_Z ist als Netzbelastung nicht wirksam, da die Freilaufdiode FD sperrt (Sperrspannung an der Frei­ laufdiode FD: UR_RFD = U_C - I_Last · R_Brems).

Bei netzgekoppelter Nutzbremse, bei der die Freilaufdiode FD zeitweise leitend ist, liegt der Zusatzkondensator C_Z parallel zum Netzkondensator C_Netz. Der Strom durch den Entladewiderstand R_Z wird jedoch nicht vom Netz, sondern von der speisenden Maschine aufgebracht.

Durch die Erfindung werden Spannungsüberhöhungen am Beschaltungskondensa­ tor CB und Zusatzkondensator C_Z auf einfache Weise auch für den Betriebs­ zustand "netzgetrennte Widerstandsbremse" vermieden, ohne daß Nachteile bei anderen Betriebszuständen auftreten.

Claims (3)

1. Schaltungsanordnung für den Gleichstromstellerbetrieb eines Elektro­ motors im Fahr- und Bremsmodus, mit einem Hauptthyristor (HT 1 bzw. HT 2) für den Fahrmodus und einen gleichsinnig gepolten Bremsthyristor (BT) für Widerstandsbremse, der in Reihe mit einer Koppeldiode (KD) umge­ kehrter Polung dem Hauptthyristor (HT 1/HT 2) parallelgeschaltet ist, bei der

• - ein gemeinsamer paralleler Löschzweig mit abschaltbarem, beschal­ teten Halbleiterventil (GTO) vorgesehen ist, wobei zur Begrenzung des Spannungsanstiegs am Beschaltungskondensator (C_B) beim Abschalten des Halbleiterventils (GTO) dem Beschaltungskondensator (C_B) ein auf eine definierte Spannung vorgeladener Zusatzkondensator (C_Z) größerer Kapa­ zität mit in Serie liegendem Koppelventil (V 11) parallelgeschaltet wird, sobald die Ladespannung am Beschaltungskondensator den defi­ nierten Wert überschreitet, bei der
• - im Fahrmodus ein taktweises Entladen des Zusatzkondensators (C_Z) über den Netzkondensator (C_Netz) erfolgt, und bei der
• - im Widerstands-Bremsbetrieb der Bremsstrom über Bremsdiode (BD) und Bremswiderstand (R_Brems) entweder über den Bremsthyristor (BT) oder die Koppeldiode (KD) zum Löschzweig verläuft,

dadurch gekennzeichnet, daß der Teilerpunkt zwischen Zusatzkondensator (C_Z) und Koppelventil (V 11) über einen Entladewiderstand (R_Z) mit der Bremsdiode (BD) verbunden ist, was im Bremsbetrieb bei Vorwärtsstrom über die Bremsdiode (BD) einen Entlade-Rückwärtsstrom für den Zusatzkondensator (C_Z) ermöglicht.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Entladewiderstand (R_Z) abhängig von der Überladung bzw. Span­ nungsüberhöhung am Zusatzkondensator (C_Z) in einer Größenordnung von 100 . . . 300 · R_Brems zu dimensionieren ist.