DE4235138A1 - Einrichtung zur Schutzentladung von Gleichspannungskondensatoren in Stromrichteranlagen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Schutz­ entladung von Gleichspannungskondensatoren in Strom­ richteranlagen, wobei die Stromrichteranlage steuer­ bare Ventile und Filtereinrichtungen mit kapazitiven Energiespeichern enthält.

In Stromrichteranlagen, insbesondere bei Spannungs- Zwischenkreisumrichtern, kommen Gleichspannungskon­ densatoren größerer Kapazität zum Einsatz. Sie haben hier die Aufgabe, den Zwischenkreis zu stützen, den Blindleistungsbedarf nachgeschalteter Verbraucher zu decken und Rückwirkungen auf das speisende Netz zu unterdrücken. In an sich bekannter Weise kann ein Frequenzumrichter beispielsweise aus einer Dreh­ stromeinspeisung, einem Gleichrichter und einem L-C- Zwischenkreisfilter sowie einem Wechselrichter zur Speisung eines Drehstrom-Antriebsmotors bestehen. Entsprechende Schaltungen ohne den Gleichrichter kommen beispielsweise bei Antrieben von gleichstrom­ gespeisten Bahnen im Nahverkehr zur Anwendung.

Da Kondensatoren die Eigenschaft haben, die von ihnen absorbierte Energie nach dem Abschalten der Energie­ zufuhr zu speichern, halten sie die mit ihnen elek­ trisch verbundenen Anlagenteile auch nach dem Frei­ schalten unter Spannung und dies kann zu einer unter Umständen lebensbedrohlichen Gefährdung von Personen führen.

Aus diesem Grunde werden bei technischen Anlagen mit kapazitiven Energiespeichern Maßnahmen zur automati­ schen Entladung vorgesehen. Es sind Einrichtungen mit passiven Entladungsnetzwerken bekannt, die entweder dauernd, also auch während des Betriebs der Anlage wirken oder nach dem Abschalten mit geeigneten Schaltmitteln zugeschaltet werden. Darüberhinaus kön­ nen auch Anleitungen zur manuellen Kondensatorentla­ dung vorgegeben sein, um den gefahrlosen Zustand der Anlage herbeizuführen.

Bei der obengenannten Dauerentladung durch einen ohm­ schen Widerstand muß dieser elektrisch so dimensio­ niert werden, daß die Spannung am Kondensator nach dem Abschalten innerhalb einer vorgegebenen Zeit (z. B. 60 s) einen bestimmten, ungefährlichen Wert (z. B. 60 V) mit Sicherheit unterschreitet. Bei derar­ tigen bekannten Einrichtungen liegt am wirksamen Ent­ ladungswiderstand dauernd die volle Betriebsspannung an. Dies führt insbesondere dann, wenn die Betriebs­ spannung groß und die geforderte Entladezeit klein sein soll, zu einer großen Verlustleistung im Wider­ stand. Neben der Notwendigkeit durch entsprechende Maßnahmen und Hilfsmittel die anfallende Verlustwärme abzuführen, ergibt sich bei diesen Einrichtungen eine Minderung des Gesamtanlagenwirkungsgrades.

Wird eine derartige Anlage so ausgestaltet, daß der Entladewiderstand mittels eines besonderen Schalters, der z. B. als Schützkontakt ausgeführt sein kann, erst nach dem Abschalten der Anlage zugeschaltet wird, so kann der Entladewiderstand zur Erzielung kurzer Ent­ ladezeiten ohne Einfluß auf seine Belastung niederoh­ mig dimensioniert werden. Die in Wärme umzusetzende Energie entspricht der im Kondensator gespeicherten Energie und wird nur einmal je Entladung umgesetzt. Nachteilig ist jedoch bei dieser Ausführungsform der Bedarf an zusätzlichen Schaltmitteln, welche für die volle Betriebsspannung tauglich sein müssen. Aus Gründen der Funktionssicherheit werden hierzu in der Regel Gleichspannungsschütze mit Ruhekontakten ver­ wendet, die mit den geeigneten Eigenschaften auf dem Markt nur begrenzt zur Verfügung stehen.

Die manuelle Entlademethode ist insofern problema­ tisch, als verzweigte Potentialverbindungen in einer Anlage nicht immer zweifelsfrei erkannt werden und menschliches Versagen in Form von Nachlässigkeit er­ fahrungsgemäß die häufigste Ursache für Stromunfälle darstellt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Ein­ richtung der eingangs und im Oberbegriff des Pa­ tentanspruchs 1 angegebenen Bauart so auszugestalten, daß die Schutzentladung der kapazitiven Energiespei­ cher verlustarm, ohne Einsatz zusätzlicher Komponen­ ten und automatisch nach dem Abschalten der Anlage erfolgt.

Die Lösung dieser Aufgabe geschieht erfindungsgemäß mit den Merkmalen aus dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Weiderbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, zur Schutzentladung der kapazitiven Energiespeicher in der Gesamtanlage bereits vorhandene aktive und pas­ sive Komponenten der Umrichterschaltung auszunutzen. Hierzu werden nach dem Abschalten der Anlage, bei­ spielsweise durch Abschalten der Energieversorgung durch eine Steuerschaltung, Sondersteuerbefehle zum Zünden bestimmter Umrichterventile ausgegeben, der­ art, daß dadurch in der erfindungsgemäßen Weise ein Entladestromkreis für die kapazitiven Energiespeicher geschlossen wird.

Die erfindungsgemäße Einrichtung kann sowohl bei industriellen Antrieben als auch bei Bahnantrieben zur Anwendung kommen.

Im folgenden werden anhand der beigefügten Zeichnun­ gen drei Ausführungsbeispiele für eine Einrichtung nach der Erfindung näher erläutert.

In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 in stark schematisierter Darstellung eine Schaltung zur Schutzentladung mit einem Frequenzumrichter mit nachgeschaltetem als Drehstrommotor ausgebildetem Antriebs­ motor;

Fig. 2 in stark schematisierter Darstellung eine Schaltung zur Schutzentladung an einem Um­ richter zur Steuerung eines Gleichstrommo­ tors;

Fig. 3 in stark schematisierter Darstellung eine Va­ riante der Schaltung zur Schutzentladung nach Fig. 1;

Fig. 4 in einem Blockschaltbild eine Stromrichter­ anlage nach dem Stand der Technik mit Dreh­ stromeinspeisung;

Fig. 5 in einer Darstellung analog Fig. 4 eine Strom­ richteranlage nach dem Stand der Technik mit Gleichstromeinspeisung.

Es wird zunächst anhand der Fig. 4 und 5 der Aufbau bekannter Stromrichteranlagen beschrieben, die beispielsweise in der weiter unten anhand der Fig. 1 bis 3 näher erläuterten Weise mit einer Einrichtung zur Schutzentladung der Gleichspannungskondensatoren versehen werden können.

Fig. 4 zeigt eine Stromrichteranlage mit Dreh­ stromeinspeisung, bestehend aus der Drehstromein­ speisung 3AC, einem Gleichrichter G, einem L-C-Zwi­ schenkreisfilter und einem Wechselrichter W zur Speisung eines Drehstromantriebsmotors M. Eine sol­ che Schaltung kann beispielsweise bei industriellen Antrieben zur Anwendung kommen.

Fig. 5 zeigt eine entsprechende Schaltung wie sie bei Antrieben von gleichstromgespeisten Bahnen im Nahverkehr zur Anwendung kommen kann. Sie besteht in analoger Weise aus einer Gleichstromeinspeisung DC über einen Stromabnehmer A sowie dem L-C-Zwischen­ kreisfilter und dem Wechselrichter W zur Speisung des Drehstromantriebsmotors M.

In den Fig. 1 bis 3 sind jeweils nur die Teile der Gesamtschaltung dargestellt, die für die Einrichtung zur Schutzentladung der Gleichspannungskondensatoren von Bedeutung sind.

Fig. 1 zeigt die Schaltung eines Frequenzumrichters mit einem Eingangsfilter L-C, dessen Wechselrichter­ ventile (V1 bis V6) betriebsmäßig so geschaltet wer­ den, daß die Zwischenkreis-Gleichspannung in eine für den nachgeschalteten Antriebsmotor M1 geeignete Wechselspannung umgeformt wird. Nach dem Stillsetzen der Anlage, was in Fig. 1 durch Öffnen eines Schutz­ kontaktes K dargestellt ist, wird von einer Steuer­ schaltung S1 aus ein Ventilpaar des Wechselrichters bestehend aus einem Ventil V1 der oberen und einem Ventil V4 der unteren Brückenhälfte in einander be­ nachbarten Zweigen eingeschaltet. Wie aus Fig. 1 ab­ lesbar, schließt durch das Zünden der Ventile V1 und V4 sich ein Stromkreis über das Ventil V1, die Pha­ senwicklungen U-V des Antriebsmotors M1 und das Ventil V4, über welchen der Zwischenkreiskondensator C entladen wird. Der sich ausbildende Schwingkreis ist durch den inneren Widerstand von Umrichter und Antriebsmotor gut gedämpft, wodurch eine schnelle Entladung des Kondensators C gewährleistet ist. In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist nur eine von sechs möglichen funktionsmäßig völlig gleichwertigen Schaltkombinationen dargestellt. Selbstverständlich kann in dieser Schaltung auch eins der anderen Ven­ tilpaare zur Bildung des Entladungskreises verwendet werden.

Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Schaltung zur Schutzentladung bei einem Umrichter zur Steuerung eines Gleichstrommotors M2. Sie be­ steht aus einem Eingangsfilter L-C, einem Gleich­ stromsteller V1-V2′ und einem Gleichstrommotor M2. Nach dem Abschalten der Anlage, also dem Öffnen des Schalters K wird über die Steuerschaltung S2 das Ventil V1′ gezündet, wodurch sich ein Entladestrom­ kreis für den Kondensator C über das Ventil V1′ und die Wicklung des Motors M2 schließt.

Als weitere Ausführungsform zeigt Fig. 3 eine Um­ richterschaltung für einen Drehstrommotor M3, die im Prinzip analog der Schaltung nach Fig. 1 aufgebaut sein kann, wie sie beispielsweise bei gleichspan­ nungsbetriebenen Bahnfahrzeugen zum Einsatz kommt.

Sie enthält neben dem bereits erwähnten Eingangsfil­ ter L-C und dem lastseitigen aus Ventilen V1 bis V6 aufgebauten Stellglied eine parallel zum Filterkon­ densator C gestaltete Bremseinrichtung, bestehend aus der Reihenschaltung eines Bremsstellers V7 mit einem Bremswiderstand RB. Diese Bremseinrichtung dient zur Umsetzung der während der Bremsphase an­ fallenden kinetischen Fahrzeugenergie. Die Schutz­ entladung des Kondensators C nach dem Abschalten durch Öffnen des Schalters K erfolgt, indem über die Steuerschaltung S3 das Bremsstellerventil V7 gezün­ det wird und dadurch einen Entladekreis schließt, der den Bremswiderstand RB enthält. Die Entladung verläuft schwingungsfrei nach einer Exponentialfunk­ tion mit kleiner Zeitkonstante innerhalb weniger Millisekunden.

Zusätzlich zu dem obenbeschriebenen Verfahren der Schutzentladung der kapazitiven Energiespeicher kann für den Fall einer fehlerbedingten Notabschaltung, bei der die ordnungsgemäße Funktion der Steuerschal­ tungen S1 bis S3 unter Umständen nicht mehr gewähr­ leistet ist, ein hochohmiger Dauerentladewiderstand vorgesehen werden, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist. Dieser Dauerentladewiderstand kann dann allerdings wesentlich hochohmiger ausgeführt werden und weist somit nur eine vernachlässigbar kleine Verlustleistung auf.

Claims (3)

1. Einrichtung zur Schutzentladung von Gleichspan­ nungskondensatoren in Stromrichteranlagen, wobei die Stromrichteranlage steuerbare Ventile und Filtereinrichtungen mit kapazitiven Energiespei­ chern enthält, dadurch gekennzeichnet, daß mittels einer Steuerschaltung (S1, S2, S3) beim Abschal­ ten der Speisespannung mindestens ein Teil der steuerbaren Ventile (V1 bis V6, V1′, V7) der Stromrichteranlage derart angesteuert wird, daß ein Entladestromkreis für die kapazitiven Ener­ giespeicher (C) geschlossen wird, der mindestens zum Teil aus in der Stromrichteranlage und/oder der angeschlossenen Last im Normalbetrieb genutz­ ten aktiven und/oder passiven Komponenten be­ steht.

2. Einrichtung zur Schutzentladung nach Anspruch 1 bei einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug, da­ durch gekennzeichnet, daß der Entladestromkreis mindestens einen Teil der Wicklungen des An­ triebsmotors (M1, M2) enthält.

3. Einrichtung zur Schutzentladung nach Anspruch 1 bei einem elektrisch angetriebenen Fahrzeug, da­ durch gekennzeichnet, daß der Entladestromkreis eine dem kapazitiven Energiespeicher (C) parallel geschaltete Bremseinrichtung (V7-RB) enthält.