DE4443732A1 - Wandlerschaltung - Google Patents

Wandlerschaltung

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Wandlerschaltung zur Um­ wandlung einer stark schwankenden Eingangsgleichspannung ent­ sprechend der Fahrspannung von Nahverkehrstriebfahrzeugen in eine erste galvanisch getrennte 3-Phasen Ausgangs-Wechsel­ spannung sowie in eine zweite, von der ersten unabhängige Ausgangs-Gleichspannung, gekennzeichnet durch die Kombination der folgenden, zum Teil an sich bekannten Merkmale:
Die Speisespannung für Nahverkehrstriebfahrzeuge, wie Straßen­ bahn, U-Bahn, beträgt je nach System üblicherweise 600 V oder 750 V Gleichspannung, wobei Schwankungen von ± 30% zu berück­ sichtigen sind. Diese Speisespannungen sollen mit einer Wandlerschaltung in zumindest zwei voneinander unabhängige Bordnetzspannungen umgewandelt werden, nämlich in eine 3- Phasen Wechselspannung, z. B. 3×400/230 V bei 50 Hz und in eine Gleichspannung, z. B. 24 V =. Die Wechselspannung dient z. B. zur Speisung von Klimaanlagen, Asynchronmotoren für Lüfter etc., die Gleichspannung zur Speisung anderer Verbraucher und zum Laden der Bordbatterien. Diese beiden erzeugten Bordnetze sind voneinander unabhängig belastbar.
Sollen Wandler der gegenständlichen Art auch für zwei Span­ nungssysteme einsetzbar sein, so ergibt sich ein extremer Ein­ gangsspannungsbereich von 420 V bis 975 V. Weiters muß ein Wandler über einen sehr hohen Temperaturbereich einsatzfähig sein und er soll bei möglichst hohem Wirkungsgrad geringes Gewicht besitzen.
Es sind verschiedene Ausführungen von Wandlern zur Bereit­ stellung eines Bordnetzes bekannt geworden. Einige in Doku­ menten beschriebene Wandler seien nachstehend erwähnt.
Ein Wandler für die elektrische Versorgung der europäischen Standard-Reisezugwagen ist beispielsweise in ZEV-Glasers Annalen 100 (1976) Nr. 6, Seiten 187-191 beschrieben. Dort wird ein Drehstrom-Bordnetz von einem statischen Viersystem- Umrichter gespeist, der hochspannungsseitig mit einer der vier UIC-Spannungen (1500 V=, 3000 V=, 1500 V - 50 Hz, 1000 V - 16 2/3 Hz) verbunden ist. Ein Gleichstromsteller arbeitet mit sieben seriell geschalteten Thyristoren, zu denen weitere sieben Löschthyristoren parallelgeschaltet sind. Die Lösch­ energie muß ständig von dem Drehstromwechselrichter verbraucht werden, wodurch der Gleichstromsteller nicht leerlauffest ist. Die Netzspannung wird von einem dem Drehstromwechselrichter nachgeschalteten Isoliertransformator erzeugt. Der Spannungs­ verlauf weist rechteckige oder zweistufige Form auf und ist nicht zur Speisung handelsüblicher Geräte geeignet.
Aus der DE-A-27 13 667 geht der prinzipielle Aufbau eines Wandlers hervor, der eingangsseitig an einer der vorhin er­ wähnten UIC-Spannungen liegen kann, und der ausgangsseitig 24 oder 110 V Gleichspannung, 380/220 V, 50 Hz 3-Phasen Wechsel­ spannung sowie eine veränderbare Gleichspannung bis 1000 V für den Motor einer Kältemaschine liefert. Die Eingangsspannung wird - gegebenenfalls nach Gleichrichtung - einem Mittel­ frequenz-Wechselrichter zugeführt, der einen Transformator speist, dessen drei Sekundärwicklungen zur Gewinnung der genannten Spannungen dienen, wobei je eine Gleichrichtung erfolgt und - für das 50 Hz Netz - noch ein Wechselrichter nachgeschaltet ist.
Der Artikel "Static Converters for Rolling Stock" in "Alsthom Review", Nr. 4/1986, p. 39-50 beschäftigt sich mit den prinzi­ piellen Anforderungen und Bauarten von Wandlern der gegen­ ständlichen Art und deren Baugruppen, wobei auf Wandler für Eisenbahn- und für Nahverkehrsfahrzeuge eingegangen wird und ebenso auf Mehrsystem-Wandler.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Wandlerschaltung für Nahverkehrstriebfahrzeuge zu schaffen, die bei geringem Gewicht einen hohen Wirkungsgrad aufweist.
Diese Aufgabe wird mit einer Wandlerschaltung der eingangs ge­ nannten Art gelöst, die erfindungsgemäß durch die Kombination der folgenden Merkmale gekennzeichnet ist:
  • - ein Eingangsfilter,
  • - ein geregelter Tiefsetzsteller zur Erzeugung einer ersten Zwischenkreisspannung unter Verwendung eines gesteuerten Schalters mit zumindest einem IGBT-Transistor,
  • - ein Halbbrücken-Wechselrichter mit IGBT-Transistoren zur Speisung der Primärwicklung eines galvanisch trennenden Transformators,
  • - eine von einer ersten Sekundärwicklung dieses Transformators gespeiste erste Gleichrichterschaltung zur Erzeugung einer zweiten Zwischenkreisspannung, die z. B. mittels einer Mittel­ anzapfung der ersten Sekundärwicklung symmetriert ist,
  • - ein zumindest sechs gesteuerte IGBT-Transistoren auf­ weisender, an der zweiten Zwischenkreisspannung liegender Drehwechselrichter,
  • - ein dem Drehwechselrichter nachgeschaltetes Ausgangsfilter zur Erzeugung einer sinusförmigen Ausgangsspannung, wobei der Nulleiter des 3-Phasensystems an dem Symmetriepunkt und an der Mittelanzapfung der ersten Sekundärwicklung liegt,
  • - ein von einer zweiten, eine Mittelanzapfung aufweisenden Sekundärwicklung des Transformators gespeister zweiter Voll­ weg-Gleichrichter und
  • - ein dem zweiten Gleichrichter nachgeschaltetes Filter sowie ein getakteter Längsregler.
Die erfindungsgemäße Schaltung des Wandlers führt bei geringen Bauteilkosten zu einem Minimum an Verlusten. Durch die ange­ gebene Verwendung von IGBT-Transistoren ergeben sich gegenüber der Verwendung von Thyristoren oder GTO-Thyristoren weniger Beschränkungen hinsichtlich der Strom- und Spannungsbelastung und der Schaltzeiten, wodurch die Schaltfrequenzen erheblich vergrößert werden können, und folglich kann auch der Aufwand für den galvanisch trennenden Transformator und die zuge­ hörigen Ansteuerschaltungen gesenkt werden.
Weitere Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung samt anderer Vorteile ist im folgenden an Hand beispielsweiser Ausführungsformen näher erläutert, die in der Zeichnung veranschaulicht sind. In dieser zeigen Fig. 1 eine Schaltung einer Wandleranordnung nach der Erfindung und Fig. 2 einen Teil dieser Schaltung in einer Variante.
Gemäß Fig. 1 enthält eine Wandlerschaltung nach der Erfindung ein Eingangsfilter L₁, C₁ das über seine Längsinduktivität L₁ an der Eingangsgleichspannung UE liegt, welche - wie eingangs erwähnt - typischerweise zwischen 420 und 975 Volt liegen kann. Dieses Eingangsfilter unterdrückt in bekannter Weise Spannungsspitzen des Netzes. Ein parallel zu dem Kondensator C₁ des Eingangsfilters liegender Thyristor KThy schützt den Eingang vor Überspannung. Zu diesem Zweck ist für den Thyristor KThy eine Ansteuerschaltung St1 vorgesehen, deren Eingang am Ausgang eines Spannungswandlers Wa1 für die Eingangsspannung UE liegt. Der Thyristor KThy wird ab einer vorgegebenen Eingangsspannung, z. B. 1600 V gezündet.
Auf das Eingangsfilter folgt ein geregelter Tiefsetzsteller TS, der bei diesem Ausführungsbeispiel zwei in Serie liegende IGBT-Transistoren T₁, T₂ aufweist, für die eine Ansteuer­ schaltung St2 vorgesehen ist. Für den aus den beiden IGBT- Transistoren bestehenden Schalter T₁ + T₂ ist hier als Frei­ laufdiode die Serienschaltung zweier Dioden D₁, D₂ vorgesehen. Der Tiefsetzsteller TS enthält weiters eine Längsdrossel L₂, auf die ein Stromwandler Wa2 folgt.
Der Tiefsetzsteller TS erzeugt eine erste Zwischenkreis­ spannung UZK1, die von einem Spannungswandler Wa3 erfaßt wird, dessen Ausgang zur Ansteuerung der Ansteuerschaltung St2 mit deren Eingang verbunden ist.
Bei einem praktischen Ausführungsbeispiel liegt die Schalt­ frequenz des gesteuerten Schalters T₁ + T₂ bei etwa 5 kHz; sie kann üblicherweise zwischen 1 und 20 kHz liegen. Die erste Zwischenkreisspannung UZK1 beträgt bei einem Ausführungs­ beispiel 400 Volt.
Auf den Tiefsetzsteller TS folgt nun ein Halbbrücken- Wechselrichter HWR, der über zwei IGBT-Transistoren T₃, T₄ die Primärwicklung W1P eines Transformators Tr speist. Diese Primärwicklung W1P liegt einerseits am Verbindungspunkt zweier in Serie an der Zwischenkreisspannung UZK1 liegender Kondensa­ toren C₂, C₃ bzw. andererseits am Verbindungspunkt der in Serie an der Zwischenkreisspannung liegenden IGBT-Transistoren T₃, T₄, die von einer Ansteuerschaltung St3 im Gegentakt mit einer Schaltfrequenz von z. B. 20 kHz angesteuert werden. Durch eine hohe, vorzugsweise über der Hörgrenze liegende Schalt­ frequenz ist es möglich, den Transformator Tr mit sehr gerin­ gem Gewicht und Volumen herzustellen. Beispielsweise kann der Transformator Tr bei einer Schaltfrequenz von 20 kHz und einer Leistung von 12 kW ein Gewicht von lediglich 20 kg aufweisen.
Der Transformator Tr besitzt zwei getrennte Sekundärwicklungen W1S bzw. W2S. Die erste Sekundärwicklung W1S besitzt eine Mittelanzapfung und speist eine erste, aus vier Dioden D₃ . . . D₆ bestehende Vollweg-Gleichrichterschaltung zur Erzeugung einer zweiten Zwischenkreisspannung UZK2, die mit Hilfe der genannten Mittelanzapfung symmetriert ist. Ein dem Gleichrichter nachgeschaltetes symmetrisches Filter, bestehend aus zwei Längsdrosseln L₄, L₅ und zwei Kondensatoren C₄, C₅ sorgt für die Spannungsglättung.
Die zweite, ebenfalls von einem Spannungswandler Wa4 erfaßte Zwischenkreisspannung UZK2 beträgt bei einem Ausführungs­ beispiel etwa 600 Volt. Sie liegt über eine Sicherung Si1 an einem Drehwechselrichter DWR, der sechs gesteuerte Schalter enthält, genauer gesagt IGBT-Transistoren Ta . . . Tf, welche von einer Ansteuerschaltung S5 mit einer Pulsfrequenz von z. B. 3 kHz, sinusmoduliert auf Netzfrequenz, d. h. üblicherweise 50 Hz angesteuert werden.
Auf den Drehwechselrichter DWR folgen Stromwandler WaR, WaS, WaT, ein 3-phasiges Filter SF sowie Sicherungen SIR, SIS, SIT, Die nicht näher bezeichneten Kondensatoren bzw. Drosseln des Filters SF werden z. B. so dimensioniert, daß die Sinusaus­ gangsspannung UR, US, UT, z. B. 3×380 Volt, einen Klirrfaktor k < 5% besitzt. Es ist zu erwähnen, daß das Filter SF bei bestimmten Lastverhältnissen entfallen kann, beispielsweise falls die Last von einem Asynchron-Drehstrommotor gebildet wird. Der Nulleiter N des Drehstromsystems liegt an der Mittelanzapfung der Sekundärwicklung W1S des Transformators Tr, wodurch auch eine unsymmetrische bzw. einphasige Belastung des Drehstromsystems möglich ist.
Wie aus Fig. 1 hervorgeht, wird der Ansteuerschaltung St2 als Istgröße nicht nur die erste Zwischenkreisspannung UZK1 bzw. ein ihr proportionaler Wert zugeführt, sondern auch die zweite Zwischenkreisspannung UZK2. Letztere kann zur geringfügigen Beeinflussung des Sollwertes herangezogen werden, mit welchem der Istwert UZK1 verglichen wird, so daß nicht nur auf die ers­ te Zwischenkreisspannung UZK1 sondern in einem gewissen Ausmaß auch auf die zweite Zwischenkreisspannung geregelt wird.
Unabhängig von der 3-Phasen Spannung UR, US, UT wird eine geregelte Gleichspannung erzeugt. Zu diesem Zweck besitzt der Transformator Tr eine zweite Sekundärwicklung W2S mit Mittelanzapfung, die einen Vollweg-Gleichrichter D₇, D₈ speist und dem ein Filter L₆, C₆ folgt.
Die gleichgerichtete Spannung wird mit Hilfe eines getakteten Längsreglers geregelt, der einen Transistor T₅, eine Diode D₉, eine Längsdrossel L₃ sowie einen Kondensator C₇ aufweist, wobei der Transistor T₅ von einer Ansteuerschaltung St4 ange­ steuert wird. Der Ansteuerschaltung wird als Istwert die Ausgangsspannung, genauer gesagt bei diesem Ausführungs­ beispiel über Fühlleitungen die tatsächliche Spannung UB von der Batterie des Fahrzeuges zugeführt. Zur Messung des Gesamt­ stromes IG bzw. des Batteriestromes IB sind zwei Stromwandler WaG bzw. WaB vorgesehen, ebenso eine Sicherung Si₂.
Ein über Fühlleitungen f₁, f₂ direkt an den Batterien liegender Spannungswandler Wa5 erfaßt die Batteriespannung UB für die Ansteuerungsschaltung St4. Um auch bei Leitungsbruch der Fühlleitungen definierte Potentialverhältnisse zu schaffen, ist der Eingang des Spannungswandlers Wa5 über Widerstände R₁, R₂ an die Ausgangsgleichspannung UAG gelegt.
Fig. 2 zeigt eine Variante der Erfindung, bei welcher die erste Sekundärwicklung des Transformators Tr aus zwei getrenn­ ten Teilwicklungen W′1S und W′′1S besteht. Jeder dieser Teil­ wicklungen ist eine eigene Gleichrichterbrücke B₁ bzw. B₂ zu­ geordnet, wobei deren Ausgangsspannungen in Serie geschaltet die symmetrierte Zwischenkreisspannung UZK2 ergeben. Im übrigen kann die Schaltung völlig jener nach Fig. 1 entsprechen.
Die verwendeten IGBT-Transistoren T₁, T₂; T₃, T₄ und Ta . . . Tf besitzen eingebaute Freilaufdioden, die in der Zeichnung je­ doch nicht dargestellt wurden. Da IGBT-Transistoren meist paarweise in einem Gehäuse angeboten werden, wobei die beiden Transistoren von ein und demselben Wafer stammen, sind sie für den vorliegenden Zweck besonders geeignet, da es insbesondere bei den Transistorpaaren T₁-T₂, aber auch bei T₃-T₄, Ta-Td, Tb-Te und Tc-Tf auf möglichst geringe Streuungen der elektrischen Kennwerte ankommt. Es lassen sich hiedurch Ungenauigkeiten der tatsächlichen Schaltzeitpunkte ebenso ver­ meiden, wie Spannungsunsymmetrien bei zwei in Serie liegenden Transistoren. Anstelle der beiden IGBT-Transistoren T₁, T₂ kann gegebenenfalls auch ein einziger IGBT-Transistor ver­ wendet werden, falls dessen Spannungsfestigkeit hinreichend groß ist.

Claims (13)

1. Wandlerschaltung zur Umwandlung einer stark schwankenden Eingangsgleichspannung (UE) entsprechend der Fahrspannung von Nahverkehrstriebfahrzeugen in eine erste galvanisch getrennte 3-Phasen Ausgangs-Wechselspannung (UR, US, UT, N) sowie in eine zweite, von der ersten unabhängige Ausgangs-Gleich­ spannung (UAG), gekennzeichnet durch die Kombination der folgenden, zum Teil an sich bekannten Merkmale:
  • - ein Eingangsfilter (L₁, C₁),
  • - ein geregelter Tiefsetzsteller (TS) zur Erzeugung einer ersten Zwischenkreisspannung (UZK1) unter Verwendung eines gesteuerten Schalters (T₁, T₂) mit zumindest einem IGBT- Transistor,
  • - ein Halbbrücken-Wechselrichter (HWR) mit IGBT-Transistoren (T₃, T₄) zur Speisung der Primärwicklung (W1P) eines galvanisch trennenden Transformators (Tr),
  • - eine von einer ersten Sekundärwicklung (W1S) dieses Transformators gespeiste erste Gleichrichterschaltung (D₃ . . . D₆; B₁, B₂; L₄, L₅, C₄, C₅) zur Erzeugung einer zweiten Zwischen­ kreisspannung (UZK2), die z. B. mittels einer Mittelanzapfung der ersten Sekundärwicklung symmetriert ist,
  • - ein zumindest sechs gesteuerte IGBT-Transistoren (Ta . . . Tf) aufweisender, an der zweiten Zwischenkreisspannung liegender Drehwechselrichter (DWR) zur Erzeugung der 3-Phasen Spannung (UR, US, UT, N),
  • - ein von einer zweiten, eine Mittelanzapfung aufweisenden Sekundärwicklung (W2S) des Transformators gespeister zweiter Vollweg-Gleichrichter (D₇, D₈) und
  • - ein dem zweiten Gleichrichter nachgeschaltetes Filter (L₆, C₆) sowie ein getakteter Längsregler (T₅, D₉, L₃, C₇) für die Ausgangs-Gleichspannung (UAG).
2. Wandlerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Drehwechselrichter ein Ausgangsfilter (SF) zur Erzeu­ gung einer sinusförmigen Ausgangsspannung (UR, US, UT) nachge­ schaltet ist, wobei der Nulleiter (N) des 3-Phasensystems an dem Symmetriepunkt (C₄, C₅) und an der Mittelanzapfung der ersten Sekundärwicklung (W1S) liegt.
3. Wandlerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der gesteuerte Schalter des Tiefsetzstellers (TS) aus zwei in Serie geschalteten IGBT-Transistoren (T₁, T₂) besteht.
4. Wandlerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden IGBT-Transistoren (T₁, T₂) des Tiefsetzstellers (TS) und/oder die beiden IGBT-Transistoren (T₃, T₄) des Halbbrücken-Wechselrichters (HWR) und/oder je zwei IGBT-Tansistoren (Ta, Tb; Tc, Td; Te, Tf) des Drehwechselrichters (DWR) jeweils in einem gemeinsamen Gehäuse als Modul ange­ ordnet sind.
5. Wandlerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Sekundärwicklung aus zwei ge­ trennten Teilwicklungen (W′1S, W′′1S) besteht und jeder dieser Teilwicklungen eine eigene Gleichrichterbrücke (B₁, B₂) zuge­ ordnet ist, wobei die beiden Ausgangsspannungen in Serie geschaltet sind und die symmetrierte Zwischenkreisspannung (UZK2) ergeben.
6. Wandlerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Eingangsfilter aus einer Serienin­ duktivität (L₁) und einem Parallelkondensator (C₁) besteht und der Parallelkondensator von einem Kurzschlußthyristor (KThy) überbrückt ist, der über eine zumindest durch die Eingangs­ spannung (UE) gesteuerte Ansteuerschaltung (St1) zündbar ist.
7. Wandlerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ansteuerung des zumindest einen IBGT- Transistors (T₁, T₂) eine Ansteuer- und Regelschaltung (St2) vorgesehen ist, der als Istgröße die erste Zwischenkreis­ spannung (UZK1) zugeführt ist, die zur Regelung mit einem Sollwert verglichen wird.
8. Wandlerschaltung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwert der Ansteuerschaltung (St2) in geringem Aus­ maß durch die zweite Zwischenkreisspannung (UZK2) beeinflußbar ist.
9. Wandlerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß dem getakteten Längsregler (T₅, D₉) eine Ansteuer- und Regelschaltung (St4) zugeordnet ist, der zur Re­ gelung als Istgröße die tatsächliche Spannung (UB) von mit der Gleichspannung (UAG) aufzuladenden Batterien zugeführt ist.
10. Wandlerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltfrequenz des ersten gesteuerten Schalters (T₁, T₂) zwischen 1 und 20 kHz vorzugsweise bei etwa 5 kHz liegt.
11. Wandlerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbbrücken-Wechselrichter (HWR) für eine Frequenz von 10 bis 30 kHz, vorzugsweise 20 kHz, also über der Hörgrenze ausgelegt ist.
12. Wandlerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, da­ durch gekennzeichnet, daß der Drehwechselrichter (DWR) für Netzfrequenz, üblicherweise 50 Hz, ausgelegt ist.
13. Wandlerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, da­ durch gekennzeichnet, daß die Schaltfrequenz des getakteten Längsreglers (T₅, D₉, L₃, C₇) zwischen 10 und 100 kHz beträgt.
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