DE4447446A1 - Schaltungsanordnung für die Bordnetzversorgung eines Schienenfahrzeuges - Google Patents
Schaltungsanordnung für die Bordnetzversorgung eines SchienenfahrzeugesInfo
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- B60L2200/00—Type of vehicles
- B60L2200/26—Rail vehicles
Description
Die Erfindung bezieht sich auf Schaltungsanordnung für die
Bordnetzversorgung eines Schienenfahrzeuges mit Dreh- und
Gleichspannung, insbesondere eines gleichstrombetriebenen
Nahverkehrfahrzeuges, wie sie im Oberbegriff des Anspruches 1 näher
definiert ist.
Eine solche Anordnung - auch als Bordnetzumrichter bezeichnet - ist
z. B. der Fig. 4 entnehmbar und auch durch die AEG-Druckschrift:
Drehstrombordnetz-Umrichter DBU (A3/772/0386); veröffentlicht März
1986, als bekannt belegt.
Der Drehstromausgang DS wird danach von einem GTO-
Drehstromwechselrichter 11 gespeist, der an einer konstanten
Zwischenkreisgleichspannung Ud liegt, die aus einer
Netzeingangsgleichspannung Ue über ein Netzfilter 12, einen
Gleichstromsteller 13 und ein Zwischenkreisfilter 14 erzeugt wird. Der
Drehstromwechselrichter 11 hat 180°-Aussteuerung und arbeitet im
Blockbetrieb. Der Amplitude der rechteckförmigen Drehspannung Ua wird
über die Zwischenkreisgleichspannung Ud eingestellt. Durch die
rechteckförmige Drehspannung Ua ergibt sich ein erheblicher
Oberwellengehalt, der ggf. durch ein spezielles Ausgangsfilter
reduziert werden muß.
Der regelbare Gleichstromausgang GS dient im wesentlichen der Ladung
einer Bordbatterie 15 und wird vom DS-Ausgang über einen
potentialtrennenden Transformator 16 und einen Brückengleichrichter 17
versorgt, wobei letztere ein
Batterieladegerät 16/17 darstellen. Der Spitzenwert der übersetzten
Drehspannung Ua bestimmt dabei die Höhe der Batterieladespannung Ub
und kann nur durch Verändern der Zwischenkreisgleichspannung Ud
variiert werden. Dies bedingt naturgemäß eine, wenn auch beherrschbar
geringe, Änderung der Drehspannung als Funktion der
Batterieladespannung sowie des Batterieladestromes. Dadurch erhöht
sich die Toleranz der Drehspannung Ua.
Der Transformator 16 des Batterieladegerätes 16/17 muß auf die
Frequenz der Drehspannung ausgelegt sein, wodurch er groß und schwer
wird. Obwohl ein Eingangsfilter 12 vorhanden ist, können am Eingang
des Gleichstromstellers 13 noch so hohe Spannungen auftreten, daß der
Gleichstromsteller 13 bisher nur mit GTO-Thyristoren ausreichend
spannungsfest baubar war. IGBT-Transistoren weisen gegenwärtig noch zu
geringe Spannungsfestigkeiten auf, um einen betriebssicheren Einsatz
in solchen Schaltungen anstelle von GTOs zu erlauben. Wie der
bekannten Schaltung zu entnehmen ist, weist das Drehstrombordnetz
keine Potentialtrennung zur Eingangsgleichspannung Ue auf. Ein
weiterer Nachteil dieser Schaltung ist, daß wegen der Kettenschaltung
einer Vielzahl von Energiespeichern, insbesondere in den Filtern, die
Regeldynamik der Zwischenkreisgleichspannung Ud schwer beherrschbar
ist und die Anwendung von GTOs im übrigen die mögliche Schaltfrequenz
des Gleichstromstellers 13 begrenzt. Dadurch läßt sich die Baugröße
auch des Zwischenkreisfilters 14 nicht beliebig reduzieren und es
ergibt sich auch eine hohe Strombelastung des
Eingangsfilterkondensators durch den Gleichstromsteller. Die
aufgezeigten Nachteile sind miteinander verkoppelt und addieren sich
nicht nur.
Aufgabe der Erfindung ist es, unter Abkehr von der gewohnten Schaltung
hier Abhilfe zu schaffen und einen wesentlich einfacheren, leichteren
und kleineren statischen Bordnetzumrichter zu bauen, der mit weniger
Bauteilen unter Einsatz der weniger spannungsfesten IGBT-Halbleiter
auskommt und der auch den strengen Anforderungen hinsichtlich
absoluter Spannungstrennung und Transientenfestigkeit genügt.
Diese komplexe Aufgabe wird gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des
Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den
Unteransprüchen entnehmbar.
Durch die Erfindung ergeben sich u. a. folgende Vorteile:
Es wird eine günstige Kombination von Bordnetzumrichter,
Batterieladung und aktivem Transientenschutz erreicht. Es ergibt sich
eine Gewichts- und Kostenreduzierung unter Verringerung der Zahl
großer Komponenten. Durch Verwendung von IGBT's sind höhere
Taktfrequenzen möglich, wodurch der Einsatz von Pulswechselrichtern
sowie kleineren Batterieladegeräten möglich wird. Hinzu kommen
Energieeinsparungen durch gesteigerten Wirkungsgrad sowie
Verbesserungen der Betriebszuverlässigkeit und Lebensdauer der
Halbleiter und Kondensatoren des Eingangsfilters durch Begrenzung der
Überspannungen.
Um - gegenüber dem in Fig. 4 dargestellten Drehstrombordnetzumrichter
- ein von der Drehspannung Ua entkoppeltes Batterieladegerät 16/17 zu
erhalten, wobei die Batteriespannung Ub unabhängig von der
Drehspannung Ua bleibt, ist zwar schon vorgeschlagen worden, ein
Batterieladegerät zu nutzen, das unabhängig an der
Eingangsgleichspannung Ue angeschlossen ist, nachteilig ist dann
jedoch, daß man hierfür einen ebenso transientenfesten Eingang und
zusätzliche Betriebsmittel gleicher Funktion (Gleichstrom-Steller,
Filter etc.) braucht, wie für den Bordnetzumrichter selbst. Das stellt
noch keine Lösung der gestellten Aufgabe dar.
In Vorschlag kam auch schon, eine volle Potentialtrennung von Ua und
Ub nach Ue dadurch zu erzielen, daß man auch den Ausgang des
Drehstromwechselrichters über einen Transformator führt, wobei dieser
Transformator und der Transformator für die Batterieladung als ein
einziges Mehrwicklungsgerät ausgeführt sein kann. Ein solcher
Transformator wird jedoch groß und schwer, da die gesamte
Umrichterleistung darüber umzusetzen ist.
Von Vorteil kann bereits sein, bei sonst unverändertem
Schaltungsaufbau für die Erzeugung der Ausgangsdrehspannung Ua
(entsprechend Fig. 4), die konstante
Zwischenkreisgleichspannung Ud als Eingangsspannung für ein
Batterieladegerät zu verwenden, das z. B. als Gleichspannungswandler
ausgebildet ist. Ein solcher Gleichspannungswandler ist dann von der
Drehspannung Ua entkoppelt und die Drehspannung unabhängig von der
Batteriespannung. Es braucht dann bereits kein besonderer
Eingangsschutz mehr für den Gleichstromausgang GS erfolgen. Der
notwendige Zwischenkreisfilter ist dann allerdings sehr aufwendig,
groß und teuer.
Alle diese Ausführungsversuche haben bisher zu keinem befriedigenden,
der Erfindung nahekommenden Lösung geführt.
Anhand von Ausführungsbeispielen wird die Erfindung im nachstehenden
näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 einen Drehstrombordnetzumrichter als Direktum
richter mit Batterieladung,
Fig. 2 einen Drehstrombordnetzumrichter als Direktum
richter mit Batterieladung als Variante mit
voller Potentialtrennung,
Fig. 3 einen Drehstrombordnetzumrichter als Variante
ohne Batterieladung,
Fig. 4 wurde schon als Stand der Technik beschrieben.
In Fig. 1 ist ein Bordnetzumrichter mit Drehspannungsausgang DS und
Gleichsspannungsausgang GS dargestellt, bei dem ein
Drehstrompulswechselrichter 1 als Direktumrichter Verwendung findet,
der über ein Eingangsfilter 2 direkt an der Netzeingangs-
Gleichspannung Ue angeschlossen ist. Durch von für hohe Taktfrequenzen
geeignete Halbleiter, hier ist zunächst an IGBT's gedacht, ist die
Anwendung eines Pulswechselrichters möglich. Der dreiphasige Ausgang
des Pulswechselrichters 1 wird zur Erzeugung einer sin-ähnlichen
Ausgangsdrehspannung Ua über ein Ausgangsfilter 3 geführt, das auch
dazu dient, Spannungsspitzen dUa/dt mit einer Amplitude der
Eingangsgleichspannung Ue von an der Drehspannung Ua liegenden
Verbrauchern abzuhalten. An Eingangsfilter 2 und Ausgangsfilter 3
werden besondere Anforderungen gestellt.
Ausgangsfilter 3 wird auch zur Funkentstörung des Drehstromausganges
DS herangezogen.
Amplitude und Frequenz der Drehspannung Ua werden direkt durch den
Pulswechselrichter 1 eingestellt. Zur Erzeugung einer
Ausgangsgleichspannung Ub, u. a. zur Ladung einer Batterie 4, wird ein
Gleichspannungswandler 5 verwendet, der direkt von der gefilterten
Eingangsgleichspannung Ue mit Anschluß hinter dem Eingangsfilter 2 mit
Spannung versorgt wird. Die Regelung der Batterieladespannung Ub ist
hierbei unabhängig von der Ausgangsspannung Ua. Über den als
Batterieladegerät wirkenden Gleichspannungsumwandler 5 besteht
Potentialtrennung zwischen der Netzeingangsgleichspannung Ue und der
Batterieladespannung Ub. Keine Potentialtrennung besteht dagegen noch
zwischen Ausgangsdrehspannung Ua und der Netzeingangsgleichspannung
Ue.
Das Eingangsfilter 2 dient hier - quasi als Kern der Erfindung - in
Verbindung mit dem Gleichspannungswandler 5 als passiver/aktiver
Transientenschutz für den Drehstrompulswechselrichter 1 und den
Gleichspannungswandler 5 selbst.
Zur Funktion:
Im Spannungsbereich Ue nominal bis Ue maximal (z. B. Ue nominal = 750 V =;
Ue maximal = 1100 V =) arbeitet der Gleichspannungswandler 5
normal, d. h. er liefert eine von der Spannung hinter dem
Eingangsfilter 2 unabhängige Ladespannung Ub und dabei einen
konstanten begrenzten Ladestrom.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß es ebenso möglich ist,
kurzzeitig einen hohen Ladestrom in die Batterie zu schicken, wie es
möglich ist, kurzzeitig einen wesentlich höheren Strom als den
typischen Dauerstrom zu entnehmen. Dies wird nach der Erfindung zu
einer Spannungsbegrenzung ausgenutzt, wenn die Spannung hinter dem
Eingangsfilter 2 Ue maximal übersteigt. Über eine dem
Gleichspannungswandler 5 zugeordnete Steuerung wird eine solche
Schwellwertüberschreitung erfaßt und durch Anheben
der Sollwerte für die Batterieladespannung Ub und/oder des
Batterieladestromes durch den Gleichspannungswandler 5 ein Abbau der
Spannungsüberschreitung hinter dem Eingangsfilter 2 bewirkt. Dies
geschieht durch kurzzeitige Ladungsmengenzufuhr zur Batterie 4,
Ladungsmengen, die hinter dem Eingangsfilter 2 abgezogen werden und
die dort herrschende Spannung abbauen. Durch diese Spannungsbegrenzung
werden sowohl die Halbleiter des Gleichspannungswandlers 5 als auch
des Drehstrompulswechselrichters 1 geschützt, wodurch Elemente
geringerer Spannungsfestigkeit (hier IGBT′s statt GTO′s) verwendet
werden können.
Da der Begrenzungsvorgang meist nicht sehr häufig auftritt, braucht in
der Regel deshalb für diese Art der Spannungsbegrenzung im allgemeinen
keine Berücksichtigung bei der thermischen Auslegung des
Gleichsspannungswandlers 5 erfolgen, d. h. die Baugröße des
Gleichsspannungswandlers 5 ändert sich entweder nicht oder nur
unwesentlich. Die Betriebsmittel, d. h. z. B. Haltleiter, müssen
natürlich den bei dieser Spannungsbegrenzung erhöhten Strömen
gewachsen sein. Die Kondensatoren des Eingangsfilters 2 werden durch
die erfindungsgemäße Schaltung darüberhinaus geschont und ihre
Brauchbarkeitsdauer erhöht.
Fig. 2 zeigt in einer Variante des vorbeschriebenen Drehstrom-
Bordnetzumformers nach Fig. 1 auch eine Potentialtrennung der
Eingangsgleichspannung Ue gegenüber der Ausgangsdrehspannung Ua.
Zwischen Pulswechselrichter 1 und dem Ausgangsfilter 3 nach Fig. 1 ist
ein Trenntransformator geschaltet und hier sind beide Elemente jetzt
zu einer Transformator-Filtereinheit 6 kombiniert. Die übrigen
Elemente und auch die Funktion der Schaltung ist sonst gegenüber Fig. 1
unverändert. Durch die Transformator-Filtereinheit 6 kann eine
weitere Baugrößenverkleinerung erreicht werden. Transformatoren mit
genügend hoher Streuinduktivität können dabei in Verbindung mit
Kondensatoren und evtl. Dämpfungswiderständen als Ausgangsfilter
dienen. Will man auf die Potentialtrennung verzichten, kann für die
Transformator-Filtereinheit 6 auch ein Spartransformator Verwendung
finden.
Fig. 3 zeigt in einer weiteren Variation die Ausführung eines
Drehstrombordnetzumrichters, bei dem die Erfindung der
Spannungsabsenkung ohne Batterieladung realisiert wurde, d. h. für
solche Fälle, wo keine Batterieladung gebraucht oder Verwendung finden
soll. Neben den bekannten Elementen wie Eingangsfilter 2,
Drehstromimpulswechselrichter 1 und Transformatorfiltereinheit 6 für
verbesserten Transientenschutz, findet anstelle des
Gleichspannungswandlers 5 und der Batterie 4 (nach Fig. 2) jetzt ein
Gleichstromsteller 7 Anwendung, der in Pulssteuerung auf einen
Lastwiderstand 8 speist.
Das Steuerverfahren bleibt praktisch wie eingangs geschildert. Bei
Überschreiten eines Spannungsmaximalwertes der Eingangsspannung Ue
wird der Gleichstromsteller 7 über Strompausenverkürzung den Laststrom
durch den Lastwiderstand 8 erhöhen und damit die Überspannung hinter
dem Eingangsfilter 2 abbauen.
Claims (7)
1. Schaltungsanordnung für die Bordnetzversorgung eines
Schienenfahrzeuges mit Dreh- und Gleichspannung, insbesondere eines
gleichstrombetriebenen Nahverkehrsfahrzeuges, mit zumindest einem
Drehstromausgang, an dem einstellbar eine aus einer Eingangs- oder
Zwischenkreis-Gleichspannung über einen Drehstrom-Wechselrichter
erzeugte Ausgangs-Drehspannung ansteht und einem Gleichstromausgang,
der über Abgriffe von einem Batterieladungsgerät gespeist wird und an den
eine Batterie für Pufferbetrieb angeschlossen ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Netz-Eingangsgleichspannung (Ue), über ein Eingangsfilter (2)
geführt und direkt an einen Drehstrom-Pulswechselrichter (1)
angeschlossen ist, der als Direktumrichter über einen Ausgangsfilter (3)
seine Drehspannung (Ua) an den Drehstromausgang (DS) abgibt, wobei ein
hinter dem Ausgang des Eingangsfilters (2) angeschlossener, als
Batterieladegerät fungierender Gleichspannungswandler (5) für eine Regelung der am Gleichstromausgang (GS) anstehenden
Ausgangsgleichspannung (Ub) und gleichzeitig als aktiver
Transientenschutz vorgesehen ist.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß bei Überschreiten eines einstellbaren Maximalwertes der
Eingangsgleichspannung (Ue) mittels des Gleichchspannungswandlers (5)
eine Begrenzung dieser Spannung durch kurzzeitiges Anheben des
Batterie-Ladestromes auf Werte oberhalb des zulässigen Dauerstromes
vorgesehen ist.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß über eine auf den Gleichspannungswandler (5) einwirkende Steuerung
die Sollwerte für Batterie-Ladestrom und/oder Batterie-Ladespannung
beeinflußbar sind.
4. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß über die am Ausgang des Eingangsfilters (2) abgreifbare Ist-
Spannung die Sollwerte nachgeführt werden.
5. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß zusätzlich zum oder an Stelle des Gleichspannungswandlers (5) mit
Batterie (4) ein Gleichstromsteller (7) für einen pulsgesteuerten
Lastwiderstand (8) angeschlossen ist.
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen Ausgangsfilter (3) und Drehstrom-Pulswechselrichter (1)
ein vorzugsweise potentialtrennender Transformator geschaltet ist.
7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß Ausgangsfilter (3) und Transformator zu einer Transformator-
Filtereinheit (6) kombiniert sind.
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