DE4447446B4 - Schaltungsanordnung für die Bordnetzversorgung eines Schienenfahrzeuges - Google Patents

Abstract

Schaltungsanordnung für die Bordnetzversorgung eines Schienenfahrzeuges, insbesondere eines gleichstrombetriebenen Nahverkehrsfahrzeuges, mit Dreh- und Gleichspannung, mit einem Eingangsfilter, zumindest einem Drehstromausgang, an dem einstellbar eine aus einer Eingangsgleichspannung (U_e), die aus einem Gleichspannungsnetz oder einem Gleichspannungszwischenkreis stammt, über einen Drehstrom-Pulswechselrichter erzeugte Ausgangs-Drehspannung ansteht, und einem Gleichstromausgang, der über Abgriffe von einem Batterieladegerät gespeist wird und an den eine Batterie für Pufferbetrieb angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsgleichspannung (U_e) über den Eingangsfilter (2) geführt wird und direkt an den Drehstrom-Pulswechselrichter (1) angeschlossen ist, der als Direktumrichter über einen Ausgangsfilter (3) seine Drehspannung (U_a) 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 (U_b) und gleichzeitig als aktiver Transientenschutz vorgesehen ist.

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf eine 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 4 entnehmbar und auch durch die AEG-Druckschrift: Drehstrombardnetz-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 U_d liegt, die aus einer Netzeingangsgleichspannung U_e über ein Netzfilter 12, einen Gleichstromsteller 13 und ein Zwischenkreisfilter 14 erzeugt wird. Der Drehstromwechselrichter 11 hat 18C° -Aussteuerung und arbeitet im Blockbetrieb. Die Amplitude der rechteckförmigen Drehspannung Ua wird über die Zwischenkreisgleichspannung Ud eingestellt. Durch die rechteckförmige Drehspannung U_a 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 U_a bestimmt dabei die Höhe der Batterieladespannung U_b und kann nur durch Verändern der Zwischenkreisgleichspannung U_a 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 U_a.
• 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-Thristoren 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 U_e auf. Ein weiterer Nachteil dieser Schaltung ist, daß wegen der Kettenschaltung einer Vielzahl von Energiespeichern, insbesondere in den Filtern, die Regeldynamik der Zwischenkreisgleichspannung U_a 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.
• Die DE 33 47 746 A1 betrifft ebenfalls eine gattungsgemäße Schaltungsanordnung für die Bordnetzversorgung eines Schienenfahrzeuges. Eine weitere Schaltungsanordnung für eine Bordnetzversorgung eines Schienenfahrzeugs ist aus der DE 94 03 447 U1 bekannt.
• 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 4 dargestellten Drehstrombordnetzumrichter – ein von der Drehspannung U_a entkoppeltes Batterieladegerät 16/17 zu erhalten, wobei die Batteriespannung U_b unabhängig von der Drehspannung U_a bleibt, ist zwar schon vorgeschlagen worden, ein Batterieladegerät zu nutzen, das unabhängig an der Eingangsgleichspannung U_e angeschlossen ist, nachteilig ist dann jedoch, daß man hierfür ein 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 U_a und U_b nach U_e dadurch zu erzielen, daß man auch den Ausgang des Drehstromwechselrichters über einen Transfornator 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 U_a (entsprechend 4), die konstante Zwischenkreisgleichspannung U_a als Eingangsspannung für ein Batterieladegerät zu verwenden, das z.B. als Gleichspannungswandler ausgebildet ist. Ein solcher Gleichspannungswandler ist dann von der Drehspannung U_a 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 keiner befriedigenden, der Erfindung nahekommenden Lösung geführt.
• Anhand von Ausführungsbeispielen wird die Erfindung im nachstehenden näher erläutert.
• Es zeigen:
• 1 einen Drehstrombordnetzumrichter als Direktumrichter mit Batterieladung
• 2 einen Drehstrombordnetzumrichter als Direktumrichter mit Batterieladung als Variante mit voller Potentialtrennung
• 3 einen Drehstrombordnetzumrichter als Variante ohne Batterieladung
• 4 wurde schon als Stand der Technik beschrieben.
• In 1 ist ein Bordnetzumrichter mit Drehspannungsausgang DS und Gleichspannungsausgang GS dargestellt, bei dem ein Drehstrompulswechselrichter 1 als Direktumrichter Verwendung findet, der über ein Eingangsfilter 2 direkt an der Netzeingangs-Gleichspannung U_e 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 U_a über ein Ausgangsfilter 3 geführt, das auch dazu dient, Spannungsspitzen dU_a/dt mit einer Amplitude der Eingangsgleichspannung U_e von an der Drehspannung U_a 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 U_a 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 U_e mit Anschluß hinter dem Eingangsfilter 2 mit Spannung versorgt wird. Die Regelung der Batterieladespannung Ub ist hierbei unabhängig von der Ausgangsdrehspannung U_a. Über den als Batterieladegerät wirkenden Gleichspannungswandler 5 besteht Potentialtrennung zwischen der Netzeingangsgleichspannung U_e und der Batterieladespannung U_b. Keine Potentialtrennung besteht dagegen noch zwischen Ausgangsdrehspannung U_a und der Netzeingangsgleichspannung U_e.
• 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 U_{e nominal} bis U_{e maximal} (z. B. U_{e nominal} = 750 V =; U_{e maximal} = 1100 V=) arbeitet der Gleichspannungswandler 5 normal, d.h. er liefert eine vor der Spannung hinter dem Eingangsfilter 2 unabhängige Ladespannung U_b 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 U_{e maximal} übersteigt. Über eine dem Gleichspannungswandler 5 zugeordnete Steuerung wird eine solche Schwellwertüberschreitung erfaßt und durch Anheben der Sollwerte für die Batterieladespannung U_b 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 Gleichspannungswandlers 5 erfolgen, d.h. die Baugröße des Gleichspannungswandlers 5 ändert sich entweder nicht oder nur unwesentlich. Die Betriebsmittel, d.h. z.B. Halbleiter, 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.
• 2 zeigt in einer Variante des vorbeschriebenen Drehstrom-Bordnetzumformers nach 1 auch eine Potentialtrennung der Eingangsgleichspannung U_e gegenüber der Ausgangsdrehspannung U_a. Zwischen Pulswechselrichter 1 und dem Ausgangsfilter 3 nach 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. 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.
• 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, Drehstrompulswechselrichter 1 und Transformatorfiltereinheit 6 für verbesserten Transientenschutz, findet anstelle des Gleichspannungswandlers 5 und der Batterie 4 (nach 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 U_e 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, insbesondere eines gleichstrombetriebenen Nahverkehrsfahrzeuges, mit Dreh- und Gleichspannung, mit einem Eingangsfilter, zumindest einem Drehstromausgang, an dem einstellbar eine aus einer Eingangsgleichspannung (U_e), die aus einem Gleichspannungsnetz oder einem Gleichspannungszwischenkreis stammt, über einen Drehstrom-Pulswechselrichter erzeugte Ausgangs-Drehspannung ansteht, und einem Gleichstromausgang, der über Abgriffe von einem Batterieladegerät gespeist wird und an den eine Batterie für Pufferbetrieb angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsgleichspannung (U_e) über den Eingangsfilter (2) geführt wird und direkt an den Drehstrom-Pulswechselrichter (1) angeschlossen ist, der als Direktumrichter über einen Ausgangsfilter (3) seine Drehspannung (U_a) 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 (U_b) und gleichzeitig als aktiver Transientenschutz vorgesehen ist.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei überschreiten eines einstellbaren Maximalwertes der Eingangsgleichspannung (U_e) mittels des Gleichspannungswandlers (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. Schaltungsanordung 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.