DE19742429C1

DE19742429C1 - Schaltungsanordnung

Info

Publication number: DE19742429C1
Application number: DE1997142429
Authority: DE
Inventors: Andreas Dr Ing Fuchs
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1997-09-25
Filing date: 1997-09-25
Publication date: 1999-01-07
Anticipated expiration: 2017-09-26

Description

Derartige Schaltungsanordnungen dienen zur Versorgung von wenigstens einer elektrischen Last, vorzugsweise einem elek trischen Fahrmotor in Traktionseinrichtungen von Mehrsystem fahrzeugen. Schaltungsanordnungen zur Versorgung von elektri schen Fahrmotoren sind beispielsweise in der DE 44 03 762 C1 und in der EP 0 383 971 A1 beschrieben. Sowohl bei der aus der DE 44 03 762 C1 als auch bei der aus der EP 0 383 971 A1 bekannten Einspeiseschaltung wird der elektrische Fahrmotor, bei dem es sich um eine Drehstrommaschine handelt, im DC- Betrieb durch eine Einspeisung in den Zwischenkreis mit Ener gie versorgt.

Die bekannten Schaltungsanordnungen sind im DC-Betrieb auf eine betriebsmäßige Eingangsspannung von beispielsweise 3 kV ausgelegt. Bei den im Mehrsystembetrieb ebenfalls üblichen halben Eingangsspannungen von z. B. 1,5 kV Gleichspannung liegt dann nur eine entsprechend verminderte Zwischenkreis spannung an, so daß dann die Schwierigkeit besteht, die erfor derlichen Drehmomente im Fahrmotor aufzubringen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Schaltungsan ordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, die im DC- Betrieb für eine elektrische Last auch bei reduzierter Ein gangsspannung eine annähernd konstante Wechselspannung lie fert.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des An spruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind jeweils Gegenstand von weiteren Ansprüchen.

Bei der Schaltungsanordnung gemäß Anspruch 1 ist wenigstens eine elektrische Last über einen Sternpunkt an einen Pol ei ner Gleichspannungsquelle und über ihre freien Wechselstrom anschlüsse an einen zumindest zweiphasigen Stromrichter ge schaltet. Der andere Pol der Gleichspannungsquelle ist an ei nen Gleichspannungspol des Stromrichters geschaltet.

Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung ist gemäß einer ersten Alternative der Sternpunkt der elektrischen Last von den Wicklungen einer zumindest zweiphasigen elektrischen Last gebildet. Gemäß einer zweiten Alternative ist der Sternpunkt vom Sternpunkt einer zusätzlichen Drosselanordnung gebildet, die mit einer zumindest einphasigen Last gekoppelt ist.

Im allgemeinen wird der Sternpunkt der elektrischen Last vom Sternpunkt der Wicklungen der elektrischen Last gebildet. Falls die elektrische Last nicht über längere Zeit mit Gleichstrom belastet werden darf oder belastet werden soll, oder falls es sich bei der elektrischen Last nur um eine ein phasige Last handelt, wird der Sternpunkt der elektrischen Last vom Sternpunkt einer zusätzlichen, mit der elektrischen Last gekoppelten Drosselanordnung gebildet.

Bei der elektrischen Last kann es sich z. B. um eine Dreh strommaschine (Anspruch 5) oder um einen Transformator (An spruch 6) handeln. Für die folgende Beschreibung wird ange nommen, daß es sich bei der elektrischen Last um eine Dreh strommaschine handelt.

Bei der Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 fließt der Gleichstrom über den Sternpunkt der Drehstrommaschine in den Wechselrichter, der im DC-Betrieb bei einer niedrigeren als der betriebsmäßig maximal zulässigen Eingangsspannung als Hochsetzsteller arbeitet.

Bei einer maximal zulässigen Eingangsspannung von ca. 3 kV im DC-Betrieb wird bei einer Spannung von 1,5 kV durch den als Hochsetzsteller arbeitenden Wechselrichter die Zwischenkreis spannung sinnvollerweise verdoppelt. Die Zwischenkreisspan nung ist damit sowohl bei einer Eingangsspannung von 3 kV als auch bei einer Eingangsspannung von 1,5 kV gleich groß. Aus der Zwischenkreisspannung wird das benötigte Drehstromsystem gebildet, das der Drehstrommaschine zugeführt wird. Der Dreh strom, der der Drehstrommaschine zugeführt wird, überlagert den durch die Drehstrommaschine fließenden Gleichstrom und wirkt damit drehmomentbildend.

Für Anwendungsfälle, bei denen die Gleichspannungsquelle kei ne hohen Oberschwingungsströme zuläßt, kann zwischen dem Sternpunkt der Drehstrommaschine und der Gleichspannungsquel le ein Netzfilter (Anspruch 2) oder eine Zusatzinduktivität (Anspruch 3) oder ein Netzfilter und eine Zusatzinduktivität (Anspruch 4) angeordnet sein.

Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen, die Gegenstand der weiteren Ansprüche sind, werden im folgenden anhand von schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen in der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Prinzip-Schaltbild einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung,

Fig. 2 ein Prinzip-Schaltbild einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.

In Fig. 1 und 2 ist mit 1 eine Drehstrommaschine bezeichnet, deren Ständerwicklungen L1, L2 und L3 in Stern geschaltet sind.

Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel wird der Sternpunkt der Drehstrommaschine 1 von einem Sternpunkt 2 der Ständerwicklungen L1, L2 und L3 gebildet. Demgegenüber wird bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform der Sternpunkt der Drehstrommaschine 1 von einem Sternpunkt 3 einer zusätz lichen Drosselanordnung 4 gebildet, die mit der Drehstromma schine 1 gekoppelt ist. Die zusätzliche Drosselanordnung 4 umfaßt hierbei drei Wicklungen W1, W2 und W3, die mit ihren einen Enden im Sternpunkt 3 zusammengeführt sind und an deren anderen Enden jeweils ein freies Ende der betreffenden Stän derwicklung L1, L2 oder L3 geführt ist.

Der Drehstrommaschine 1 (Fig. 1) bzw. der Drehstrommaschine 1 und der zusätzlichen Drosselanordnung 4 (Fig. 2) ist im darge stellten Ausführungsbeispiel ein selbstgeführter Stromrichter 5, der als Wechselrichter betrieben wird, nachgeschaltet. Der Stromrichter 5 besteht aus einer der Phasenzahl der zugehöri gen Drehstrommaschine 1 (Fig. 1) bzw. aus einer der Phasenzahl der zusätzlichen Drosselanordnung 4 (Fig. 2) entsprechenden Anzahl von steuerbaren Stromrichterzweigen. Im vorliegenden Fall umfaßt der Stromrichter 5 drei steuerbare Stromrichter zweige 51, 52 und 53. Jeder Stromrichterzweig 51, 52 und 53 besteht bei den gezeigten Ausführungsformen aus zwei in Reihe geschalteten abschaltbaren Leistungshalbleitern (z. B. GTO- Thyristoren), denen jeweils eine Freilaufdiode antiparallel geschaltet ist.

Der freie Wechselstromanschluß 11 der Ständerwicklung L1 ist zwischen beiden in Reihe geschalteten GTO-Thyristoren an den Stromrichterzweig 51 geführt. Analog ist die Ständerwicklung L2 mit ihrem freien Wechselstromanschluß 12 an den Stromrich terzweig 52 und die Ständerwicklung L3 mit ihrem freien Wech selstromanschluß 13 an den Stromrichterzweig 53 geführt.

Bei der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform sind die Wicklun gen W1, W2 und W3 der zusätzlichen Drosselanordnung 4 mit je weils einem Stromrichterzweig 51, 52 oder 53 verbunden. Der freie Wechselstromanschluß 41 der Wicklung W1 ist zwischen den beiden in Reihe geschalteten GTO-Thyristoren an den Stromrichterzweig 51 geführt. Analog ist die Wicklung W2 mit ihrem freien Wechselstromanschluß 42 mit dem Stromrichter zweig 52 und die Wicklung W3 mit ihrem freien Wechselstroman schluß 43 mit dem Stromrichterzweig 53 verbunden.

Bei den in Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführungsformen ist zwi schen dem Sternpunkt 2 der Drehstrommaschine 1 und der Gleichspannungsquelle U_DC bzw. zwischen dem Sternpunkt 3 der zusätzlichen Drosselanordnung 4 und der Gleichspannungsquelle U_DC ein Netzfilter 6 angeordnet. Die Ausgestaltung gemäß Fig. 1 weist darüber hinaus eine Zusatzinduktivität 7 auf, die zwischen dem Sternpunkt 3 der Drehstrommaschine 1 und dem Netzfilter 6 angeordnet ist.

Das Netzfilter 6 umfaßt jeweils eine parallel zum Stromrich ter 5 angeordnete Eingangsfilterkapazität 61 und eine Fil terinduktivität 62, die in Reihe zur Eingangsfilterkapazität 61 geschaltet ist.

Bei den beiden in Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung fließt der vom Netzfil ter gefilterte Gleichstrom über den Sternpunkt 2 bzw. 3 der Drehstrommaschine 1 in den Stromrichter 6.

Liefert die Gleichspannungsquelle U_DC eine Gleichspannung von 3 kV, dann wird direkt in den Zwischenkreis gespeist.

Bei einer Gleichspannung von 1,5 kV arbeiten die Stromrich terzweige 51, 52 und 53 des Stromrichters 5 zusammen mit den Ständerwicklungen L1, L2 und L3 der Drehstrommaschine 1 (Fig. 1) bzw. die Wicklungen W1, W2 und W3 der zusätzlichen Dros selanordnung 4 (Fig. 2) als Hochsetzsteller, um wiederum die benötigte Zwischenkreisspannung von z. B. 3 kV für die Dreh strommaschine 1 zur Verfügung zu stellen. Die Zwischenkreis spannung ist damit sowohl bei einer Eingangsspannung von 3 kV als auch bei einer Eingangsspannung von 1,5 kV annähernd gleich groß.

Aus der Zwischenkreisspannung wird das benötigte Drehstromsy stem gebildet, das der Drehstrommaschine 1 zugeführt wird. Der Drehstrom, der der Drehstrommaschine 1 zugeführt wird, überlagert den durch die Ständerwicklungen L1, L2 und L3 der Drehstrommaschine 1 fließenden Gleichstrom und wirkt damit drehmomentbildend.

Der beschriebene Hochsetzstellerbetrieb des Stromrichters 5 ist möglich, weil das Potential des Sternpunktes 2 bzw. 3 der Drehstrommaschine 1 bei allen Aussteuerungen des Stromrich ters 5 im Mittel die halbe Zwischenkreisspannung der Umrich teranordnung ist. Bei der hier vereinfachenden und zulässigen Annahme, daß es sich bei der Drehstrommaschine 1 und der zu sätzlichen Drosselanordnung 4 um lineare Komponenten handelt, folgt aufgrund der Überlagerung von Gleich- und Wechselstrom, daß bei Speisung des Sternpunktes 2 bzw. 3 der Drehstromma schine 1 aus einer Gleichspannungsversorgung die Zwischen kreisspannung der Schaltungsanordnung bei den üblichen Steu erverfahren näherungsweise die doppelte Eingangsspannung ist.

Somit stellt sich eine Zwischenkreisspannung ein, die der Nennspannung unter Bedingungen von z. B. 3 kV entspricht. Das Problem, hohe Momente bei kleinen Eingangsspannungen aufzu bringen, ist damit gelöst.

Zur Bildung der Mehrphasensysteme können bei der erfindungs gemäßen Schaltungsanordnung die üblichen Steuerverfahren für Pulswechselrichter verwendet werden. Es können darüber hinaus auch die üblichen Stellglieder zum Bremsen (Bremssteller) und die üblichen Einspeiseschaltungen für den AC-Betrieb, wie z. B. Vierquadrantensteller, zum Zwischenkreis parallel ge schaltet werden. In den Fig. 1 und 2 ist dies jeweils durch eine Zusatzeinrichtung 8 symbolisiert.

Claims

1. Schaltungsanordnung, die folgende Merkmale umfaßt:

1. wenigstens eine elektrische Last (1) ist über einen Sternpunkt an einen Pol einer Gleichspannungsquelle (U_DC) und über ihre freien Wechselstromanschlüsse (11, 12, 13) an einen zumindest zweiphasigen Stromrichter (5) geschaltet,
2. der andere Pol der Gleichspannungsquelle (U_DC) ist an einen Gleichspannungspol des Stromrichters (5) geschaltet,
3. der Sternpunkt der elektrischen Last (1) ist
- 1. vom Sternpunkt (2) der Wicklungen (L1, L2, L3) einer zumindest zweiphasigen elektrischen Last (1) oder
- 2. vom Sternpunkt (3) einer zusätzlichen, mit einer zumindest einphasigen Last (1) gekoppelten Drossel anordnung (4)
gebildet.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, mit folgendem Merkmal:

1. zwischen dem Sternpunkt (2, 3) der elektrischen Last (1) und der Gleichspannungsquelle (U_DC) ist ein Netzfilter (6) angeordnet.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, mit folgendem Merkmal:

1. zwischen dem Sternpunkt (2, 3) der elektrischen Last (1) und der Gleichspannungsquelle (U_DC) ist eine Zusatz induktivität (7) in Reihe geschaltet.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, mit folgendem Merkmal:

1. zwischen dem Sternpunkt (2, 3) der elektrischen Last (1) und dem Netzfilter (6) ist eine Zusatzinduktivität (7) angeordnet.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, mit folgendem Merkmal:

1. die elektrische Last (1) ist als Drehstrommaschine ausgebildet.

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, mit folgendem Merkmal:

1. die elektrische Last (1) ist als Transformator ausgebildet.