DE10204219A1

DE10204219A1 - Stromrichtersystem

Info

Publication number: DE10204219A1
Application number: DE10204219A
Authority: DE
Inventors: Samir Salama
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-01-29
Filing date: 2002-01-29
Publication date: 2003-08-14

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Stromrichtersystem mit mindestens drei Teilsystemen zur Speisung eines Drehstrom-Verbrauchers wie beispielsweise eines Bahnantriebes aus einem Hochspannungsnetz. Das Stromrichtersystem besteht aus drei Teilsystemen mit jeweils einem Subteilsystem. Netzseitig sind die Teilsysteme in Serie oder parallel geschaltet. Motorseitig sind die Teilsysteme sterngeschaltet und bilden so ein Drehspannungssystem. Jedes Subteilsystem besteht aus folgenden Hauptkomponenten: mindestens einem netzseitigen Gleichspannungswechselrichter (1), mindestens einem Zwischenkreiskondensator (2), mindestens einem MF-Gleichspannungswechselrichter (3), mindestens einem MF-Transformator (4), mindestens einem motorseitigen MF-Gleichspannungswechselrichter (5) und mindestens einem Glättungskondensator (6). Ein solches Stromrichtersystem weist motorseitig (lastseitig) ein nahezu sinusförmiges Drehspannungssystem ohne Pulsweitenmodulation auf. Dies führt zur drastischen Reduzierung der Oberschwingungsverluste in dem Antriebsmotor.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Stromrichtersystem, und insbesondere aber nicht ausschließlich auf ein Stromrichtersystem, mit mindestens drei Teilsystemen zur Speisung eines Drehstrom-Verbrauchers aus einem Hochspannungsnetz. Ein solches Hochspannungs-Stromrichtersystem ist beispielsweise für Bahnantriebe verwendbar.

Fig. 9 zeigt ein bekanntes aus "EB Elektrische Bahnen, 81. Jg., 1983 H. 7, S. 216-226" entnommenes Antriebssystem. Das System umfasst einen Netztransformator 10, eine oder mehrere netzseitige Gleichspannungswechselrichter 1, einen Gleichspannungszwischenkreis bestehend aus einem Zwischenkreiskondensator 2 sowie eine Zwischenkreisfilter 11 (Saugkreis) zur Filterung der zweiten Oberschwingung der Netzfrequenz, und schließlich einen motorseitigen Gleichspannungswechselrichter 12.

Bekannte Bahnantriebssysteme am Wechselspannungsfahrdraht (Speisung mit 15 kV, 16 2/3 Hz und 25 kV, 50/60 Hz) können sich zwar voneinander bezüglich des inneren Aufbaus der Teilkomponenten unterscheiden, grundsätzlich weisen jedoch alle diese Systeme einen schweren, netzseitigen Transformator auf.

In der Dissertation des Dipl. Ing. Michael Steiner, "Seriegeschaltete Gleichspannungszwischenkreisumrichter in Traktionsanwendungen am Wechselspannungsfahrdraht", Diss. ETH Nr. 13753, Eidgenössische Technische Hochschule Zürich, ist in Fig. 2.11 auf Seite 42 ein Bahnantriebssystem angegeben, bei dem der zur Potentialtrennung eingesetzte MF-Transformator hinsichtlich seines Gewichtes und Volumens wesentlich reduziert ist. Dieses Bahnantriebssystem ist in Fig. 10 wiedergegeben.

Nachteilig bei diesem Antriebssystem ist jedoch, dass es vier Energiewandlungsstufen (AC-DC, DC-AC, AC-DC, DC-AC) aufweist.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen. Insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung, ein Stromrichtersystem für Bahnantriebe anzugeben, bei dem die Potentialtrennung des Antriebssystems vom Bahnnetz durch einen MF-Transformator (5 bis 10 kHz) hergestellbar und das Gewicht und Volumen des Transformators dabei drastisch reduziert ist.

Diese Aufgabe wird durch die in den unabhängigen Ansprüchen angebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Erfindungsgemäß ist ein Stromrichtersystem für Bahnantriebe geschaffen, zur Verschaltung eines Eingangsnetzes mit einer Ausgangslast, mit: mindestens drei Teilsystemen mit jeweils einem netzseitigen Gleichspannungswechselrichter, einem an den Gleichspannungswechselrichter angeschlossenen MF- Gleichspannungswechselrichter, einem an den MF-Gleichspannungswechselrichter angeschlossenen MF-Transformator, einem an den MF-Transformator angeschlossenen lastseitigen MF-Gleichspannungswechselrichter, sowie einem an den MF-Gleichspannungswechselrichter angeschlossenen Glättungskondensator.

Jedes der mindestens drei Teilsysteme weist vorzugsweise mindestens ein Subteilsystem auf, bestehend aus mindestens einem netzseitigen Gleichspannungswechselrichter, mindestens einem Zwischenkreiskondensator, mindestens einem MF(Mittel-Frequenz)-Gleichspannungswechselrichter, mindestens einem MF-Transformator, mindestens einem motorseitigen MF- Gleichspannungswechselrichter, und mindestens einem Glättungskondensator.

Die Einspeisung einer hohen Wechselspannung (z. B. 15/25 kV) oder Gleichspannung (z. B. 3 kV) erfolgt in einer Serien/Parallel-Schaltung dieser Teilsysteme, wobei ein netzseitiger Transformator nicht benötigt wird. Das Stromrichtersystem weist motorseitig (lastseitig) ein nahezu sinusförmiges Drehspannungssystem ohne Pulsweitenmodulation auf. Dies führt zur drastischen Reduzierung der Oberschwingungsverluste in dem Antriebsmotor. Außerdem kann auf einen Zwischenkreisfilter (Saugkreis) zur Filterung der zweiten Oberschwingung der Netzfrequenz verzichtet werden, was zur weiteren Verringerung von Gewicht, Volumen und Kosten beiträgt.

Des weiteren benötigt das vorgestellte Stromrichtersystem nur noch 3 Energiewandlungsstufen (AC-DC, DC-AC, AC-DC).

Das vorgestellte Stromrichtersystem lässt sich besonders vorteilhaft für Bahnantriebe anwenden. Die nachstehende Beschreibung bezieht sich deshalb auf Bahnantriebe, obwohl das Stromrichtersystem grundsätzlich auch für andere, z. B. stationäre Verbraucher, vorteilhaft verwendet werden kann.

Erfindungsgemäß ist weiterhin ein Stromrichtersystem zur Verschaltung eines Netzes mit einer Last geschaffen, mit: mindestens drei Teilsystemen, wobei jedes Teilsystem einen netzseitigen ersten, einen dahintergeschalteten zweiten, und einen lastseitigen dritten Wechselrichter aufweist, und die Ausgänge der Teilsysteme als Sternschaltung verschaltet sind zur Bildung eines Drehspannungssystemes.

Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen in Bezug auf die Zeichnungen erklärt, und es zeigen:
Fig. 1 ein Stromrichtersystem für Bahnantriebe nach einer ersten Ausgestaltung der Erfindung mit zwei Fahrdrahtspannungssystemen (3 kV Gleichspannung und 15 kV 16 2/3 Hz Wechselspannung);
Fig. 2 die Grundform eines Stromrichtersystemes nach einer Ausgestaltung der Erfindung;
Fig. 3 die Grundform eines Stromrichtersystemes nach einer Ausgestaltung der Erfindung für Bahnantriebe mit Wechselspannungen (z. B. 15/25 kV);
Fig. 4 die Grundform eines Stromrichtersystemes nach einer Ausgestaltung der Erfindung für Bahnantriebe mit Gleichspannung (z. B. 3 kV);
Fig. 5 die Grundform eines Stromrichtersystemes für Bahnantriebe mit Gleichspannung (z. B. 3 kV) nach einer alternativen Ausgestaltung;
Fig. 6 Simulationsergebnisse des Stromrichtersystemes in Fig. 1;
Fig. 7 ein Stromrichtersystem für Bahnantriebe nach einer weiteren Ausgestaltung mit zwei Fahrdrahtspannungssystemen (15 kV, 16 2/3 Hz und 25 kV, 50/60 Hz Wechselspannung);
Fig. 8 ein Stromrichtersystem für Bahnantriebe mit zwei Fahrdrahtspannungssystemen (15 kV, 16 2/3 Hz und 25 kV, 50/60 Hz Wechselspannung) nach einer weiteren alternativen Ausgestaltung der Erfindung;
Fig. 9 ein Stromrichtersystem nach dem Stand der Technik; und
Fig. 10 eine weiteres Stromrichtersystem nach dem Stand der Technik.
Fig. 2 zeigt die Grundform eines Stromrichtersystemes nach einer ersten Ausgestaltung der Erfindung. Es besteht aus drei Teilsystemen mit jeweils einem Subteilsystem. Netzseitig, sind die Teilsysteme in Serie oder parallel geschaltet. Motorseitig sind die Teilsysteme sterngeschaltet und bilden so ein Drehspannungssystem.
Jedes Subteilsystem besteht aus folgenden Hauptkomponenten: mindestens einem netzseitigen Gleichspannungswechselrichter 1, mindestens einem Zwischenkreiskondensator 2, mindestens einem MF- Gleichspannungswechselrichter 3, mindestens einem MF-Transformator 4, mindestens einem motorseitigen MF-Gleichspannungswechselrichter 5, und mindestens einem Glättungskondensator 6.
Die beiden an den MF-Transformator 4 angeschlossenen MF- Gleichspannungswechselrichter 3 und 5 werden mit einer Mittelfrequenz von mehreren Kiloherz (5 bis 10 kHz) betrieben. Dadurch werden Gewicht und Volumen des Transformators herabgesetzt.
Die Ausgangsspannungen der drei Teilsysteme sind nach folgenden Führungsgrößen geregelt:

wobei:
U_m = maximaler Scheitelwert der Ausgangsspannung
a = Aussteuerungsgrad der Ausgangsspannung
ω = Kreisfrequenz
Die drei Ausgangsspannungen bestehen jeweils aus einem festem Gleichanteil mit dem Wert U_m/2, sowie einem Wechselanteil mit der für den Antrieb gewünschten Amplitude a.U_m/2 und der Kreisfrequenz ω.
Die drei Strangspannungen der Drehstromantriebe ergeben sich aus:

u_an = u_a0 - u_no

u_bn = u_b0 - u_no (2)

u_cn = u_c0 - u_no

wobei:
u_n0 = das Sternpunktpotential
Aus Gl. 1 und Gl. 2 ergibt sich das Sternpunktpotential zu:
Daraus ergeben sich die drei Strangspannungen der Drehstromantriebe zu:
Gleichung 3 stellt ein Drehspannungssystem ohne Gleichanteil dar. Dabei muss der Gleichanteil U_m/2 der drei Teilsysteme auf Gleichheit geregelt werden. Dies stellt jedoch heutzutage für moderne Signalverarbeitungsysteme und vor allem wegen der gegenüber der maximalen Antriebsfrequenz wesentlich höheren Schaltfrequenz der MF-Gleichspannungswechselrichter kein Problem dar.
Die Grundform eines Stromrichtersystemes nach einer zweiten Ausgestaltung ist in Fig. 3 dargestellt. Jedes der drei Teilsysteme besteht aus zwei netzseitig in Serie oder parallel geschalteten Subteilsystemen. Motorseitig sind die Subteilsysteme in Anti-Serie geschaltet.
Die Ausgangsspannungen der ersten drei Subteilsysteme (d. h. des Subteilsystems 1 in den Teilsystemen 1, 2 und 3) werden nach folgenden Führungsgrößen geregelt:
Die Ausgangsspannungen der zweiten drei Subteilsysteme (d. h. des Subteilsystems 2 in den Teilsystemen 1, 2 und 3) werden gegenüber der ersten drei Subteilsysteme nach folgenden Führungsgrößen geregelt:
Die Ausgangsspannungen der drei Teilsysteme ergeben sich aus Gl. 4 und Gl, 5 zu:

u_ao = a.U_m.sin(ωt)

u_bo = a.U_m.sin(ωt - 2π/3) (6)

u_co = a.U_m.sin(ωt - 4π/3)
Da das Sternpunktpotential u₀ = 0 ist, ergeben sich die drei Strangspannungen der Drehstromantriebe zu:

u_an = a.U_msin(ωt)

u_bn = a.U_msin(ωt - 2π/3) (7)

u_cn = a.U_msin(ωt - 4π/3)
Gleichung 7, stellt ein Drehspannungssystem dar. Dabei muss der Gleichanteil der zwei in Anti-Serie geschalteten Subteilsysteme auf Gleichheit geregelt werden.
Die Einspeisung einer hohen Wechselspannung von beispielsweise 15 kV oder 25 kV erfolgt in einer Serienschaltung gemäß der Grundform in Fig. 3.
Bei Gleichspannungs-Einspeisung werden die Teilsysteme parallel geschaltet, wie in Fig. 4 oder Fig. 5 dargestellt. Dabei sind die Subteilsysteme entweder netzseitig (Fig. 4) oder über die Zwischenkreise (Fig. 5) in Serie geschaltet. In der Schaltanordnung nach Fig. 5 wird die Fahrdrahtspannung direkt an die in Serie geschalteten Zwischenkreise angeschlossen und somit der Eingangs- Gleichspannungswechselrichter 1 nicht mehr benötigt.
Die Anzahl der Teilsysteme sowie die Anzahl der Subteilsysteme innerhalb der Teilsysteme richtet sich nach der Spannungsfestigkeit der verwendeten Leistungshalbleiter und die Anzahl der Antriebsmotoren
Wesentliche Merkmale des Stromrichtersystemes ist das motorseitig erzeugte nahezu sinusförmige Drehspannungsystem (keine Pulsbreitenmodulation wie beim Stand der Technik).
Dies hat folgende Vorteile:

- Sehr kleine Spannungs-Oberschwingungen; demzufolge starke Reduzierung der Motor-Verlustleistungen,
- Entfall des Saugkreisfilters (11) im Zwischenkreis (zweiter Oberschwingungsfilter),
- Starke Reduzierung der elektromagnetischen Abstrahlung (EMV),
- Höhe Lebensdauer der Antriebsmotoren, da sie nicht mehr mit schnellen Schaltflanken, wie bei üblichen stromrichtergespeisten Antriebsmotoren der Fall ist, beansprucht sind.

Fig. 1 zeigt ein beispielhaftes Stromrichtersystem für Bahnantriebe mit zwei Fahrdraht-Spannungssysteme (3 kV Gleichspannung oder 15 kV Wechselspannung). Es besteht aus sechs Teilsystemen mit jeweils zwei Subteilsystemen. Je drei Teilsysteme speisen ein Antriebsmotor. Die sechs Teilsysteme sind, je nach Art der Einspeisung, (3 kV Gleichspannung oder 15 kV Wechselspannung) parallel oder in Serie geschaltet.
Mit einer Zwischenkreisspannung von 2,5 kV für die heute verfügbaren 4,5 kV "Insulated Gate Bipolar Transistoren" (IGBTs) liefert das Stromrichtersystem motorseitig ein maximales, sinusförmiges Drehspannungsystem mit einem Strangsspannungs-Scheitelwert von 2,5 kV.
Fig. 6 zeigt Simulationsergebnisse des Stromrichtersystemes in Fig. 1 unter folgende Voraussetzungen:

- Zwischenkreisspannung = 2,5 kV.
- Leistung des Antriebsmotors = 1,5 MW.
- Schaltfreqauenz des MF-Gleichspannungswechselrichter = 5 kHz.
- Strangspannugs-Scheitelwert = 2,5 kV.

Dargestellt in Fig. 6 sind von oben nach unten:

- Ausgangsspannung des ersten Subteilsystemes u_a10.
- Ausgangsspannung des zweiten Subteilsystemes u_a20.
- Ausgangsspannung des Teilsystemes u_a0.
- Primär-Strom des MF-Transformator i_T1.

Deutlich zu erkennen ist die nahezu sinusförmige Ausgangsspannung u_a0 und der MF-Primär-Strom des MF-Transformator i_T1.
In Fig. 7 ist ein Stromrichtersystem für Bahnantriebe nach einer weiteren Ausgestaltung für zwei Wechselspannungssysteme 15 kV, 16 2/3 Hz und 25 kV, 50/60 Hz, dargestellt. Es besteht aus sechs netzseitig in Serie geschalteten Teilsystemen, mit jeweils drei Subteilsystemen. Je drei Teilsysteme speisen einen Antriebsmotor.
Mit einer Zwischenkreisspannung von 2,8 kV für die heute verfügbaren 4,5 kV "Insulated Gate Bipolar Transistoren" (IGBTs) liefert das Stromrichtersystem mit insgesamt achtzehn netzseitig in Serie geschalteten Gleichspannungswechselrichtern eine maximale sinusmodulierte Summenspannung mit einem Scheitelwert von 18.2,8 kV. Motorseitig bildet das Stromrichtersystem ein nahezu sinusförmiges Drehspannungsystem mit einem Strangspannungs-Scheitelwert von 1.5.2,8 kV. Durch Variation des Aussteuerungsgrades kann die sinusmodulierte Summenspannung des Stromrichters an die jeweilige Netz-Wechselspannung angepasst werden.
In Fig. 8 ist ein alternatives Stromrichtersystem für Bahnantriebe für die beiden Wechselspannungssysteme 15 kV, 16 2/3 Hz und 25 kV, 50/60 Hz, dargestellt. Es besteht aus zwei Gruppen von jeweils sechs netzseitig in Serie geschalteten Teilsystemen, mit jeweils zwei Subteilsystemen. Je drei Teilsysteme speisen einen Antriebsmotor.
Abhängig von der Netz-Wechselspannung sollen die beiden Gruppen von jeweils sechs netzseitig seriengeschalteten Teilsystemen entweder in Serie (für 25 kV Netz- Wechselspannung) oder parallel (für 15 kV Netz-Wechselspannung) geschaltet sein.
Mit einer Zwischenkreisspannung von 2,5 kV für die heute verfügbaren 4,5 kV "Insulated Gate Bipolar Transistoren" (IGBTs) liefert das Stromrichtersystem entweder eine sinusmodulierte Summenspannung mit einem Scheitelwert von 24.2,5 kV (für 25 kV Netz-Wechselspannung) oder 12.2,5 kV (für 15 kV Netz- Wechselspannung). Motorseitig bildet das Stromrichtersystem ein nahezu sinusförmiges Drehspannungsystem, mit einem Strangspannungs-Scheitelwert von 2,5 kV.
Anzumerken ist, dass die Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern Modifikationen im Rahmen des durch die Ansprüche festgelegten Schutzbereiches umfasst.

Claims

1. Stromrichtersystem für Bahnantriebe, zur Verschaltung eines Eingangsnetzes mit einer Ausgangslast, mit:
mindestens drei Teilsystemen mit jeweils einem netzseitigen Gleichspannungswechselrichter (1), einem an den Gleichspannungswechselrichter (1) angeschlossenen MF- Gleichspannungswechselrichter (3), einem an den MF- Gleichspannungswechselrichter (3) angeschlossenen MF-Transformator (4), einem an den MF-Transformator (4) angeschlossenen lastseitigen MF- Gleichspannungswechselrichter (5), sowie einem an den MF- Gleichspannungswechselrichter (5) angeschlossenen Glättungskondensator (6).

2. Stromrichtersystem nach Anspruch 1, wobei die Teilsysteme netzseitig parallel geschaltet sind.

3. Stromrichtersystem nach Anspruch 1, wobei die Teilsysteme netzseitig in Serie geschaltet sind.

4. Stromrichtersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die drei Teilsysteme lastseitig eine Sternschaltung und damit ein Drehspannungssystem bilden.

5. Stromrichtersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die der netzseitige Gleichspannungswechselrichter (1), der MF- Gleichspannungswechselrichter (3), der MF-Transformator (4), der lastseitige MF-Gleichspannungswechselrichter (5), sowie der Glättungskondensator (6) in einem Subteilsystem enthalten ist, und jedes Teilsystem eines oder mehrere solcher Subteilsysteme aufweist, und wobei die Subteilsysteme innerhalb eines Teilsystemes netzseitig in Serie und lastseitig in Anti-Serie geschaltet sind.

6. Stromrichtersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Subteilsysteme innerhalb der Teilsysteme über Zwischenkreise in Serie und lastseitig in Anti-Serie geschaltet sind und das Eingangsnetz direkt an die in Serie geschalteten Zwischenkreise angeschlossen ist.

7. Stromrichtersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die beiden an den MF-Transformator (4) angeschlossenen MF- Gleichspannungswechselrichter (3, 5), mit einer Mittelfrequenz zwischen 5 und 10 kHz betrieben werden.

8. Stromrichtersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ausgangsspannung von je drei Teilsystemen gemäß der Gleichungen (4) und (5) derart regelbar sind, daß Strangspannungen für einen Bahnantriebsmotor erzeugbar sind, die eine nahezu sinusförmiges Drehspannung ohne Gleichanteil bilden.

9. Stromrichtersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Teilsysteme durch Umschaltung an die Art der Netzeinspeisung, (z. B. 15 kV, 16 2/3 Hz, 25 kV, 50/60 Hz und/oder 3 kV Gleichspannung) anpassbar sind.

10. Stromrichtersystem zur Verschaltung eines Netzes mit einer Last, mit: mindestens drei Teilsystemen, wobei jedes Teilsystem einen netzseitigen ersten, einen dahintergeschalteten zweiten, und einen lastseitigen dritten Wechselrichter aufweist, und die Ausgänge der Teilsysteme als Sternschaltung verschaltet sind zur Bildung eines Drehspannungssystemes.