DE3037551A1 - AC=DC converter for electric locomotive - has resistor switched across one converter unit using thyristor to return power from braked motor to supply - Google Patents

Abstract

The ac/dc converter has several mutually-isolated converter units connected to an ac supply and connected in series at their dc outputs. At least one converter unit is shunted by a thyristor (71) in series with a resistor.

Description

Halbleiter-StromrichterSemiconductor converters

Die Erfindung bezieht sich auf einen Halbleiter-Stromrichter gemaß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a semiconductor power converter according to the preamble of claim 1.

Bei Anordnung eines Thyristor-Stromrlchters auf einem Fahrzeug mit Wechselspannungsspeisung treten Probleme auf, da Oberschwingungen, die durch Stromverzerrungen in den in Relhe geschalteten Stromrichtereinheiten durch die Phasenanschnittsteuerung hervorgerufen werden, ansteigen. Um diesen Nachteil zu vermeiden, wird die Sekundärwicklung eines auf dem Triebfahrzeug angeordneten Transformators in mehrere Abschnitte unterteilt. Mit jeder Sekundänficklung ist eine Stromrichtereinheit in Brückenschaltung verbunden. Die Stromrichtereinheiten sind in Kaskade geschaltet Thyristor-Stromrichter solcher Bauart sind für zwei Betriebsarten geeignet und zwar einmal für den Fahrbetrieb (Gleichrichterbetrieb des Thyristor-Stromrichters) und zum anderen für den Nutzbremsbetrieb (Wechselrichterbetrieb des Thyristor-Stromrichters), wobei man von einer Betriebsart in die andere in einfacher Weise durch eine Änderung der Zündfolge und des Zündwinkels der Thyristoren übergehen kann. Die Unterteilung der Sekundärvicklung bewirkt eine Reduzierung der Oberschwingungndes Stromes, der durch die Reihenschaltung fließt. Im allgemeinen werden vier bis sechs Wicklungsabschnitte verwendet. Für den Nutzbremsbetrieb des Thyristor-Stromrichters in Brückens chaltung muß eine Kommutierungszeit gewährleistet sein, die von der Freiwerdezeit der Thyristoren abhängt. Dabei wird der minimale Voreilwinkel Bmin des Thyristor- Stromrichters im Wechselrichterbetrieb aus der Summe eines Winkels, der der Schonzeit entspricht, und eines Uberlappungswinkels während der Kommutierung gebildet.When arranging a thyristor current light on a vehicle with AC power supply problems arise because of harmonics caused by current distortion in the converter units connected in Relhe by the phase control are caused, increase. To avoid this disadvantage, the secondary winding a transformer arranged on the locomotive divided into several sections. A converter unit is connected in a bridge circuit to each secondary winding. The power converter units are connected in cascade with thyristor power converters Bauart are suitable for two modes of operation, one for driving (Rectifier operation of the thyristor converter) and on the other hand for regenerative braking (Inverter operation of the thyristor converter), whereby one of an operating mode in the other in a simple manner by changing the firing order and the firing angle the thyristors can go over. The subdivision of the secondary winding causes a Reduction of the harmonics of the current flowing through the series connection. Generally four to six winding sections are used. For regenerative braking the thyristor converter in bridge circuit must ensure a commutation time which depends on the release time of the thyristors. The minimum Lead angle Bmin of the thyristor Converter in inverter operation from the sum of an angle corresponding to the closed season and an overlap angle formed during commutation.

Im Fahrbetrieb ist der minimale Zündwinkel o6 = Null während im Nutzbremsbetrieb der minimale voreilende Zündwinkel gleich dem Winkel Bmin ist. Je größer der Uberlappungswinkel während der Kommutierung ist, um so größer ist bein, was dazu führt, daß der Leistungsfaktor, der Aussteuerungsgrad bei der Rückspeisung und die Nutzbremskraft herabgesetzt sind, wogegen der Oberschwingungsstrom über die Reihenschaltung zunimmt. Insbesondere im Fall eines Wechselstromtriebfahrzeuges erreicht die Reaktanz im Wechselstromkreis an der von der Verteilerstation am weitesten entfernten Stelle ein Maximum, weshalb auch Bmin auf einen maximalen Wert ansteigt.In driving mode, the minimum ignition angle o6 = zero, while in regenerative braking mode the minimum leading ignition angle is equal to the angle Bmin. The larger the overlap angle is during commutation, the greater is bein, which leads to the fact that the power factor, the degree of modulation during the feedback and the regenerative braking force are reduced, whereas the harmonic current increases across the series connection. In particular in the case of an AC traction vehicle, the reactance reaches the AC circuit a maximum at the point furthest away from the distribution station, which is why also Bmin increases to a maximum value.

Deshalb erhält man entweder keine ausreichende Nutzbremskraft oder der Oberschwingungsstrom nimmt zu. Die Leistung des Fahrzeuges wird daher erheblich beeinträchtigt.Therefore, one either does not get sufficient regenerative braking force or the harmonic current increases. The performance of the vehicle is therefore considerable impaired.

Fig. 1 zeigt einen Hauptstromkreis eines Wechselstromfahrzeuges, bei dem ein bekannter Stromrichter mit Thyristoren in Brückenschaltung verwendet ist. In der Schaltung ist eine Speisequelle 1, eine Reaktanz 2, ein Transformator 3 mit einer Primärwicklung 31 und Sekundärwicklungen 32 bis 35, in Kaskade geschaltete Einheiten 41 bis 44, eine Glättungsdrossel 5 und ein elektrischer Antriebsmotor 6 angeordnet.Fig. 1 shows a main circuit of an AC vehicle at a well-known converter with thyristors in a bridge circuit is used. In the circuit is a supply source 1, a reactance 2, a transformer 3 with a primary winding 31 and secondary windings 32 to 35, connected in cascade Units 41 to 44, a smoothing throttle 5 and an electric drive motor 6 arranged.

Fig. 2 zeigt Betriebskurven des Stromrichters, wenn die jeweiligen Stromrichtereinheiten 41 bis 44 mit einem Mindestzündwinkel Bmin im Wechselrichterbetrieb betrieben werden. In dem Diagramm kennzeichnen e1 eine Speisespannung; isl bis is4 (i32 bis i Sekundärwicklungsströme; e41 bis e44 Ausgangsspannungen der jeweiligen Stromrichtereinheiten; ed eine zusammengesetzte Ausgangsspannung.Fig. 2 shows operating curves of the converter when the respective Converter units 41 to 44 with a minimum ignition angle Bmin in inverter operation operate. In the diagram, e1 denotes a supply voltage; isl to is4 (i32 to i secondary winding currents; e41 to e44 output voltages of the respective Converter units; ed a composite output voltage.

Wenn die Stromrichtereinheiten 41 bis 44 mit demselben Zündwinkel betrieben werden, kommutieren sie wegen der gegenseitigen Beeinflussung der Wicklungen nicht gleichmäßig und die auftretende Uberlappung der Kommutierungswinkel wird groß. Deshalb muß in diesem Fall der Zündwinkel ßmin groß eingestellt werden, so ß der Löschwinkel g der Wicklung S4 (Fig. 1), deren Kommutierung zuletzt vollendet wird, einen vorgegebenen Wert übersteigt. Wird die Nutzbremsung durch Wechselrichterbetrieb bis zum Stillstand des Triebwagens angewendet, so kann es vorkommen, daß aus den obengenannten Gründen eine ausreichende Nutzbremsung nicht zustande kommt, wenn die gleiche SeKundärspannung wie im Fahrbetrieb verwendet wird. Aus diesem Grund muB die Wechselspannung bei Nutzbremsbetrieb höher sein als im Fahrbetrieb. Es gibt hierzu eine bekannte Methode. Diese wird im folgenden anhand des in Fig. 1 gezeigten Beispiels erläutert.If the converter units 41 to 44 have the same firing angle are operated, they commutate because of the mutual influence of the windings not evenly and the overlapping of the commutation angles that occurs becomes large. Therefore, the ignition angle ßmin must be set large in this case, so ß der Extinction angle g of winding S4 (Fig. 1), the commutation of which is completed last, exceeds a predetermined value. Regenerative braking is achieved through inverter operation Applied to the standstill of the railcar, it can happen that from the A sufficient regenerative braking does not come about if the above-mentioned reasons the same secondary voltage is used as when driving. For this reason the AC voltage must be higher in regenerative braking than in driving. There is a known method for this. This is shown below with reference to that shown in FIG Example explained.

Im Fahrbetrieb sind die Stromrichtereinheiten 41 bis 43 in Betrieb und die Stromrichtereinheit 44 wird lediglich zur Uberbrückung benutzt, wogegen beim Nutzbremsbetrieb alle Stromrichter 41 bis 44 betrieben werden.The converter units 41 to 43 are in operation when driving and the converter unit 44 is only used for bridging, whereas all converters 41 to 44 are operated during regenerative braking.

Bei diesem Verfahren ist sogar dann, wenn die Wicklungsspannungen beim Fahrbetrieb und Bremsbetrieb untereinander gleich sind, der Oberschwingungsstrom im Bremsbetrieb höher als im Fahrbetrieb, deshalb verursacht die erhöhte Spannung im Bremsbetrieb im Vergleich zum Fahrbetrieb einen extrem hohen Oberwellenstrom durch die Primarwicklung. Das führt häufig dazu, daß diese Methode undurchführbar ist.With this method is even when the winding tensions when driving and braking are the same, the harmonic current higher in braking than in driving, which is why the increased voltage causes an extremely high harmonic current during braking compared to driving through primary development. This often makes this method impractical is.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Halbleiter-Stromrichter anzugeben, der eine ausreichende Nutzbremskrafb aufweist und das Netz nur mit geringen Oberschwingungsströmen belastet.The object of the present invention is to provide a Semiconductor converters indicate who has sufficient regenerative braking power and the network only with low Harmonic currents loaded.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.This task is carried out by the characterizing part of the claim 1 resolved.

Durch die Erfindung wird bei Gewährleistung einer ausreichenden Nutzbremsung der Leistungsfaktor im Nutzbremsbetrieb so groß wie möglich und im Nutzbremsbetrieb können die Oberschwingungen so klein wie im normalen Fahrbetrieb gehalten werden.The invention ensures sufficient regenerative braking the power factor in regenerative braking as large as possible and in regenerative braking the harmonics can be kept as small as in normal driving.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Darin zeigen: Fig. 1 einen Schaltplan einer bekannten Ausführung, Fig. 2 einen Kurvenverlauf zur Erlauterung der bekannten Ausfiihrungsfora, Fig. 3 eine Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung, Fig. 4 eine Kurvenform zur Erläuterung der Unterschiede des Betriebes der bekannten Ausführung und der Ausführung gemäß der Erfindung und Fig. 5 Diagramme zur Erläuterung der Unterschiede zwischen den Oberschwingungs-Kennlinien der bekannten Ausführung und der Erfindung.An exemplary embodiment of the invention is shown in the drawing. 1 shows a circuit diagram of a known embodiment, FIG. 2 shows a curve to explain the known embodiment, FIG. 3 shows a circuit arrangement according to the invention, Fig. 4 shows a curve to explain the differences in the Operation of the known embodiment and the embodiment according to the invention and Fig. 5 diagrams to explain the differences between the harmonic characteristics of the known design and the invention.

In Fig. 3 ist eine Reihenschaltung aus einem Thyristor 71 und einem Widerstand 81 an Gleichspannungsklemmen mindestens einer der in Kaskade angeordneten Stromrichtereinheiten 41 bis 44 derart angeschaltet, daß die Reihenschaltung dieselbe Durchflußrichtung aufweist wie die StromrichtereiiMeit 41 und daß im Nutzbremsbetrieb der Thyristor 71 gezündet wird, während die Stromrichtereinheit 41 außer Betrieb gesetzt wird, so daß der Laststrom nicht in das Speisenetz 1 zurück- geführt, sondern über den Thyristor 71 und den Widerstand 81 geleitet wird, um im Vergleich zum Fahrbetrieb die Anzahl der benutzten Sekundärwicklungen des Transformators 3 herabzusetzen. Auf diese Gleise kann der in die Speisequelle 1 fließende Strom mit Oberschwingungen reduziert werden.In Fig. 3 is a series circuit of a thyristor 71 and a Resistor 81 on DC voltage terminals of at least one of the cascaded ones Converter units 41 to 44 connected in such a way that the series connection is the same Flow direction has like the StromrichtereiiMeit 41 and that in regenerative braking the thyristor 71 is ignited while the converter unit 41 is out of operation is set so that the load current does not return to the supply network 1. guided, but passed through the thyristor 71 and the resistor 81 in order to be compared the number of secondary windings of the transformer 3 used for driving operation to belittle. The current flowing into the supply source 1 can also flow onto these tracks Harmonics are reduced.

Im folgenden wird die Steuerung des Stromrichters anhand der F g. 3 erläutert. Im Fahrbetrieb ist der Thyristor 71 gesperrt, um die Stromrichtereinheiten 41 bis 44 so zu steuern wie dies bei in Kaskade geschalteten Gleichrichtern üblich ist. Bei maximaler Ausgangsleistung im Fahrbetrieb werden die Stromrichtereinheiten 41 bis 44 mit höchsten Aussteuerungsgrad betrieben. In diesem Fall arbeiten die Stromrichtereinheiten wie Dioden-Gleichrichter, wobei im Speisekreis ein Strom mit verringerten Oberschwingungen fließt.In the following, the control of the converter is based on the F g. 3 explained. When driving, the thyristor 71 is blocked to the converter units 41 to 44 to be controlled as usual with rectifiers connected in cascade is. At maximum output power when driving, the converter units 41 to 44 operated with the highest degree of modulation. In this case, the Converter units such as diode rectifiers, with a current in the supply circuit reduced harmonics flows.

Im Nutzbremsbetrieb ergibt sich folgende Wirkungsweise: -Bei einer maximalen Nutzbremsleistung erzeugen die Stromrichtereinheiten 42 bis 44 eine maximale Ausgangsleistung bei einem Steuerwinkel min' wobei die Thyristoren der jeweiligen Stromrichtereinheiten gelöscht werden und der Thyristor 71 gezündet wird, so daß die Nutzbremsleistung vom Widerstand 81 aufgenommen wird. Deshalb fließt kein Wechselstrom über die Stromrichtereinheit 41 zurück, so daß der Speisestrom um den Betrag herabgesetzt wird, der dem Strom einer Wicklung entspricht, wie dies Fig. 4 zeigt. In dieser Figur ist der Verlauf der Spannung e und des Stromes i der Spannungsquelle 1 dargestellt. Mit a ist ein üblicher Verlauf des Stromes und mit b der Verlauf des Stromes einer Schaltungsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung bezeichnet. In dem Maß, wie der Strom mit Oberschwingungen durch Hinzunahme einer Wicklung zunimmt, nimmt im Speisekreis der gesamte Strom mit Oberschwingungen durch Herausnahme einer Wicklung ab.The following mode of action results in regenerative braking: -With one The converter units 42 to 44 generate a maximum regenerative braking power Output power at a control angle min 'where the thyristors of the respective Converter units are extinguished and the thyristor 71 is ignited, so that Regenerative braking power is absorbed by resistor 81. Therefore no alternating current flows via the converter unit 41, so that the feed current is reduced by the amount which corresponds to the current of a winding, as shown in FIG. In this Figure shows the course of the voltage e and the current i of the voltage source 1. With a is a usual course of the current and with b the course of the current is a Circuit arrangement according to the present invention referred to. To the extent that the Current with harmonics increases by adding a winding, takes the entire current with harmonics in the supply circuit by removing one Winding off.

Fig. 5 zeigt den Strom Jp des Stromrichters (equivalent interruption current), der in die Speisequelle 1 fließt, in Abhängigkeit vcm Aussteuerungsgrad des Stromrichters (converted output), wobei I einen Strom Jp des Stromrichters (equivalent interrupt current) einer bekannten Anordnung und II den Strom Jp der Schaltungsanordnung gemäß der Erfindung darstellt.5 shows the current Jp of the converter (equivalent interruption current), which flows into the supply source 1, depending on the degree of modulation of the converter (converted output), where I is a current Jp of the converter (equivalent interrupt current) of a known arrangement and II the current Jp of the circuit arrangement represents according to the invention.

Wie bereits beschrieben, ist die in Fig. 3 gezeigte Ausführung so ausgebildet, daß nur eine Stromrichtereinheit und zwar die Stromrichtereinheit 41 mit der Reihenschaltung aus dem Thyirstor 71 und dem Widerstand 81 verbunden ist. Wie In der gleichen Figur durch eine gestrichelte Linie dargestellt ist, kann zusätzlich mindestens eine Reihenschaltung aus einem Thyristor 72 und einem Widerstand 82 auch mit jeweils einer weiteren Stromrichtereinheit 42 verbunden werden. In diesem Fall wird die erzielte Wirkung noch gesteigert.As already described, the embodiment shown in Fig. 3 is so formed that only one converter unit, namely the converter unit 41 is connected to the series circuit of the Thyirstor 71 and the resistor 81. As shown in the same figure by a dashed line, in addition at least one series connection of a thyristor 72 and a resistor 82 as well are each connected to a further converter unit 42. In this case the effect achieved is increased.

Nimmt im Nutzbremsbetrieb die Bremskraft ab (werden z.B. die Stromrichtereinheiten 41 bis 44 nacheinander auf Nebenschlußbetrieb geschaltet, um die Stromrichter-Ausgangssy nnung herabzusetzen), so nimmt der Strom mit Oberschwingungen an der Speiseseite ebenfalls ab.If the braking force decreases in regenerative braking (e.g. the converter units 41 to 44 successively switched to shunt operation in order to convert the converter output sys The current with harmonics on the supply side increases also from.

Aus diesem Grund wird die Reihenschaltung aus Thyristor und Widerstand vom Stromkreis abgetrennt, um den im Nebenschluß fließenden Strom auf den Speisekreis umzuleiten und dadurch die Rückspeiseenergie zu erhöhen.For this reason, the series circuit is made up of a thyristor and a resistor separated from the circuit in order to transfer the current flowing in the shunt to the supply circuit divert and thereby increase the regenerative energy.

In diesem Falle wird das Steuersignal für den Thyristor 71 weggenommen, so daß die Stromrichtereinheit 41 in der bekannten Art als Wechselrichter betrieben wird.In this case the control signal for the thyristor 71 is removed, so that the converter unit 41 in of the known type as an inverter is operated.

An den Thyristor 71 wird dabei eine Sperrspannung angelet, so daß der Thyristor 71 automatisch gesperrt wird.A reverse voltage is applied to the thyristor 71, so that the thyristor 71 is automatically blocked.

5 Figuren 1 Patentanspruch5 Figures 1 claim

Claims (1)

Patentanspruch Halbleiter-Stromrichter, insbesondere für elektrisch angetriebene Fahrzeuge, mit mehreren gegeneinander isolierten Stromrichtereinheiten, die mit einer Wechselspannungsquelle verbunden und gleichspannungsseitig in Reihe geschaltet sind, d a d u r c h g e k en n z e i c h n e t , daß eine Reihenschaltung aus einem Thyristor (71) und einem Widerstand (81) an die Gleichspannungsausgänge mindestens einer Stromrichtereinheit (41) angeschlossen ist und daß dann, wenn der Halbleiter-Stromrichter im Rückspeisebetrieb arbeitet, der Thyristor (71) gezündet wird, um die zugehörige Stromrichtereinheit zu sperren und zu ermöglichen, daß der Laststrom durch den in Serie mit dem Thyristor (71) angeordneten Widerstand (81) fließt.Semiconductor converters, in particular for electrical ones driven vehicles, with several mutually insulated converter units, which are connected to an AC voltage source and in series on the DC voltage side are connected, that is, a series connection from a thyristor (71) and a resistor (81) to the DC voltage outputs at least one converter unit (41) is connected and that when the Semiconductor converter works in regenerative mode, the thyristor (71) is ignited is to lock the associated converter unit and allow the Load current through the resistor (81) arranged in series with the thyristor (71) flows.