DE3243337A1 - Schaltung fuer den fahr- und bremsbetrieb elektrischer triebfahrzeuge - Google Patents

Description

• Schaltung für den Fahr- und Bremsbetrieb elektrischer
• Triebfahrzeuge Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltung für Fahr- und Bremsbetrieb elektrischer Triebfahrzeuge, wie sie im Oberbegriff des Anspruches 1 näher definiert ist. Es wird dabei ausgegangen von einer Schaltung für Wechselspannungsbetrieb, wie sie aus Fig. 1 hervorgeht. Eine derartige Schaltung ist z.B. aus bekannt. Dabei liegt der Stromrichter stromstellendzwischen Wechselspannungsnetz und Gleichstromlast bzw. -zw~ischenkreis.
• Als pulsender Stromrichter kann dieser Stromrichter dem Netz einen nahezu sinusförmigen Strom in Phase mit der Netzspannung entnehmen und ist daher netzfreundlich. In vollgesteuerter Ausführung ist diese Schaltung in der Lage, die Leistung ins Netz zurückzuführen.
• Bekannt sind ferner Schaltungen, bei denen zwischen Gleichspannungsnetz und Gleichstromlast bzw. -zwischenkreis ein stromstellender Stromrichter unter dem Namen Gleichstromsteiler gelegt ist. Auch diese Schaltungen sind rückspeisefähig, bei nichtaufnahmefähigem Netz wird normalerweise ein Bremsthyristor gezündet, um die Bremsleistung in einen Bremswiderstand umzusetzen.
• Zweck der Erfindung ist die Realisierung eines netzfreundlichen, rückspeisefähigen Mehrsystem-Netzstromrichters bei Verwendung nur einer Umrichtungsstufe. Die bislang ausgeführten Lösungen verwenden wahlweise ein Netzteil zur Wechselstromeinspeisung und ein anderes zur Gleichstromeinspeisung oder bei einem System beide Netzteile in Reihe. Die letztgenannte Mehrsystemlösung ist hinsichtlich Leistung und Steuerelektronik sehr aufwendig und hat bei Wechselstromeinspeisung einen schlechten Wirkungsgrad durch zweistufige Umrichtung.
• Die eigentliche technische Aufgabe liegt darin, die vorbekannte, bisher nur für Fahr- und Bremsbetrieb an Wechselspannungsnetzen verwendbare Schaltung durch einfache Schaltungsänderungen zusätzlich für Gleichspannungsbetrieb einschließlich des wahlfreien Einsatzes auch als Netz- oder Widerstandsbremse im Bremsbetrieb universell anwendbar zu machen. Dabei wird auch für diese Nehrsystemlösung Netzfre ndlichkeit mit A W 1 angestrebt.
• Die genannte Aufgabe wird für eine Schaltung der eingangs genannten Art entsprechend den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
• Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen sind der Unteransprüchen entnehmbar.
• Anhand von Ausführungsbeispielen wird die Erfindung im nachstehenden näher erläutert.
• Es zeigen: Fig. 1 die bekannte Schaltung Fig. 2 die erfindungsgemäße Schaltung Fig. 3 eine Modifikation.
• Anhand der bekannten Schaltung nach Fig. 1 - von der bei der Erfindung ausgegangen wird - soll der Grundaufbau erläutert werden. Danach wird von einem Wechselspannungsfanrleitungsnetz 1 über einen Transformator 2, ein Netzfilter mit Drossel 7 und Netzkondensator 8 und eine stromstellende Stromrichterbrücke 4 eine nicht näher dargestellte, an den Klemmen x und y liegende Last gespeist. Die Last kann eine Gleichstromlast z.B. Gleichstrommotoren oder ein Zwischenkreis sein. Die Thyristoren der Netzstromrichterbrücke sind mit 4.1 bis 4.4 bezeichnet. Die Thyristoren einer zugehörigen Löschbrücke 10 in Graetzschaltung sind mit 4.5 bis 4.8 angegeben. 5 ist ein gemeinsamer diagonal liegender Löschkondensator. Über Sperrventile 4.9 und 4.10 erfolgt die Löschung der Zweigpaarthyristoren der Netzstromrichterbrücke. Mit 6 ist noch eine Laststromdrossel und mit 3 ein Masserückschluß bezeichnet.
• In der nachfolgenden Erörterung der Erfindung sind für gleiche Elemente in der Schaltung die gewählten Bezugszeichen weitgehend beibehalten worden.
• Fig. 2 zeigt nun die erfindungsgemäße Schaltung für einen wahlfreien Anschluß an ein Wechselspannungsnetz 1.1 oder ein Gleichspannungsnetz 1.2. Über einen Systemumschalter mit den Kontakten 17.1 bis 17.5 erfolgt die Umschaltung auf die entsprechenden Systeme. Dabei wird bei Gleichspannungsbetrieb die Sekundärseite des Transformators 2 geöffnet durch die Umschaltkontakte 17.1 und 17.2 und direkt über die Kontakte 1 7.5 und 17.4 sowie Drossel 7 eingespeist.*Schaltkontakt 17.3 ist bei Gleichspannunqsbetrieb geöffnet. Hinzuaekommen ist uls - wirkender Schalter 9 -des weiteren einFahrschütz w und ein gleichsinnig parallel Ggf. kann hier ein Umschalten des Filters 7/8 erforderlich werden.
• zu den Thyristorzweigpaaren 4.1/4.2 und 4.3/4.4 liegendes weiteres Thyristorzweigpaar 13.1/13.2 sowie ein Bremswiderstand 14.
• Der Thyristor 4.1 des linken Thyristorzweigpaares 4.1/4.2 ist bei Fahrbetrieb dauernd gezündet. Der untere Thyristor 4.2 wirkt als Freilaufdiode und ist bei Fahren und Bremsen dauernd gezündet. Thyristor 4.3 des rechten Zweigpaares des Netzstromrichters wirkt als Bremsdiode und ist daher im Bremsbetrieb dauernd in Betrieb. Thyristor 4.4 wirkt als Hauptthyristor und wird daher mit fester Pulsfrequenz pulslängenmoduliert gezündet. Die Thyristoren 4.5 bis 4.8 der Löschbrücke 10 und das Ventil 4.9 bilden in Verbindung mit dem Hauptthyristor 4.4 außerdem einen Gleichstromsteller.
• Ventil 4.10 ist bei Stellerbetrieb durch den Schaltkontakt 17.3 des Systemumschalters abgetrennt. Thyristor 13.1 wirkt als Bremsthyristor und wird gezündet, wenn die Grenzspannung am Netzkondensator 8 erreicht ist Thyristor 13.2 hat bei Stellerbetrieb keine spezielle Aufgabe. Allerdings kann durch gleichzeitiges Zünden der Thyristoren 13.1 und 13.2 ein Frei-- - aflrschütz) lauf zum stromlosen Offnen des Schalters sowie zur Führung des Mindeststromes bei Drehstromantriebssystemen mit eingeprägtem Zwischenkreis gebildet werden.
• In der nachfolgenden Funktionsbeschreibung werden die charakteristischen Betriebszustände mit den jeweiligen Stromführungen beschrieben. Die Umschaltkriterien zwischen den Betriebszuständen werden von einer übergeordneten Steuerung gebildet, die nicht Gegenstand der Erfindung ist und hier vorausgesetzt a,ird.
• Zur Funktion: Wechselspannünqseinspeisunq Die Kontakte der Systemumschaltung 17.1 bis 17.3 sind geschlossen in Stellung "Ry" Schalter 9 (Fahrschütz) ist ebenfalls geschlossen. Für "Fahren" verläuft der Strom in der ersten positiven Halbwelle über Netzdrossel 7, den gezündeten Thyristor 4.1, Schalter 9 (Fahrschütz), Lastdrossel 6, die Last und zurück über den gezündeten Thyristor 4.4. In der nächsten Halbwelle sind die Thyristoren 4.1 und 4.4 gelöscht und die Thyristoren 4.3 und 4.2 führen den Strom. Dies wiederholt sich abwechselnd usw. Dazwischen sowie pulsend im Verlauf der jeweiligen Halbwelle liegen jeweils die Zustände Löschen und Freilauf. Zum Löschen von z.B. Thyristor 4.4 werden die Löschthyristoren 4.5 und 4.8 zunächst gezündet. Damit entlädt sich der entsprechend geladene Löschkondensator 5 über das Ventil 4.9 und löscht den Hauptthyristor 4.4. Anschließend wird der Kondensator 5 durch den Laststrom in entgegengesetzter Polarität umgeladen und ein Freilauf erfolgt über den neugezündeten Thyristor 4.2 und den noch gezündeten Thyristor 4.1. Der Netzkondensator 8 lädt sich danach auf und es folgt der bereits angedeutete Zustand "Treiben" für den nächsten Puls bzw. die nächste Halbwelle. Für diese ergeben sich gleichartige Verhältnisse, wobei die Löschung des stromführenden Thyristors 4.2 über das Sperrventil 4.10 erfolgt und der Freilauf durch Zündung des Hauptthyristors 4.4 und den noch leitenden Thyristor 4.3 durchgeführt wird.
• Bei Netzbremse dreht sich bei gleichbleibender Stromrichtung in der Last die Spannung an den Klemmen x und y um. Die Stromrichtung im Netz wird durch Zünden der Thyristoren 4.3 und 4.2 für die eine netzseitige Polarität (+ an 17.1) bzw. Zünden von Thyristor 4.1 und 4.4 für die andere netzseitige Polarität (- an 17.1) umgedreht.
• Nach Erreichen der zulässigen momentanen Spannung am Netzkondensator 8 kann bei nichtaufnahmefähigem Netz direkt durch Zünden eines der beiden Bremsthyristoren 13.1 (mit 4.3) oder 13.2 (mit 4.4) auf Widerstandsbremsbetrieb übergegangen werden.
• Sogenannte gemische Netz- und Widerstandsbremse.
• Durch Zünden der Thyristoren 4.4 bzw. 4.1 und 4.2 wird, wie geschildert, nachfolgend der Freilauf eingeleitet. Nach anschließendem Löschen der Thyristoren 4.4 bzw. 4.2 und erfolgter Umladung des Löschkondensators 5 kann über die Thyristoren 4.2 bzw. 4.4 wieder der Zustand der Netzbremse, wie beschrieben, oder der Widerstandsbremse erfolgen.
• Gleichspannunqseinspeisunq Hierbei sind die Umschaltkontakte 17.4 und 17.5 des Systemumschalters geschlossen und die Umschaltkontakte 17.3 sowie 17.1 sowie 17.2 geöffnet. Der Schalter 9 (Fahrschütz) ist beim Fahren geschlossen und wird zum Bremsen geöffnet.
• Der Zustand "Treiben" entspricht weitgehend dem geschilderten Zustand bei Wechselspannungseinspeisung und positiver Polarität an 17.1. Infolge der einheitlichen Polarität am Netzkondensator 8 entfällt der Löschvorgang an Thyristor 4.2.
• Das Sperrventil 4.10 kann daher abgetrennt werden. Die Polarität an Kondensator 5 ist wiederum beliebig.
• Der Zustand "Löschen 1" ist wieder analog dem geschilderten Löschen bei Wechselspannungseinspeisung nach der positiven Halbwelle. Gleiches gilt für den Freilauf "Fahren". Auch hier wird nach erfolgter Umladung der Thyristor 4.2 gezündet und der Netzkondensator 8 lädt sich aus dem Netz auf. Es folgt wieder der bereits für "Treiben" unter Gleichspannung geschilderte Zustand, jedoch mit entgegengesetzter Polarität des Kondensators 5. Der anschließende Zustand "Löschen 2"-ist ähnlich dem für "Löschen 1" geschilderten Zustand, erfolgt jedoch wegen umgekehrter Polarität am Kondensator 5 über die Löschthyristoren 4.6, 4.7 und Sperrventil 4.9. Zum Übergang von Fahren auf Bremsen wird der Schalter 9 geöffnet.
• Bei Drehstromantriebssystemen mit eingeprägtem Strom im Zwischenkreis kann hier ein Zustand Stromerhaltung erwünscht sein, der ein garantiert stromloses Öffnen der Kontakte ermöglicht und den Betrieb mit Mindeststrom während des Auslaufs erleichtert.
• Für einen Zustand Freilauf für Stromerhaltung werden die Thyristoren 13.1 und 13.2 gezündet. Sie übernehmen allein den Zwischenkreisstrom. Der Schalter 9 kann jetzt nahezu stromlos öffnen.
• Zum Übergang auf Fahr- oder Bremsbetrieb wird der Freilauf über die Thyristoren 13.1 und 13.2 durch Zünden der Löschthyristoren 4.5/4.8 oder 4.7/4.6 und gleichzeitigem Zünden von Thyristor 4.3 aufgehoben. Der Stromverlauf bei Netz- und Widerstandsbremse entspricht dem für Wechselspannungsbetrieb für die erste Halbwelle geschilderten Stromverlauf.
• Eine weitere Besonderheit für den Betrieb mit eingeprägtem Zwischenkreisstrom bei Drehstromantriebssystemen ermöglicht der Thyristor 4.1 im Bremsbereich bei kleinsten Geschwindigkeiten ähnlich dem Überbrückungsthyristor bei Gleichstromstellern. Wenn die Bremsleistung der Motoren nicht mehr zur Verlustdeckung des Systems bei Mindeststrom im Zwischenkreis ausreicht, kann nach. Schließen des Fahrschützes 9 durch -~ ~ gezielt ~ zünden von Thyristor 4.1 zusätzllch zur Bremsleistung aus dem Netz Leistung entnommen werden. D.h. der Netzstromrichter ist bereits in Fahrfigur, während Motor und Wechselrichter sich noch im Bremsbetrieb befinden.
• Fig. 3 zeigt noch eine Modifikation von Fig. 2. Dabei wurde auf eine weitgehende Vermeidung von Starkstromkontakten Wert gelegt. Schalter 9 wurde eingespart. Seine bisherige Punktion wird durch einen Thyristor 16 in löschbarer Ausführung mitübernommen. Er wird dann zu Beginn des Bremsvorganges einmalig gelöscht. Weiterhin wurde das Sperrventil 4.10 durch den Thyristor 15 ersetzt, der die Funktion des Schaltkontaktes 17.3 mitübernimmt. Der Thyristor 15 wird bei Übergang auf Stellerbetrieb nicht mehr gezündet.
• Durch die Erfindung ist eine besonders universell einsatzbare Schaltung für Fahrbetrieb sowie Netz- und Widerstandsbremsbetrieb an Gleich- und Wechselspannungsnetzen bei hoher Netzfreundlichkeit geschaffen worden.

Claims (10)

1. Patentansprüche 1. Schaltung für den Fahr- und Bremsbetrieb elektrischer Triebfanrzeuge, insbesondere für Stromsystemwechsel z.B. im grenzüberschreitenden Verkehr, mit einer vollsteuerbaren, pulsbaren Netzstromrichterbrücke in Graetzkonfiguration, deren beide Wechselspannungsanschlüsse am speisenden Netz sowie über jeweils ein, die Netzspannung sperrendes Ventil am positiven Gleichspannungsausgang einer Löschbrücke in Graetzschaltung mit Diagonalkondensator liegen und deren negativer Gleichspannungsanschluß mit dem gleichnamigen Anschluß der Netzstromrichterbrücke verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß gleichsinnig parallel zu den beiden Thyristorzweigpaaren (4.1/4,2 und 4.3/4.4) der Netzstromrichterbrücke ein weiteres Thyristorzweigpaar (13.2/13.1) angeordnet ist, an dessen Teilerpunkt (A') ein Bremswiderstand (14) mit weiterem Anschluß an einen der Wechselspannungsanschlüsse (C) der Netzstromrichterbrücke liegt und das auf der negativen Seite mit dem negativen Gleichspannungsanschluß (D) der Netzstromrichterbrücke verbunden ist und auf der positiven Seite an die über einen Schalter (9) auftrennbare Verbindung der positiven Gleichspannungsanschlüsse (B) beider paare der Netzstromrichterbrücke hinter den Schalter gelegt ist.
2. 2. Schaltung nach Anspruch 1. dadurch aekennzeichnet. daß bei. rilter - - - ----- - Fi1te C7. 8) Gleichspannungsbetrieb die Gleichspannung über fan den Wechselspannungsanschlüssen (A, C) der Netzstromrichterbrücke liegt und die Verbindung zwischen dem positiven Gleichspannungsausgang der Löschbrücke (10) und dem einen Sperrventil (4.10), das nicht mit dem Bremswiderstand (14) verbunden ist, durch einen Schaltkontakt (17.3) aufgetrennt ist, wobei beim Bremsen (Netz- oder Widerstandsbremse) zusätzlich der Schalter (9) in der Netzstrombrücke geöffnet ist.
3. 3. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Wechselspannungsbetrieb der Schalter (9) in der Netzstromrichterbrücke und auch der Schaltkontakt (17.3) in der Verbindung zu dem einen Sperrventil (4.10) beim Fahren und Bremsen (Netz- oder Widerstandsbremse) geschlossen sind.
4. 4. Schaltung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Anliegen einer Gleichspannung von den Thyristoren der Netzstromrichterbrücke der obere (4.1) des linken Zweigpaares (4.1/4.2) bei Fahrbetrieb und der untere (4.2) als "Freilauf" innerhalb des Fahr- und Bremsbetriebes gezündet wird.
5. 5. Schaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Anliegen einer Gleichspannung von den Thyristoren der Netzstromrichterbrücke der obere (4.3) des rechten Zweigpaares (4.3/4.4) im Bremsbetrieb dauernd gezündet ist und der untere (4.4) als Hauptthyristor mit fester Pulsfrequenz pulslkgenmoduliert gesteuert wird.
6. 6. Schaltung nach den Ansprüchen 1, 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Fahrbetrieb der Hauptthyristor (4.4) der Netzstromrichterbrücke in Verbindung mit den Thyristoren (4.5 bis 4.8) der Löschbrücke (10) und dem schaltkontaktfreien Sperrventil (4.9) als Gleichstromsteller wirksam ist.
7. 7. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dabei GleichssannurLcssbetrieb zum Bremsen durch geJcennzeicflnet(daß von den Thyristoren des weiteren Zweigpaares (13.1/13.2) der untere (13.1) als Bremsthyristor gezündet wird, wenn die Grenzspannung am Netzkondensator (8) erreicht ist.
8. 8. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Wechselspannungsbetrieb zum Bremsen von den Thyristoren des weiteren Zweigpaares (13.1/13.2) je nach Polarität am Netzkondensator (8) der untere (13.1) oder obere Thyristor (13.2) als Bremsthyristor gezündet wird, wenn die Grenzspannung am Netzkondensator (8) errecht ist.
9. 9. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle des die Netzspannung sperrenden Ventils (4.10) mit in Reihe liegendem Schaltkontakt (17.3) ein Thyristor (15) Verwendung findet, der bei Stellerbetrieb nicht mehr gezündet wird. (Fig. 3)
10. 10. Schaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle des Schalters (9) und des oberen Thyristors (4.1) des linken Zweigpaares (4.1/4.2) ein löschbarer Thyristor (16) Verwendung findet.