DE3833372C1 - D.C. chopper converter circuit with a turn-off thyristor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gleichstromstellerschaltung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine derartige Gleichstromstellerschaltung ist in der DE 33 16 280 C1 beschrieben.

In Fig. 1 ist dieser Stand der Technik gezeigt. Danach wird ein zum Antrieb eines Fahrzeuges bestimmter Motor M, der eine Gleichstrommaschine oder aber auch eine Drehstrommaschine mit vorgeschaltetem Phasenfolgestromrichter sein kann, aus einem (gewöhnlich als Fahrleitung vorgegebenen) Gleichspannungsnetz N über eine Netzdrossel L _N unter Einsatz eines Netzkondensators C _N gespeist, wobei ein Motorstrom I _M durch den Motor M mit der mit L _M bezeichneten Motordrossel fließt.

Bei Fahrbetrieb ist bei geschlossenem Netzschütz K 1 und Fahrschütz K 2 als Hauptthyristor des Gleichstromstellers ein Abschaltthyristor (GTO-Thyristor) V 1 in Betrieb, über den während seiner Einschaltzeiten der Motorstrom I _M fließt. Wird der Abschaltthyristor V 1 abgeschaltet, fließt der Freilaufstrom über eine Freilaufdiode V 2.

Mit L _{L 1}, L _{L 2} sind Leitungsinduktivitäten in den Zuleitungen zum Fahrzeugmotor M, mit L _{S 1}, L _{S 2} Sättigungsdrosseln im Hauptstromkreis bezeichnet. Ebenso wie die Schütze K 1 und K 2 sind diese Induktivitäten beim zuvor erwähnten Stand der Technik zwar aus betrieblichen Gründen vorhanden, aber dort nicht erwähnt.

Beim Bremsbetrieb des Fahrzeugmotors M (Fahrschütz K 2 geöffnet) tritt ein Bremsstromkreis in Aktion, wenn die Bremsenergie größer ist als die Energie, die das Fahrleitungsnetz N aufnehmen kann. Er besteht aus der Reihenschaltung eines Bremswiderstands R _B und eines Bremsthyristors V 4, zu dessen Löschung ein Kondensator C _B dient.

Der Abschaltthyristor V 1 ist, wie es für über ihren Steueranschluß ein- und abschaltbare Thyristoren üblich und notwendig ist, mit einer Reihenschaltung aus einer Beschaltungsdiode V 11 mit parallelgeschaltetem Beschaltungswiderstand R 11 und einem Beschaltungskondensator C 11 beschaltet. Der Beschaltungskondensator C 11 dient der Begrenzung des Spannungsanstiegs beim Abschalten des Abschaltthyristors V 1; der Widerstand R 11 ist danach zur Entladung des Beschaltungskondensators C 11 vorgesehen.

Beim Zünden des Abschaltthyristors V 1 wird der Beschaltungskondensator C 11 auf Null entladen. Dabei wird die Energie

E = 1/2 C 11 · U _N ² (U _N = Netzspannung)

im Beschaltungswiderstand R 11 in Wärme umgesetzt. Der Beschaltungskondensator C 11 kann mithin nicht beliebig groß gewählt werden.

Deshalb ist eine Zusatzbeschaltung parallel zum Abschaltthyristor V 1 mit der Reihenschaltung einer Zusatzdiode V 12 und eines Zusatzkondensators C 12 vorgesehen. Der Zusatzkondensator C 12 weist eine vielfache (z. B. 5- . . . 10fache) Kapazität des Beschaltungskondensators C 11 auf.

Beim Abschalten des Abschaltthyristors V 1 muß der Motorstrom I _M vom Abschaltthyristor V 1 auf die Freilaufdiode V 2 kommutieren. Diese Kommutierung wird durch die Leitungsinduktivitäten L _{L 1}, L _{L 2} und die Sättigungsdrosseln L _{S 1}, L _{S 2} behindert. Die Zusatzbeschaltung bietet dem Motorstrom I _M einen Nebenweg und ermöglicht einen langsamen Stromübergang auf die Freilaufdiode V 2 ohne einen unzulässig hohen Spannungsanstieg am Abschaltthyristor V 1.

Der Zusatzkondensator C 12 wird auf die Netzspannung U _N geladen gehalten. Die Zusatzbeschaltung koppelt sich ein, sobald die Spannung am Abschaltthyristor V 1 den Wert der Netzspannung erreicht hat.

Nachdem der Motorstrom I _M voll in die Freilaufdiode V 2 kommutiert ist, gibt der Zusatzkondensator C 12 seine Überladung über einen Entladewiderstand R 12 an den Netzkondensator C _N ab. Dabei wird nur ein Teil der vom Zusatzkondensator C 12 abfließenden Energie im Entladewiderstand R 12 umgesetzt; der größere Teil wird an den Netzkondensator C _N abgegeben. Typische zeitliche Verläufe von Spannungen an den Kondensatoren C 11 und C 12 (u _{C 11} und u _{C 12}) sowie am Abschaltthyristor V 1 (u _{V 1}) sowie von Strömen durch den Abschaltthyristor V 1 (i _{V 1}), die Kondensatoren C 11 und C 12 (i _{C 11} und i _{C 12}) sowie die Freilaufdiode V 1 (i _{V 2}) sind in Fig. 2a und Fig. 2b gezeigt.

Die Abfuhr der an den Netzkondensator C _N abgegebenen Energie ist im Fahrbetrieb (Schütze K 1 und K 2 geschlossen) unproblematisch, denn der Lastkreis mit dem Motor M nimmt die Energie ab.

Beim Netzbremsbetrieb (Netzschütz K 1 geschlossen, Fahrschütz K 2 offen) bereitet die Energieabfuhr aus dem Netzkondensator C _N ebenfalls keine Probleme. Die Energie aus der Beschaltung fließt wie auch die Bremsenergie in das Fahrleitungsnetz (Gleichspannungsnetz N) ab.

Unter bestimmten Umständen muß man sich im Bremsbetrieb vom Gleichspannungsnetz N trennen (Netzschütz K 1 und Fahrschütz K 2 offen). Es tritt dann ein reiner Widerstandsbremsbetrieb auf. Die Bremsenergie wird also ausschließlich vom Bremswiderstand R _B aufgenommen und in Wärme umgesetzt.

Aus dem Zusatzkondensator C 12 fließt aber weiterhin sein Entladestrom in den Netzkondensator C _N . Dieser kann jedoch keine Ladung mehr an das Gleichspannungsnetz N abgeben, so daß seine Spannung kontinuierlich steigt. Das muß jedoch vermieden werden.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die eingangs angegebene Gleichstromstellerschaltung derart zu verbessern, daß auch bei reinem Widerstandsbremsbetrieb keine unzulässigen Überspannungen am Netzkondensator auftreten.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Gleichstromstellerschaltung nach der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen beschrieben.

Die Erfindung soll im folgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert werden. Es zeigt

Fig. 3 eine Schaltungsvariante, bei der der die Energie abführende Widerstand parallel zur Freilaufdiode des Gleichstromstellers liegt;

Fig. 4 eine Schaltungsvariante, bei der die Energie abführende Widerstand unter Umgehung der Leitungsinduktivität L _{L 1} direkt an den einen Pol des Netzkondensators angeschlossen ist und

Fig. 5 eine mögliche Zündschaltung für den weiteren Thyristor zum Einschalten des die Energie abführenden Widerstands.

In Fig. 3 ist die in Fig. 1 gezeigte Schaltungsanordnung mit gleichen Bezugszeichen dargestellt. Zusätzlich ist gemäß der Erfindung antiparallel zur Freilaufdiode und der mit dieser in Reihe liegenden Sättigungsdrossel L _{S 2} die Reihenschaltung eines Energie abführenden Widerstands R _EA mit einem weiteren Thyristor V 5 geschaltet.

Die bei Überspannungen im Netzkondensator C _N vorhandene überschüssige Energie wird im Widerstand R _EA abgeführt, wenn der weitere Thyristor V 5 bei leitendem Abschaltthyristor V 1 ebenfalls gezündet wird. Es fließt dann ein den Netzkondensator C _N entladender Strom im Kreis über die Leitungsinduktivität L _{L 1}, den Widerstand R _EA , den weiteren Thyristor V 5, die Sättigungsdrossel L _{S 1}, den Abschaltthyristor V 1 und die Leitungsinduktivität L _{L 2}.

Gemäß Fig. 4 kann der die Energie abführende Widerstand R _EA unter Umgehung der Leitungsinduktivität L _{L 1} auch direkt an den einen Pol des Netzkondensators C _N angeschlossen werden, was - wie weiter unten noch ausgeführt wird - Vorteile beim Löschen des weiteren Thyristors V 5 ergibt.

Zur Zündung des weiteren Thyristors V 5 gibt es zwei Möglichkeiten: Entweder die Zündung wird vom Steuergerät des Abschaltthyristors V 5 aus in Abhängigkeit von der Spannung am Netzkondensator C _N vorgenommen, oder es kommt eine Kippdiodenschaltung (BOD-Elemente) zum Einsatz, bei der der Ansprechwert der Kippdiode etwa 100 bis 200 V über dem höchsten Netzspannungswert liegt.

Fig. 5 zeigt eine derartige Kippdiodenschaltung, die an den Steueranschluß des weiteren Thyristors V 5 angeschlossen ist. Mit V 15 ist die Kippdiode, mit R 15 ein Widerstand zur Begrenzung des Zündstromes und mit V 16 eine Diode zur Aufnahme negativer Sperrspannung bezeichnet.

Grundsätzlich ist zu bemerken, daß der weitere Thyristor V 5 natürlich nur gezündet werden kann, wenn auch der Abschaltthyristor V 1 eingeschaltet ist.

Zur Löschung des weiteren Thyristors V 5 liegt die Abschaltüberspannung des Abschaltthyristors V 1 zumindest zum Teil als negative Sperrspannung am Thyristor V 5 an.

Bei der in Fig. 3 gezeigten Schaltungsvariante ergibt sich die negative Sperrspannung am weiteren Thyristor V 5 als Spannung an der Sättigungsdrossel L _{S 2} beim Aufkommutieren des Stromes durch die Freilaufdiode V 2. Bei der anderen Variante (nach Fig. 4) ist die negative Sperrspannung am weiteren Thyristor V 5 gleich der Spannung an der Sättigungsdrossel L _{S 2} zuzüglich der Spannung an der Leitungsinduktivität L _{L 1} beim Aufkommutieren des Freilaufdiodenstromes.

An den weiteren Thyristor V 5 muß die Anforderung einer kurzen Freiwerdezeit (z. B. 10 bis 15 µs) gestellt werden.

Die Dimensionierung des die Energie abführenden Widerstandes R _EA sollte derart erfolgen, daß auch bei kleiner Einschaltzeit die maximale bei diesem Betriebszustand in einer Pulsperiode vom Zusatzkondensator C 12 an den Netzkondensator C _N abgegebene Energie umgesetzt werden kann.

Bei einer größeren Einschaltzeit des Abschaltthyristors V 1 und des weiteren Thyristors V 5 wird dann in einer Pulsperiode mehr Energie aus dem Netzkondensator C _N abgeführt, als dieser vom Zusatzkondensator C 12 erhält. Der Thyristor V 5 muß dann nicht in jeder Pulsperiode des Abschaltthyristors V 1 gezündet werden. Das gleiche gilt, wenn die vom Zusatzkondensator C 12 abgegebene Energie kleiner ist als der maximal auftretende Wert.

Claims (6)

1. Gleichstromstellerschaltung zur Speisung eines Fahrzeugmotors aus einem Gleichspannungsnetz unter Einsatz eines Netzkondensators

• - mit einem Abschaltthyristor (GTO-Thyristor), der mit der Reihenschaltung eines Beschaltungswiderstands mit paralleler Beschaltungsdiode und einem Beschaltungskondensator beschaltet ist, als Hauptthyristor für den Fahrbetrieb des Fahrzeugmotors
• - mit einer Zusatzbeschaltung aus der Reihenschaltung eines Zusatzkondensators (C 12) und einer Zusatzdiode (V 12) ebenfalls parallel zum Abschaltthyristor, wobei der Zusatzkondensator (C 12) über einen Entladewiderstand (R 12) in den Netzkondensator (C _N ) entladbar ist und
• - mit einem aus einem Bremsthyristor, einer Bremsdiode, einem Bremswiderstand und einem Bremsthyristorlöschkondensator bestehenden Bremskreis parallel zum Hauptthyristor,

dadurch gekennzeichnet, daß am Netzkondensator (C _N ) in Reihe zum Abschaltthyristor (V 1) ein weiterer Thyristor (V 5) und ein Widerstand (R _EA ) angeschlossen sind, über die im Bremsbetrieb des Fahrzeugmotors (M) bei vom Gleichspannungsnetz (N) abgetrennten Netzkondensator (C _N ) die vom Zusatzkondensator (C 12) an den Netzkondensator (C _N ) abgegebene Energie abgeführt wird.

2. Gleichstromstellerschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zusatzwiderstandskreis (V 5 /R _EA ) unter Einbeziehung der Leitungsinduktivität (L _{L 1}) zwischen Netzkondensator (C _N ) und Gleichstromsteller angeschlossen werden kann (Fig. 3).

3. Gleichstromstellerschaltung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Thyristor (V 5) durch die Steuereinrichtung des Abschaltthyristors (V 1) in Abhängigkeit von der Spannung am Netzkondensator (C _N ) gezündet wird.

4. Gleichstromstellerschaltung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Thyristor (V 5) unter anderem auch durch eine Kippdiodenschaltung (V 15), deren Durchbruch bei einer Überspannung am Netzkondensator (C _N ) auftritt, gezündet werden kann (Fig. 5).

5. Gleichstromstellerschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Thyristor (V 5) mit geringerer Frequenz betrieben wird als der Abschaltthyristor (V 1), wenn die vom Zusatzkondensator (C 12) innerhalb einer Pulsperiode des Gleichstromstellers abgegebene Energie geringer ist als die im Widerstand (R _EA ) während einer Einschaltphase des Thyristors (V 5) umgesetzte Energie.