PL183736B1

PL183736B1 - Układ prostownika

Info

Publication number: PL183736B1
Application number: PL97321177A
Authority: PL
Inventors: Roland Manser
Original assignee: Daimlerchrysler Rail Systems
Priority date: 1996-07-20
Filing date: 1997-07-17
Publication date: 2002-07-31
Also published as: PL321177A1; EP0819563A3; DE19629333A1; CZ219097A3; ZA975930B; CZ292315B6; EP0819563A2

Description

Przedmiotem wynalazku jest układ prostownika urządzeń energoelektronicznych.

Znany jest tego rodzaju układ prostownika przedstawiony na przykład w europejskim zgłoszeniu patentowym nr 0 543 203 Al dotyczącym tak zwanego układu gwiazdy podwójnej, w którym pierwszy prostownik częściowy i drugi prostownik częściowy są połączone szeregowo. Prostowniki częściowe zasilająprzy tym każdy jedno połączone w gwiazdę uzwojenie silnika indukcyjnego trójfazowego czyli układ gwiazdy podwójnej. Ten układ występuje szczególnie w napędach kolejowych zasilanych z sieci napięcia stałego 3 kV. Układ szeregowy prostowników częściowych stwarza przy tym problem, że w tych sieciach, których zakres napięcia zmienia się pomiędzy 2 kV i 4,5 kV, nie można zastosować otrzymywanych wówczas GTO wobec szczytowego napięcia wstecznego 4,5 kV. Poprzez podział napięcia na dwa razy po 1,5 kV, te napięcia mogą być opanowane w sposób bardziej pewny. Inne rozwiązanie tego jest przedstawione w opisie patentowym RFN nr 37 43 437 Cl dotyczącym tak zwanego trzypunktowego falownika.

Półprzewodnikowe przełączniki mocy pierwszego i drugiego prostownika częściowego muszą być chronione przez oprzewodowanie sieci elektrycznej przed wysokimi napięciami i prądami, względnie nagłymi wzrostami napięcia lub prądu. W ramach układu gwiazdy podwój183 736 nej jest korzystnie stosowane tak zwane oprzewodowanie Undeland lub Marquardt. Podczas przeprowadzonych następnie badań tego układu okazało się, że składowe zakłócające występują w postaci drgań harmonicznych wyższych, zwłaszcza trzeciej harmonicznej. Jednak w sieciach kolejowych z napięciem stałym największe wymagania są stawiane reakcjom sieci, które mogą być utrzymywane jako nieznaczne ze względu na wpływ tej trzeciej harmonicznej.

W znanym asymetrycznym układzie prostownika, w którymjest włączony górny lub dolny GTO prostownika częściowego, pomiędzy oboma stanami połączenia występuje statyczna różnica energii. Wówczas gdy górny GTO przewodzi, kondensator oprzewodowama równoległy do tego GTO jest rozładowywany, a w dławiku płynie prąd. Wówczas gdy jest włączony dolny GTO, prąd w dławiku jest równy zeru, a kondensator oprzewodowania jest ładowany. Różnica energii musi być okresowo pokrywana przez obwód pośredni. To powoduje powstawanie w przypadku prostownika częściowego składowej zakłócającej o częstotliwości takiej samej, jak częstotliwość przełączania tego prostownika częściowego. Trzecia harmoniczna częstotliwości synchronizacji powstaje wówczas przez to, że w normalnym przypadku sąpołączone równolegle trzy zespoły fazowe, które są sterowane z przesunięciem fazowym 120°. W całym układzie prostownika powstaje wówczas składowa zakłócająca z potrójną częstotliwością, mianowicie trzecia harmoniczna.

W układzie według wynalazku sieć oprzewodowania pierwszego prostownika częściowego ma symetrię lustrzaną względem sieci oprzewodowania drugiego prostownika częściowego

Każdy prostownik częściowy zawiera obwód szeregowy parzystej liczby półprzewodnikowych przełączników mocy z dołączonymi przeciwrównolegle diodami jednokierunkowymi. Każda sieć oprzewodowania prostownika częściowego zawiera kondensator oprzewodowania, pierwszą i drugą diodę oprzewodowania, kondensator nadmiarowy, rezystor oprzewodowania i dławik ograniczający wzrost prądu. Kondensator oprzewodowania jest dołączony przez pierwszą diodę oprzewodowania równolegle do właściwego półprzewodnikowego przełącznika mocy, który jest umieszczony bliżej bieguna dodatniego lub ujemnego źródła napięcia stałego, a dławik ograniczający wzrost prądu jest włączony pomiędzy właściwym półprzewodnikowym przełącznikiem mocy, który jest umieszczony bliżej bieguna dodatniego lub ujemnego, i biegunem dodatnim lub ujemnym. Natomiast kondensator nadmiarowy jest połączony szeregowo z rezystorem oprzewodowania, jest włączony równolegle do obwodu szeregowego półprzewodnikowych przełączników mocy i dławika ograniczającego wzrost prądu i przez drugi dławik oprzewodowania połączony z kondensatorem oprzewodowania. Rezystor oprzewodowania jest połączony z biegunem dodatnim lub ujemnym źródła napięcia stałego.

Korzystnie półprzewodnikowe przełączniki mocy GTO sątranzystorami mocy lub IGBT.

Zaletą wynalazku jest zapewnienie układu prostownika, który ma poprawione własności względem oddziaływania na harmoniczne, w szczególności jest zmniejszony wpływ na trzecią harmoniczną występującą w układzie. Wynalazek jest możliwy do zastosowania z korzyścią wraz z tak zwanymi oprzewodowaniami Undeland lub Marquardt, które są asymetryczne.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia znany układ prostownika i fig. 2 - układ prostownika według wynalazku.

Te same części układów z fig. 1 i 2 są oznaczone takimi samymi odnośnikami. Symetria lustrzana odnosi się układowo do płaszczyzny pozornej lub o danym potencjale, która występuje pomiędzy biegunami źródła napięcia stałego.

Figury 1 i 2 przedstawiają układ prostownika w przykładzie wykonania wynalazku, który dotyczy zespołu fazowego zwłaszcza trójfazowej przetwornicy. Pozostałe zespoły fazowe nie są przedstawione, lecz zaznaczone tylko przez linie kreskowe. Zespoły fazowe są dołączone do źródła 1 napięcia stałego, zwłaszcza sieci trakcyjnej napięcia stałego np. 3 kV. Zespoły fazowe zawierają dwa prostowniki częściowe 2, które sąpołączone szeregowo. Każdy prostownik częściowy zasila uzwojenie częściowe silnika napędowego 3. Uzwojenia częściowe silnika 3 sąprzy tym każde połączone w gwiazdę tak, że układ odpowiada układowi gwiazdy podwójnej.

Każdy prostownik częściowy 2 zawiera obwód szeregowy dwóch półprzewodnikowych przełączników mocy, zwłaszcza dwóch GTO, GTO1 i GTO2. Zamiast GTO można także zasto4

183 736 sować inne półprzewodnikowe przełączniki mocy, np. IGBT lub tranzystory mocy. Równolegle do każdego GTO jest dołączona dioda jednokierunkowa Df1, Df2. Środkowe węzły obwodu szeregowego półprzewodnikowych przełączników mocy tworzą przyłącza 4 obciążenia, do których może być dołączone obciążenie, na przykład uzwojenia częściowe silnika napędowego. Równolegle do źródła 1 napięcia stałego jest dołączony kondensator obwodu pośredniego, który w przedstawionym przypadku jest podzielony przez dwa prostowniki częściowe na dolny kondensator Czk2 i górny kondensator Czkl. Przez dołączenie półprzewodnikowego przełącznika mocy, teraz albo dodatni albo ujemny biegun źródła 1 napięcia stałego jest dołączony do przyłącza 4 obciążenia. W przedstawionym przypadku przy pomocy dwóch prostowników częściowych 2 napięcie stale jest dzielone na połowę przez oba kondensatory Czkl, Czk2 obwodu pośredniego. W ten sposób może być zmniejszone obciążenie napięciowe półprzewodnikowego przełącznika mocy.

Półprzewodnikowe przełączniki mocy i diody jednokierunkowe muszą być podczas pracy chronione przed nagłymi wzrostami prądu lub napięcia. W tym celu jest zastosowana sieć oprzewodowania, która zawiera w ramach wynalazku tak zwane oprzewodowanie Undeland lub Marquardt. Ta sieć oprzewodowania zawiera dla prostownika częściowego 2 następujące elementy: dławik L1 lub L2 ograniczający wzrost prądu, kondensator Cbl lub Cb2 oprzewodowania, kondensator nadmiarowy Cul lub Cu2, rezystor Rbl lub Rb2 oprzewodowania i dwie diody: pierwszą diodę Dbll lub Db21 oprzewodowania oraz drugą diodę Db21 lub Db22 oprzewodowania.

Ten rodzaj oprzewodowania jest znany jako taki, więc nie wymaga tutaj objaśniania. Zastosowanie tego układu na układ gwiazdy podwójnej prowadzi do znanego układu, jaki jest przedstawiony na fig. 1. Ten układ ma jednak, jak to wspomniano na wstępie, wady związane z oddziaływaniem na drgania harmoniczne. Te niepożądane oddziaływania mogą zostać zmniejszone tylko według wynalazku, w którym oprzewodowanie jest wykonane w symetrii lustrzanej.

Figura 2 przedstawia układ prostownika według wynalazku, w którym dławik L1 ograniczający wzrost prądu górnego prostownika częściowego 2 jest także włączony pomiędzy biegun dodatni źródła 1 napięcia stałego i obwód szeregowy półprzewodnikowego przełącznika mocy GTO1, GTO2, podczas gdy dławik L2 ograniczający wzrost prądu dolnego prostownika częściowego 2 jest włączony pomiędzy biegun ujemny źródła 1 napięcia stałego i półprzewodnikowe przełączniki mocy GT01, GTO2. Również kolejność w obwodzie szeregowym rezystora Rb2 oprzewodowania i kondensatora nadmiarowego Cu2 jest w dolnym prostowniku częściowym 2, odwrotna, tak że rezystor Rb2 jest połączony z biegunem ujemnym, a nie kondensator Cu2. Symetria lustrzana odnosi się także do kondensatora Cb2 oprzewodowania i połączonych z mm diod Db21 i Db22 oprzewodowania. Kondensator Cb2 oprzewodowania nie jest już połączony równolegle z górnym przełącznikiem GTO1, lecz z dolnym przełącznikiem GTO2. Kondensator Cb2 jest przy tym zawsze połączony przez diody Db22 lub Db21 oprzewodowania z jednej strony ze środkowym węzłem obwodu szeregowego Rb2-Cu2 i z drugiej strony z punktem połączenia dolnego przełącznika GTO2 i dławikiem L2 ograniczającym wzrost prądu. Polaryzacja diod Db21 i Db22 jest w układzie sieci oprzewodowania o symetrii lustrzanej według wynalazku obu prostowników częściowych odwrotna dla dolnego aniżeli dla górnego.

Opisany powyżej układ prostownika według wynalazku, w którym sieci oprzewodowania górnego i dolnego prostownika częściowego 2, sąumieszczone w układzie o symetrii lustrzanej, ma tę zaletę w porównaniu ze stanem techniki, że wspomniana na wstępie składowa zakłócająca już nie występuje. Dzięki budowie o symetrii lustrzanej wpływy w obu częściowych obwodach prądowych kompensująsię. We wspólnym obwodzie pośrednim te składowe zakłócające nie występują już wcale. Układ ma poprawione własności ze względu na wpływ na harmoniczne.

183 736

Fig.1

Fig.2

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 50 egz. Cena 2,00 zł.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Układ prostownika zawierający co najmniej jeden zespół fazowy, który jest dołączony do źródła napięcia stałego i zawiera pierwszy i drugi prostownik częściowy, które są połączone korzystnie szeregowo, przy czym prostowniki częściowe zasilają każdy połączone w gwiazdę uzwojenie silnika i zawierają obwód szeregowy półprzewodnikowych przełączników mocy chronionych przez sieci oprzewodowania, znamienny tym, że sieć oprzewodowania pierwszego prostownika częściowego ma symetrię lustrzaną względem sieci oprzewodowania drugiego prostownika częściowego.
2. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że każdy prostownik częściowy (2) zawiera obwód szeregowy parzystej liczby półprzewodnikowych przełączników mocy (GT01, GT02) z dołączonymi przeciwrównolegle diodami jednokierunkowymi (Df1, Df2), każda sieć oprzewodowania prostownika częściowego zawiera kondensator (Cb1, Cb2) oprzewodowania, pierwszą i drugą diodę (Db11, Db12), (Db21, Db22) oprzewodowania, kondensator nadmiarowy (Cii 1, CU2), rezystor (Rb1, Rb2) oprzewodowania i dławik (L1, L2) ograniczający wzrost prądu, przy czym kondensator (Cb1,Cb2) oprzewodowaniajest dołączony przez pierwszą diodę (Db11), (Db21) oprzewodowania równolegle do właściwego półprzewodnikowego przełącznika mocy (GT01) lub (GT02), który jest umieszczony bliżej bieguna dodatniego lub ujemnego źródła (1) napięcia stałego, a dławik (L1, L2) ograniczający wzrost prądu jest włączony pomiędzy właściwym półprzewodnikowym przełącznikiem mocy (GT01) lub (GTO2), który jest umieszczony bliżej bieguna dodatniego lub ujemnego, i biegunem dodatnim lub ujemnym, natomiast kondensator nadmiarowy (Cu1, CU2) jest połączony szeregowo z rezystorem (Rb1, Rb2) oprzewodowania, jest włączony równolegle do obwodu szeregowego półprzewodnikowych przełączników mocy (GT01, GT02) i dławika (L1, L2) ograniczającego wzrost prądu i przez drugi dławik (Db12, Db22) oprzewodowania połączony z kondensatorem (Cb1, Cb2) oprzewodowania, przy czym rezystor (Rb1) lub (Rb2) oprzewodowania jest połączony z biegunem dodatnim lub ujemnym źródła (1) napięcia stałego.
3. Układ według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że półprzewodnikowe przełączniki mocy GTO są tranzystorami mocy lub IGBT.

* * *