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DE10323218A1 - Hochspannungsumrichter und Verfahren zu seiner Ansteuerung - Google Patents

Hochspannungsumrichter und Verfahren zu seiner Ansteuerung Download PDF

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DE10323218A1
DE10323218A1 DE2003123218 DE10323218A DE10323218A1 DE 10323218 A1 DE10323218 A1 DE 10323218A1 DE 2003123218 DE2003123218 DE 2003123218 DE 10323218 A DE10323218 A DE 10323218A DE 10323218 A1 DE10323218 A1 DE 10323218A1
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voltage
converter
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power semiconductor
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DE2003123218
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Mark-Matthias Dr. Bakran
Hans-Günter Dr. Eckel
Wolfgang Fetter
Martin Glinka
Hagen Kramer
Bernd Dr. Laska
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Siemens Corp
Original Assignee
Siemens Corp
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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Hochspannungsumrichter, dessen Ausgang auf einen Mittelfrequenztransformator (4) geschaltet ist, dem mindestens ein Umrichter, bestehend aus Eingangsstromrichter (5), Gleichspannungs-Zwischenkreis (6) und Pulswechselrichter (7), nachgeordnet ist, sowie ein Verfahren zur Ansteuerung des erfindungsgemäßen Hochspannungsumrichters. DOLLAR A Hierzu ist vorgesehen, dass der Hochspannungsumrichter aus einem Hochspannungs-Eingangsstromrichter (1) auf der Basis einer Anzahl in Reihe geschalteter Leistungshalbleiterschalter, einem Hochspannungs-Zwischenkreis (2) und einem Hochspannungs-Wechselrichter (3) auf der Basis einer Anzahl in Reihe geschalteter Leistungshalbleiterschalter aufgebaut ist. Verfahrensgemäß ist vorgesehen, dass der Hochspannungsumrichter so angesteuert wird, dass die Spannung (U¶ZK¶) am Hochspannungs-Zwischenkreis (2) dem Betrag der aktuellen Netzspannung (U¶N¶) folgt.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Hochspannungsumrichter, dessen Ausgang auf einen Mittelfrequenztransformator geschaltet ist, dem mindestens ein Umrichter, bestehend aus Eingangsstromrichter, Gleichspannungs-Zwischenkreis und Pulswechselrichter, nachgeordnet ist, sowie ein Verfahren zu seiner Ansteuerung. Der Hochspannungsumrichter ist insbesondere ein Umrichter zur Stromversorgung von Schienenfahrzeugen, die ohne den bisher üblichen Traktionstransformator auskommen sollen. Er kann jedoch auch zur Stromversorgung von stationären Einrichtungen aus einem Hochspannungsnetz verwendet werden.
  • Bei heute üblichen Traktionsantrieben auf Bahnfahrzeugen werden Asynchronmaschinen von einem Pulswechselrichter mit Spannungszwischenkreis versorgt. Der Pulswechselrichter erzeugt ein geregeltes Drehstromsystem variabler Spannung und Frequenz. Er ist bei Betrieb unter Netzwechselspannung über einen Gleichspannungs-Zwischenkreis an mindestens einen Eingangsstromrichter gekoppelt, der vorzugsweise als Vier-Quadranten-Steller ausgeführt ist. Der Gleichspannungs-Zwischenkreis besteht mindestens aus einem Zwischenkreiskondensator und gegebenenfalls einem Saugkreis. Der Eingang des Vier-Quadranten-Stellers ist mit einer Traktionswicklung (Sekundärwicklung) des Traktionstransformators verbunden. Üblicherweise werden mehrere Vier-Quadranten-Steller parallel auf einen Zwischenkreis geschaltet.
  • Der Vier-Quadranten-Steller muss für einen netzfreundlichen Betrieb, das heißt für einen hohen Leistungsfaktor und geringen Oberschwingungsgehalt, mit hoher Taktfrequenz betrieben werden. Dies führt jedoch zu hohen Schaltverlusten in den Halbleiterventilen des Vier-Quadranten-Stellers und somit zu einem verringerten Wirkungsgrad.
  • In der Traktionstechnik bestehen auch Bestrebungen, den konventionellen Traktionstransformator durch Stromrichtertechnik in Verbindung mit einem Mittelfrequenztransformator abzulösen. Da die Netzfrequenz in Bahnnetzen klein ist, in vielen Ländern kleiner als die Frequenz im öffentlichen Netz, sind die Baugröße und das Gewicht der Traktionstransformatoren sehr hoch.
  • Es sind andere Lösungen bekannt, mit denen leistungselektronische Umrichter direkt an die Fahrdrahtspannung angeschlossen werden. Diese Umrichter müssen auf die weltweit vorhandenen Fahrdrahtspannungen eingerichtet sein, die zwecks Minimierung der Übertragungsverluste sehr hoch gewählt sind. Das erfordert die Reihenschaltung von Halbleiterbauelementen oder von Teilstromrichtern.
  • Beispielsweise ist es bekannt, mehrere in Reihe geschaltete Vier-Quadranten-Steller mit nachgeschalteten potentialtrennenden Gleichspannungswandlern zu betreiben.
  • Es wurde auch bereits ein modular aufgebauter Hochspannungsumrichter in Vollbrückenschaltung vorgeschlagen, dessen Brückenzweige aus der Serienschaltung einer beliebigen Anzahl von Zweipolen (Submodule) bestehen, wobei die Zweipole bei verschiedenen steuerbaren Schaltzuständen eine unterschiedliche Klemmenspannung aufweisen. Der Brückenausgang ist mit einem Mittelfrequenztransformator verbunden, dessen Frequenz deutlich höher ist als die Netzfrequenz. Sekundärseitig schließt sich vorzugsweise ein Gleichrichter an, der zweckmäßig als Vier-Quadranten-Steller ausgeführt ist. Die Submodule haben einen internen Energiespeicher (Kondensator) und sind so aufgebaut, dass ihre Klemmenspannung unabhängig von der Stromrichtung einen positiven oder negativen Wert oder den Wert Null annehmen kann. Mit den Submodulen werden treppenförmige Spannungen sowohl auf der Netzseite als auch auf der Mittelfrequenzseite realisiert.
  • Der Aufbau erlaubt eine streng modulare Realisierung des Stromrichters. Der Stromrichter kann auf einfache Weise so ausgelegt werden, dass er mit verschiedenen Netzfrequenzen und -spannungen betrieben werden kann, so dass eine Mehrsystemnutzung ermöglicht wird.
  • Aus Marquardt et al., Modulares Stromrichterkonzept für Netzkupplungsanwendungen bei hohen Spannungen, ETG Fachbericht April 2002, VDE Verlag GmbH Berlin/Offenbach ist auch eine dreiphasige Netzkupplung bekannt, bei der Halbbrückenzweige aus ähnlichen Submodulen gebildet sind. Die Submodule besitzen wiederum einen internen Energiespeicher (Kondensator) und können verschiedene Schaltzustände annehmen, mit der durch den Kondensator bestimmten Klemmenspannung oder einen Kurzschluss (Spannung Null). Ein Zwischenkreiskondensator kann bei dieser Netzkupplung entfallen.
  • Nachteilig bei den vorbeschriebenen Hochspannungsumrichtern sind der hohe Aufwand für den Aufbau und die Ansteuerung einer großen Anzahl von Submodulen sowie der Aufwand für die Hochspannungsisolation.
    •
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Hochspannungsumrichter und ein Verfahren zu seiner Ansteuerung anzugeben, mit denen mit vermindertem Aufwand ein netzfreundlicher Betrieb ermöglicht wird.
  • Die Aufgabe wird mit den in den Ansprüchen 1 und 2 genannten Merkmalen gelöst.
  • Danach ist der Hochspannungsumrichter aus einem Hochspannungs-Eingangsstromrichter auf der Basis einer Anzahl in Reihe geschalteter Leistungshalbleiterschalter, einem Hochspannungs-Zwischenkreis und einem Hochspannungs-Wechselrichter auf der Basis einer Anzahl in Reihe geschalteter Leistungshalbleiterschalter aufgebaut.
  • Nach dem erfindungsgemäßen Ansteuerverfahren werden der Hochspannungs-Eingangsstromrichter, der Hochspannungs-Wechselrichter und der Eingangsstromrichter so gesteuert, dass die Spannung am Hochspannungs-Zwischenkreis dem aktuellen Betrag der Netzspannung folgt.
  • In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Hochspannungs-Eingangsstromrichter immer dann geschaltet wird, wenn der Eingangsstrom näherungsweise seinen Nulldurchgang hat und die Spannung des Hochspannungs-Zwischenkreises klein ist.
  • Das Ansteuerverfahren ermöglicht einen netzfreundlichen Betrieb des Einqangsstromrichters bei geringer Taktfrequenz, vorzugsweise bei Grundfrequenz. Dadurch ist es möglich, die Schaltverluste zu verringern und auf Durchlasseigenschaften optimierte Halbleiterventile einzusetzen.
    •
  • Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 einen Hochspannungsumrichter und
  • 2 das Ansteuerverfahren anhand der Zeitverläufe der Netzgrößen und der Zwischenkreisspannung.
  • 1 zeigt einen für das Verfahren geeigneten Hochspannungsumrichter für eine Elektrolokomotive.
  • Die Eingangsspannung UN wird mit einem Hochspannungs-Eingangsstromrichter 1, der über einen Hochspannungs-Zwischenkreis 2 mit einem Hochspannungs-Wechselrichter 3 verbunden ist, gleichgerichtet. Der Hochspannungs-Wechselrichter 3 erzeugt aus der Spannung UZK des Hochspannungs-Zwischenkreises 2 eine Wechselspannung höherer Frequenz, zum Beispiel 400 Hz, und speist diese auf die Primärseite eines Mittelfrequenz transformators 4, der sie auf geringere Spannungswerte herunter transformiert. Diese transformierte Spannung wird durch einen Gleichrichter 5, der über einen Zwischenkreis 6 mit einem Pulswechselrichter 7 verbunden ist, gleichgerichtet. Der Pulswechselrichter 7 erzeugt aus der Spannung des Zwischenkreises 6 ein Drehstromsystem variabler Spannung und Frequenz, mit dem Traktionsmotoren 8 gespeist werden. Im hier gezeigten Ausführungsbeispiel weist der Zwischenkreis 6 neben einem Stützkondensator auch einen auf die doppelte Netzfrequenz abgestimmten Saugkreis auf.
  • Hochspannungs-Eingangsstromrichter 1 und Hochspannungs-Wechselrichter 3 sind aus Stromrichterphasen aufgebaut, die aus einer Reihenschaltung von abschaltbaren Halbleiterventilen bestehen. Es sind allerdings auch andere Varianten möglich, bei denen die Stromrichterphasen des Hochspannungs-Eingangsstromrichters 1 nichtabschaltbare Ventile, zum Beispiel lichtgezündete Thyristoren, aufweisen können. Für diesen Fall würde man zwischen Hochspannungs-Eingangsstromrichter 1 und Hochspannungs-Zwischenkreis 2 vorzugsweise eine Kommutierungsinduktivität vorsehen.
  • Die prinzipielle Funktionsweise des Hochspannungsumrichters soll anhand des Leistungsflusses für die Betriebsart Fahren, das heißt Energiefluss vom Netz mit der Netzspannung UN, zum Beispiel 15 kV bei 16 2/3 Hz, zu einem Traktionsmotor 8 erläutert werden. Die prinzipiellen Zeitverläufe von Netzspannung UN, Netzstrom IN und Spannung UZK des Hochspannungs-Zwischenkreises 2 ohne Berücksichtigung des Pulsbetriebes zeigt 2.
  • Die Ansteuerung von Hochspannungs-Eingangsstromrichter 1, Hochspannungs-Wechselrichter 3 und Gleichrichter 5 erfolgt so, dass die Spannung UZK am Hochspannungs-Zwischenkreis 2 näherungsweise dem Betrag der Netzspannung UN entspricht. Dadurch ist es möglich, den Hochspannungs-Eingangsstromrichter 1 mit kleiner Taktfrequenz, vorzugsweise mit Grundfrequenz taktung, zu betreiben. Somit können die Schaltverluste im Hochspannungs-Eingangsstromrichter 1 in erheblichem Umfang gesenkt werden. Weiterhin wird der Hochspannungs-Eingangsstromrichter 1 vorzugsweise dann geschaltet, wenn der Eingangsstrom IN näherungsweise seinen Nulldurchgang hat und die Spannung UZK des Hochspannungs-Zwischenkreises 2 klein ist.
  • Die Betriebsfrequenz des Mittelfrequenztransformators 4 ist aus Gewichtsgründen deutlich höher als die Frequenz der Netzspannung UN. Hochspannungs-Wechselrichter 3 und Gleichrichter 5 werden jeweils mit einer Taktfrequenz betrieben, die gleich oder größer ist als die Betriebsfrequenz des Mittelfrequenztransformators 4.

Claims (4)

  1. Hochspannungsumrichter, dessen Ausgang auf einen Mittelfrequenztransformator (4) geschaltet ist, dem mindestens ein Umrichter, bestehend aus Eingangsstromrichter (5), Gleichspannungs-Zwischenkreis (6) und Pulswechselrichter (7), nachgeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass er aus einem Hochspannungs-Eingangsstromrichter (1) auf der Basis einer Anzahl in Reihe geschalteter Leistungshalbleiterschalter, einem Hochspannungs-Zwischenkreis (2) und einem Hochspannungs-Wechselrichter (3) auf der Basis einer Anzahl in Reihe geschalteter Leistungshalbleiterschalter aufgebaut ist.
  2. Verfahren zur Ansteuerung eines Hochspannungsumrichters, dessen Ausgang auf einen Mittelfrequenztransformator (4) geschaltet ist, dem mindestens ein Umrichter, bestehend aus Eingangsstromrichter (5), Gleichspannungs-Zwischenkreis (6) und Pulswechselrichter (7), nachgeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass er aus einem Hochspannungs-Eingangsstromrichter (1) auf der Basis einer Anzahl in Reihe geschalteter Leistungshalbleiterschalter, einem Hochspannungs-Zwischenkreis (2) und einem Hochspannungs-Wechselrichter (3) auf der Basis einer Anzahl in Reihe geschalteter Leistungshalbleiterschalter aufgebaut und so angesteuert wird, dass die Spannung (UZK) am Hochspannungs-Zwischenkreis (2) dem Betrag der aktuellen Netzspannung (UN) folgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnnet, dass der Hochspannungsumrichter derart angesteuert wird, dass die Spannung (UZK) am Hochspannungs-Zwischenkreis (2) näherungsweise gleich dem Betrag der Netzspannung (UN) ist.
  4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochspannungs-Eingangsstromrichter (1) immer dann geschaltet wird, wenn der Eingangsstrom (IN) nähe rungsweise seinen Nulldurchgang hat und die Spannung (UZK) des Hochspannungs-Zwischenkreises (2) klein ist.
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