DE2328839A1

DE2328839A1 - Lastgefuehrter umrichter

Info

Publication number: DE2328839A1
Application number: DE2328839A
Authority: DE
Inventors: Johannes Dipl Ing Nestler
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1973-06-01
Filing date: 1973-06-01
Publication date: 1974-12-19
Also published as: FR2232119A1; DE2328839B2; ES426640A1; IT1014646B; FR2232119B3; AT330301B; DE2328839C3; ATA446874A

Description

Licentia Patent-Verwaltungs GmbH 6 Frankfurt a.M., Theodor Stern Kai 1

Lehmann/1i B I 7

Lastgeführter Umrichter.

Die Erfindung bezieht sich auf einen lastgeführten Umrichter mit einem Schwingkreis-Wechselrichter und einem Gleichrichter zur Ladung einer Batterie aus einem Gleichspannungsnetz unterschiedlicher veränderlicher Spannung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zur Ladung einer Batterie aus einer Gleichspannungsquülle zu schaffen, die einfach im Aufbau ist und ein hohes Mass an Betriebssicherheit gewährt. Insbesondere soll auch eine Lösung dafür gefunden werden, wenn die Eingangsgleichspannung veränderliche und auch in ihrer Grössenordnung unterschiedliche Werte hat.

Zur Steuerung der Ladeleistung kann ein Gleichstromsteller verwendet werden, aufgebaut aus Transistoren oder Thyristoren,

409851/0189

- 2 - B I 73AO

wenn das Verhältnis der Spannung des Gleichstromnetzes zur Batteriespannung nicht zu gross ist. Diesem Spannungsverhältnis ist durch die Einschaltdauer des Gleichstromstellers eine Grenze gesetzt, die mit Rücksicht auf seinen Wirkungsgrad nicht beliebig verkleinert werden kann. Der Zusammenhang zwischen dem Spannungsverhältnis und der Einschaltdauer ist bei einem Gleichstromsteller vergleichbar zum bekannten Transformatorgesetz gegeben.

Bei sehr unterschiedlichem Spannungsniveau von speisendem Netz und Verbraucher ist es zweckmässiger, die Gleichspannung über einen Wechselrichter in eine Wechselspannung umzuformen und diese mit Hilfe eines Transformators dem Spannungsniveau der Verbraucherseite anzupassen. Die Wechselspannung ist anschliessend über einen Gleichrichter in eine Gleichspannung umzuwandeln, die gegebenenfalls noch geglättet werden muss, so dass die Batterie gleichmässig geladen wird. Hierzu ist zwischen dem Gleichrichter und der Batterie eine Glättungseinrichtung vorzusehen.

Speziell bei Bahnen besteht eine Aufgabe darin, die Batterie der Reisezugwagen aus Netzen höherer Spannung zu laden, sind doch an die Batterie, deren Spannung in der Regel 24 V beträgt, Verbraucher geringerer Leistung angeschlossen. Bei Bahnen, die alle elektrifizierten Strecken Europas befahren, ist dann die Batterie der Reisezugwagen aus jedem der international zugelassenen Spannungsnetze zu versorgen. Dabei handelt es sich um folgende Spannungen:

409851/0 1 89

- 3 - B I 73AO

1. Gleichspannung: 1500 V

2. Gleichspannung: 3000 V

3. Wechselspannung: 1500 V, 50 Hz

4. Wechselspannung: 1000 V, 16 2/3 Hz

Nach einer bekannten Anordnung ist die Energieversorgung der Batterie so aufgebaut, dass aus einem Gleichspannungsnetz die Batterie über Maschinenumformer gespeist wird. Bei Ladung der Batterie aus einem Wechselspannungsnetζ wird die Spannung zuerst mit einem Transformator herunter gesetzt und anschliessend gleichgerichtet. Dabei ist zur Steuerung der Ladeleistung der Gleichrichter steuerbar ausgeführt (Schrift Friedrich Krupp GmbH "Die Energieversorgung der Heisezugwagen der Deutschen Bundesbahn aus der Zugsammeischiene" U. Knau und H. Seeger).

Die rotierenden Umformer wurden wegen ihrer bekannten Nachteile durch statische Umrichter, die mit Halbleiterventilen ausgerüstet sind, ersetzt.

So ist eine Schaltungsanordnung bekannt geworden, die zur Wechselrichtung einen selbstgeführten Stromrichter einsetzt, dem ein Transformator und Gleichrichter nachgeschaltet sind. Auch hier ist zur Steuerung der Ladeleistung ein gesteuerter Gleichrichter erforderlich (BBC-Nachrichten Dezember 1970, S. 3?A - 397 "Statischer Umformer für Batterieladung und Beleuchtung auf Nahverkehrsfahrzeugen" W. Pivit).

Wechselrichter mit Transistoren sind bei hohen Betriebsspannungen weniger geeignet, weil im allgemeinen die Spannungs-

409851 /0189

- 4- - B I 73AO

festigkeit der Transistoren gering ist. Somit ist eine grössere Anzahl von Transistoren pro Ventilzweig in Reihenschaltung erforderlich. Ausserdem ist die Ansteuerung bei der Verwendung von Transistoren aufwendiger, da bekanntlich diese während der gesamten Stromflussdauer anzusteuern sind. Ausserdem sind wegen der geringen Stromverstärkung der Transistoren Vorverstärker unumgänglich.

Zur Lösung der Aufgabe wird bei einer eingangs beschriebenen Anordnung eine Erfindung darin gesehen, dass im Vechselspannungszweig des Schwingkreiswechselrichters ein oder mehrere Reihenschwingkreise in Reihe mit einem oder mehreren Transformatoren vorgesehen sind, deren Sekundärwicklungen über einen Gleichrichter eine Batterie speisen.

Es ist also zur Umformung der Speisegleichspannung, die gegebenenfalls erst aus einer Bahnnetzwechselspannung durch Gleichrichtung erzeugt werden muss, in eine Wechselspannung ein lastgeführter Wechselrichter eingesetzt, dessen Lastkreis aus der Reihenschaltung einer Induktivität und einer Kapazität als einem Reihenschwingkreis und einem Ausgangstransformator besteht. Die Wechselrichterschaltung, die Rückstromdioden enthält, kann als Brücken- oder Mittelpunktschaltung ausgeführt werden. Es ist auch eine Schaltung mit aufgeteilter Eingangsglättungskapazität möglich.

Da die Batterie einen geringen Innenwiderstand hat, stellt der Ausgangskreis des Wechselrichters einen nahezu ungedämpften Reihenschwingkreis dar, in dem eine abschnittsweise

409851 /0189

- 5 - B I 73AO

konstante Spannung eingefügt ist. Bei dieser Spannung handelt es sich um die auf die Primärseite transformierte Batteriespannung. Die Polarität dieser Spannung ist von der Stromrichtung im Lastkreis abhängig.

Im Gegensatz zu bekannten Schaltungsanordnungen erfolgt vorteilhafterweise die Steuerung der Ladeleistung im Wechselrichter selbst durch Verstellung der Taktfrequenz des Schwingkreiswechselrichters, so dass es genügt, einen ungesteuerten Gleichrichter einzusetzen.

Anhand einer Zeichnung sei ein schematisches Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. In den einzelnen Figuren sind gleichartige Elemente^it gleichen Bezugszeichen versehen.

Die Fig. 1 stellt einen lastgeführten Umrichter dar, der von einer Eingangsgleichspannung U, gespeist wird. Wie erkenntlich, besteht dieser Umrichter aus einem Schwingkreiswechselrichter und einem Gleichrichter. Schwingkreiswechselrichter sind an sich bekannt (Heumann/Stumpe "Thyristoren" Teubner, Stuttgart 1968, S. 213). Der Schwingkreiswechselrichter ist für den vorliegenden Fall nunmehr der besonderen Aufgabe angepasst. Da der Schwingkreiswechselrichter im Lastkreis einen Reihenschwingkreis enthält, der keine sprunghaften Stromänderungen zulässt, benötigt der Wechselrichter eine möglichst starre Eingangsgleichspannung bzw. eine Pufferkapazität zwischen den EingangskTemmen. Wie aus der Fig. 1 hervorgeht, ist im Wechselstromzweig des

40985 1/0189

- 6 - B I 73A0

Schwingkreiswechselrichters die Primärwicklung eines Transformators 1 vorgesehen, der über seine Sekundärwicklung einen Gleichrichter 2 speist, dessen Ausgangsleistung eine Batterie 3 lädt. Um eine gleichmässige Ladung der Batterie 3 zu erzielen, ist eine Glättungseinrichtung, bestehend aus einem Kondensator 4 und einer Induktivität 5, vorgesehen.

Die Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform, bei der die Eingangsglättungskapazität in zwei Teilkapazitäten 6 und 7 aufgeteilt ist, was den Vorteil mit sich bringt, dadurch zwei Brückenzweige mit steuerbaren Thyristoren und den dazu antiparallel geschalteten Blindstromdioden einsparen zu können.

In der Fig. 3 kommt die Lehre zum Ausdruck, den Transformator 1 in der elektrischen Verbindung zwischen den Thyristoren und den dazu antiparallelen Dioden anzuordnen. Das hat den Vorteil, dass die Typenleistung des Transformators kleiner gewählt werden kann, da der rückschwingende Strom aus den Reihenschwingkreiselementen nicht mehr über den Transformator geführt wird, sondern über die zu den Thyristoren antiparallelen Dioden.

Eine weitere Ausbildung des Erfindungsgedankens veranschaulicht die Fig. 4 , wobei diese Anordnung den Verhältnissen gerecht wird, wenn unterschiedliche Niveaus der Eingangsgleichspannung vorliegen, wie dies bei den verschiedenen Bahnnetzen gegeben ist, aus denen eine Batterie geladen werden soll. In diesem Fall ist es grundsätzlich denkbar,

409851 /0189

- 7 - B I 73AO

entweder mehrere Schwingkreiswechselrichtereinheiten vorzusehen und diese in Reihe zu schalten bzw. bei niederen Spannungen dann parallel zu gruppieren. Eine aufwandgeringere Lösung ist Jedoch dadurch möglich, dass mehrere Schwingkreiseinheiten und mehrere Transformatoren im Wechselspannungszweig des Schwingkreiswechselrichters vorgesehen sind, die man dann in Abhängigkeit der Eingangsgleichspannung gruppenweise angepasst in Reihe oder parallel schaltet. In der Fig. 4- ist ein Beispiel dargestellt, bei der zwei Reihenschwingkreise, bestehend je aus einer Induktivität und einer Kapazität und zwei Transformatoren la und Ib, vorgesehen sind. Bei Kenntnis der grundsätzlichen Möglichkeit wird der Fachmann dann beispielsweise, wie die stark ausgezogenen Linien 8 und erkennen lassen, parallel schalten oder aber bei Fortfall dieser Verbindungen eine Schaltung entsprechend der gestrichelt eingetragenen Verbindung 10 herstellen.

Es zeigt dann weiterhin die Fig. 5 die Steuerung und Regelung des Wechselrichters. Letzterer ist, wie bereits erwähnt, lastgeführt, d.h. die Kommutierungsblindleistung wird von dem Lastkreis zur Verfugung gestellt. Dies ist aber nur dann möglich, wenn die Taktfrequenz des Schwingkreiswechselrichters unterhalb der Resonanzfrequenz des Reihenschwingkreises liegt. Um die Löschzeit für die Thyristoren nicht zu unterschreiten, ist die Taktfrequenz nicht unmittelbar an die Resonanzfrequenz heranzuführen, sondern es ist vielmehr zu dieser ein gewisser Abstand

409851 /0189

- 8 - B I 73AO

zu halten. Dadurch bedingt ist die Löschzeit der Ventile zu überwachen, um bei Erreichen der Trittgrenze die weitere Steigerung der Taktfrequenz zu blockieren. Die erzielbare Ladeleistung der Batterie steigt mit zunehmender Taktfrequenz in Richtung der Resonanzfrequenz an und erreicht in deren Nähe das Maximum.Um den Transformator klein bauen zu können, legt man den Betriebsfrequenzbereich so hoch wie möglich. Mit Rücksicht auf die Verluste in Transformator, in den Ventilen und anderen Bauelementen - sie nehmen mit der Frequenz zu - ist aber auch die obere Frequenzgrenze unter diesem Gesichtspunkt zu wählen. Die optimale Betriebsfrequenz richtet sich grundlegend danach, welche Anforderungen an ein Gerät gestellt werden. Bei der Auslegung als Transformator ist die Taktfrequenz massgebend, die bei etwa der halben Resonanzfrequenz liegt. Bei einer weiteren Absenkung der Taktfrequenz bleibt nämlich dann die Spannungszeitfläche und damit der magnetische Fluss des Transformators konstant. Speziell bezogen auf die Anordnung der Fig. 5 erfolgt die Regelung der Ladeleistung entsprechend einer dem Ladeverfahren gewählten Spannungsstromkennlinie. Sie ist in einen Kennliniengeber 11 eingegeben. Gespeist wird der Kennliniengeber 11 mit dem Istwert des Ladestromes !j^g^ erfasst z.B. über einen Shunt 12.

Es ergibt dann der Kennliniengeber entsprechend der in ihm vorgegebenen Kennlinie einen Ausgang, der den SpannungsSollwert IL_n ,, der Batterie darstellt. Dieser Wert wird im Bsoll

409851/0189

- 9 - B I 73Ao

Summationspunkt 13 mit dem Spannungsistwert Ug. . der Batterie verglichen.Die daraus resultierende Regelabweichung wird einem Regler 14 und dann weiter einem Spannungsfrequenzwandler 15 zugeführt. Seine Ausgangsfrequenz wird nach Untersetzung in einer Untersetzerstufe 16 über einen Impulsverstärker 17 zurZündung der Thyristoren des Schwingkreiswechselrichters verwendet. Der Ausgang des Reglers 14 wirkt auf den Spannungsfrequenzwandler 15 in der Weise, dass bei einer Vergrösserung der Reglerausgangsspannung die Taktfrequenz des Schwingkreiswechselrichters-'und damit die Ladeleistung der Batterie zunimmt. Zur Einhaltung der Trittgrenze der Thyristoren dient eine Blockierungseinrichtung für die Frequenz. Es wird der Strom im Wechselspannungszweig des Schwingkreiswechselrichters oder da, wie dargestellt, der Wechselrichter in Brückenschaltung ausgeführt ist, der Strom in der Verbindung zwischen Dioden und Thyristoren über einen Stromwandler 18 erfasst. Er wird einem Löschzeitbildner 19 zugeführt, der aus dem zeitlichen Verlauf des Stromes entsprechend der Stromflussdauer der Thyristoren den Löschzeitistwert bildet. Dieser wird dann in der folgenden Blockierungseinrichtung 20 mit einem Löschzeitgrenzwert t-r verglichen. Erreicht der Löschzeitistwert den vorgegebenen Grenzwert, so greift die Blockierungseinrichtung in der Weise ein, dass die Taktfrequenz des Schwingkreiswechselrichters konstant gehalten wird, auch wenn die Reglerausgangsspannung weiter ansteigt.

409851/0189

- 10 - B I 73Ao

7378839

Der Stromwandler 18 ist grundsätzlich so anzuordnen, dass lediglich der Strom durch die beiden Thyristoren erfasst wird.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, dass eine mit wenigen Bauelementen aufgebaute und damit besonders wirtschaftliche Schaltungsanordnung erstellt werden kann, bei der gegenüber bekannten Schaltungen kein gesteuerter Gleichrichter und auch keine zusätzlichen Einrichtungen zur Zwangslöschung der Thyristoren erforderlich sind. Ausserdem ist auch die Steuerung und Regelung des Wechselrichters äusserst einfach sowohl im Aufbau als auch in der Betriebsweise.

Mit der erfindungsgemässen Lösung ist es möglich, aufgrund der Lastkommutierung des Schwingkreiswechselrichters diesen mit hohen Betriebsfrequenzen zu betreiben, so dass der Transformator eine kleine Baugrösse erhält. Der Anwendungsbereich der Schaltung wird ferner nicht durch Eingangsspannungsschwankungen oder durch sehr unterschiedlich grosse Eingangsspannungen geschmälert.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass bei grösserer Streuinduktivität des Transformators die Funktionsweise des Wechselrichters keineswegs beeinträchtigt wird, wirkt doch die Streuinduktivität als Teil der Schwingkreisinduktivität, wird also in ihrer Wirkung von der Schwingkreiskapazität kompensiert. Eine grössere Streuinduktivität des Transformators ist allgemein dann zu erwarten, wenn der

409851/0189

"ORIQlMAL INSPECTED

- 11 - B I 73AO

Transformator für höhere Isolationsspannungen ausgelegt wird.

11 S. Beschreibung

12 Patentansprüche
2 Bl. Zeichnungen

409851 /0189

Claims

Licentia Patent-Verwaltungs GmbH 6 Frankfurt a.M., Theodor Stern Kai 1 Lehmann/1i B I 73/40 Patent ansprüche

1.)] Lastgeführter Umrichter mit einem Schwingkreiswechselrichter und einem Gleichrichter zur Ladung einer Batterie aus einem Gleichspannungsnetz unterschiedlicher veränderlicher Spannung, dadurch gekennzeichnet, dass im Wechselspannungszweig des Schwingkreiswechselrichters ein oder mehrere Reihenschwingkreise in Reihe mit einem oder mehreren Transformatoren vorgesehen sind, dessen bzw. deren Sekundärwicklungen über einen Gleichrichter eine Batterie speisen.

2.) Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der WechselSpannungszweig des Schwingkreiswechselrichters über Thyristoren mit dazu antiparallel geschalteten Dioden gespeist wird.

3.) Anordnung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingkreiswechselrichter in Brückenschaltung aufgebaut ist.

409851/0189

B I 73AO

4.) Anordnung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, dass in zwei mit dem gleichen Anschlusspunkt der Brückendiagonalen des Schwingkreiswechselrichters verbundenen Brückenzweigen Kondensatoren an Stelle der Halbleiterventile vorgesehen sind.

5·) Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Transformator elektrisch in der Verbindungsleitung der Thyristoren und der Dioden vorgesehen ist.

6.) Verfahren zum Betrieb eines Umrichters nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladeleistung der Batterie durch Veränderung der Taktfrequenz des Schwingkreiswechselrichters geregelt wird.

7.) Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Hegelabweichung zwischen der Batterie-Istspannung ^UBist ^{und der} Batterie-Sollspannung U_ß ,, über einen Regler einem Spannungsfrequenzwandler zugeführt wird, dessen Ausgangsfrequenz nach Untersetzung in einer Untersetzerstufe über einen Impulsverstärker zur Zündung der Thyristoren des Schwingkreiswechselrichters verwendet wird.

8.) Verfahren nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, dass der Batterie-Sollspannungswert über einen Kennliniengeber aus dem Istwert des Batterie-Lädestromes gebildet wird.

409851 /0189

- f- B I 75AO

9.) Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kennlinie des Kennliniengebers in Abhängigkeit vom Ladeverfahren der Batterie vorgegeben ist.

10.) Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Taktfrequenz des Schwingkreiswechselrichters in Abhängigkeit der Löschzeit seiner Thyristoren begrenzt wird.

11.) Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwingkreiswechselrichter mit einer Taktfrequenz betrieben wird, die unterhalb der Resonanzfrequenz des Schwingkreises liegt.

12.) Verfahren zum Betrieb eines Umrichters nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Abhängigkeit unterschiedlicher Eingangsgleichspannungen des Schwingkreiswechselrichters sowohl die Reihenschwingkreise als auch die Transformatoren im Vechselspannungszweig gruppenweise in Reihe bzw. parallelgeschaltet werden.

409851/0189

Leerseite