DE60037571T2

DE60037571T2 - Verfahren und vorrichtung zum schutz von umrichtern

Info

Publication number: DE60037571T2
Application number: DE60037571T
Authority: DE
Inventors: Alexis Colasse; Jean-Emmanuel Masselus
Original assignee: Alstom Belgium SA
Current assignee: Alstom Belgium SA
Priority date: 1999-01-19
Filing date: 2000-01-11
Publication date: 2008-07-24
Anticipated expiration: 2020-01-12
Also published as: EP1147027B1; EP1022181A1; BG105717A; AU3027000A; ES2296605T3; PL200244B1; DE60037571D1; EP1147027A1; WO2000043231A1; ATE382001T1; CZ20012567A3; ZA200105218B; BRPI0008892B1; HUP0105074A3; EA200100673A1; HRP20010495A2; HUP0105074A2; SI1147027T1; CZ296728B6; SK9202001A3

Description

Erfindungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft zunächst ein Verfahren, mit einer Funktion des Spannungsschutzes eines Umrichters und einer Funktion eines Bremszerhackers in einer Antriebskette.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich ferner auf eine Vorrichtung zur Ausführung des vorgenannten Verfahrens.
Technologischer Hintergrund der Erfindung
In bekannter Weise sind elektrische Antriebsmotoren wie etwa Synchronmotoren, Asynchronmotoren oder dergleichen mit einem Umrichter ausgestattet. Ein Beispiel für einen solchen Umrichter ist ein Spannungwechselrichter, der es ermöglicht, eine Wechselspannung aus einer Gleichspannung zu liefern, die einer Oberleitung entnommen wird. Zur Energieversorgung mit einer Last, die durch die elektrischen Antriebsmotoren gebildet wird, die im allgemeinen dreiphasig sind, ist es notwendig, ein Dreiphasen-Spannungssystem zur Verfügung zu stellen, das so weit wie möglich einem Dreiphasen-System mit einem ausgeglichenen Sinus entspricht, und das bezüglich seiner Frequenz und Amplitude variabel ist. Der Wechselrichter ist eine Vorrichtung, die dieses Ziel erreichen kann und die im allgemeinen Leistungskomponenten wie etwa Thyristoren, GTOs, usw. umfaßt.
Im vorliegenden Fall weisen die Halbleiter, die wie Schalter in den Umrichtern und insbesondere in den Wechselrichtern eingebaut sind, eine erhebliche Spannungsfestigkeit gegenüber dem Oberleitungsnetz auf.
Im speziellen Fall einer Netzspannung von 3 kV nominaler Gleichspannung schlägt man beispielsweise die Verwendung von zwei GTO von 4,5 kV in Serie vor. Man behält somit einen wichtigen Sicherheitsspielraum, der es ermöglicht, die Spannung an den Kontakten des Wechselrichters in jedem Betriebsfall aufrechtzuerhalten.
Wenn ferner eine Blockade des Umrichters auftritt, beispielsweise bei einer Netzüberlastung, beobachtet man insbesondere eine momentane Überspannung am Eingang des Umrichters. Diese Überspannung hängt im wesentlichen von den Parametern des Umrichters, vom Eingangsfilter, einem eventuellen Netzausfall und der Oberleitung selbst ab.
Seit einiger Zeit gibt es Vorrichtungen neueren Typs, die statische Unterbrecher sind. Unter diesen sind "IGBT" zu nennen (Insulated Gate Bipolar Transistor), sowie MGT, IGCT, usw.. Im allgemeinen erübrigen diese Vorrichtungen die Verwendung von Hilfs-Verbindungsvorrichtungen (snubber), da das Steuersignal sich über den Steueranschluß bildet.
Seit man Halbleiter der neuen Generation und insbesondere IGBTs verwendet, kann man insbesondere eine reduzierte Maximalspannung aufrechterhalten. Demnach genügt es, zwei IGBT von 3,3 kV hintereinander bei einer Oberleitungsspannung von nominal 3 kV Gleichspannung zu schalten. Dies bedeutet, dass der Spannungs-Sicherheitsbereich demnach auch reduziert ist, und somit ist es notwendig, eine Schutzvorrichtung zu verwenden, die die Filterspannung am Eingang des Umrichters kappt, so dass gewährleistet wird, dass die maximale Spannung an den Kontakten der Halbleiter niemals ihren Maximalwert überschreitet. Das Prinzip dieser Schutzsysteme ist besonders einfach und sieht vor, dass beim Überschreiten einer maximalen Schwelle durch die Spannung die Schutzvorrichtung greift und nicht greift, wenn die Spannung wieder unter eine Minimalschwelle fällt. Dennoch bringt die Notwendigkeit der Anbringung einer Schutzvorrichtung zur Spannungskappung gleichzeitig die Verwendung einer Vorrichtung zur Leistungsaufnahme am Einlaß des Umrichters mit sich, und zwar von Widerständen.
Gewöhnlich sind die Antriebsumrichter außer mit den Einlaßfiltern, die vor dem Umrichter angeordnet sind, in einigen speziellen Fällen mit einem Zerhacker ausgestattet.
Das Dokument "IGBT inverter system for rolling stock" von Horie A. et al. beschreibt die herkömmliche Funktion eines Zerhackers, der auch als Vorrichtung zum Schutz von Überspannungen dient.
Das Dokument "Elektrische Ausrüstung der Triebzüge Baureihe 481/482 für die S-Bahn Berlin, elektrische Bahnen" von Ernst G. et al. beschreibt keine Schutzfunktion gegen Überspannungen des Netzes. In dieser Anwendung ist es sehr wahrscheinlich, dass die Überspannung von den Halbleitern aufgenommen wird, vorausgesetzt, dass es sich um Halbleiter vom Typ GTO handelt.
Ziel der Erfindung
Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, Schalter der neuen Generation wie etwa IGBTs für Umrichter als Schutzvorrichtungen zu verwenden.
Ferner zielt die vorliegende Erfindung in gleicher Weise auf eine Installation, die dazu vorgesehen ist, das Verfahren durchzuführen, dass eine rationelle Verwendung von Einrichtungen zur Bremskontrolle und zum Schutz gegen Überspannungen am Eingang des Umrichters ermöglicht, der die Motoren versorgt.
Grundsätzliche Erfindungsmerkmale
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Installation, die dazu vorgesehen ist, die Versorgung eines Antriebsmotors gemäß Anspruch 3 zu ermöglichen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind bei einem Zwischenpunkt des Gleichstromnetzes wenigstens zwei Steuerhalbleiter verbunden, die mit wenigstens einem Widerstand in Verbindung stehen, welche Widerstände paarweise mit zwei Polen des Netzes verbunden sind.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die Widerstände in Reihe verbunden mit den Halbleitern, die den Strom in direkter Richtung steuern.
Ferner ist jeder der Widerstände (in herkömmlicher Weise) parallel verbunden mit einer Diode, die den direkten Strom unterdrückt.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zur Versorgung eines Antriebsmotors gemäß Anspruch 1.
Kurzbeschreibung der Figuren
1 zeigt ein Schaltbild der Antriebskette mit den unterschiedlichen Modulen und Leistungsschaltkreisen, wie etwa der Eingangsschaltung, dem Eingangsfilter, dem Zerhacker, dem Wechselrichter und dem elektrischen Antriebsmotor im Fall einer Verwendung von Schaltern gemäß dem Stand der Technik.
2 ist ein Schaltbild eines Zerhackers im Fall einer Verwendung von Schaltern neuer Generationen wie etwa IGBTs.
3 ist ein Schaltbild einer Schutzvorrichtung zur Kappung, die bei der Verwendung von Schaltern neuer Generation wie etwa IGBTs in der Antriebskette erforderlich sind, wie sie in 1 gezeigt ist.
4 zeigt ein Schaltbild der durch die vorliegende Erfindung vorgeschlagenen Lösung, welche die Funktionen des Zerhackers und der Spannungskappung kombiniert.
Die 5 und 6 zeigen die jeweiligen Steuerabläufe des Zerhackers und des Spitzenbegrenzers der Spannung.
Genaue Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
1 zeigt die vollständige Antriebskette der zwei Antriebsmotoren M1 und M2. Gemäß der in 1 gezeigten Ausführungsform ist vor den dreiphasigen Antriebsmotoren M1 und M2 ein herkömmlicher Drei-Stufen-Wechselrichter E mit drei Zweigen zur Versorgung der drei Phasen R, S, T dieser Motoren, ein Zerhacker C und ein Eingangsfilter A angeordnet, welcher direkt über eine Einlaßschaltung O mit der Oberleitung 15 von 3000 V und der Schiene 16 verbunden ist. In herkömmlicher Weise sind die unterschiedlichen Bestandteile der Leistungsvorrichtungen GTOs, die keine Verwendung einer ergänzenden Spannungsschutzvorrichtung (Spitzenbegrenzer) bedürfen.
Bei der Verwendung von Schaltern der neuen Generation wie etwa IGBTs ist es erforderlich, bei einem Netz von 3000 V in zwei IGBT-Transistoren zu verwenden, um die Leistung zu halten. In diesem Fall sind die zwei IGBT-Transistoren parallel und in Reihe mit einem Bremswiderstand geschaltet. Wie bereits erwähnt, ist es notwendig, eine Schutzvorrichtung wie in 3 anzuschließen, die eine Kappung der Spannung des Eingangsfilters und des Umrichters ermöglicht. In herkömmlicher Weise setzt sich jeder Zweig zusammen aus einem IGBT-Schalter, der in Reihe mit einer Diode und einem Kappungswiderstand geschaltet ist, die parallel geschaltet sind.
In der Praxis ist zu beobachten, dass im Bremsfall, wenn die Spannung zwischen dem Punkt L1 (verbunden mit der Oberleitung über den Einlaßfilter) und dem Punkt L2 (in Verbindung mit den Schienen) über eine bestimmte Stelle steigt, was zeigt, dass die Leitung die Bremsenergie nicht mehr wieder aufnehmen kann, die Spannung auf den Kondensatoren 3 und 4 durch Aktivierung der Steuerhalbleiter 5 und 6 begrenzt wird. Dies leitet den Strom in Richtung der Zerhackerwiderstände 7 und 8.
Der Zwischenpunkt L3 zwischen den Halbleitern 5 und 6 ist mit dem Zwischenpunkt L4 zwischen den Kondensatoren 3 und 4 des Eingangsfilters A verbunden.
Der Zerhacker B, der in den meisten Spannungsumrichtern angeordnet ist, ist für eine große Leistung dimensioniert.
Zur Verringerung der Kosten wurde eine Lösung vorgeschlagen, die in 4 gezeigt ist und die Funktionen des Zerhackers und des Spitzenbegrenzers in ein und derselben Leistungsvorrichtung kombiniert.
Zu diesem Zweck sind die Widerstände 7 und 8 zu 11+, 12+, 11– und 12– halbiert. Die IGBT-Halbleiter, die die Widerstände versorgen und in Reihe mit diesen geschaltet sind, sind gleichermaßen halbiert: 13+, 14+, 13– und 14–. Nachteiligerweise wird die Dimensionierung der Vorrichtung, bevor sie als Spitzenbegrenzer wirkt, zu einem leichten Kappungswiderstand zur Erzeugung eines bedeutenden Stroms im Hinblick auf einen guten Spannungsschutz der Halbleiter des Spitzenbegrenzers und des Wechselrichters (in den 2 bis 4 nicht dargestellt) führen, die mit den Kontakten L5 und L6 verbunden werden müssen.
Nun führt die Verwendung eines schwachen Widerstands entsprechend der Kappung zu einem sehr großen Strom, was zu übermäßigen Verlusten in der Vorrichtung führt, wenn sie wie ein Zerhacker arbeitet.
Gemäß der vorliegenden Erfindung besteht die Lösung darin, den Strom, der den Widerständen vorhergeht, wechselweise wirken zu lassen, wenn diese in der Funktion des Zerhackers verwendet werden.
Wenn der Zerhacker C als Spitzenbegrenzer wirkt, ist die thermische Leistung zur Verteilung auf das Niveau der Widerstände weniger groß, da die Funktionszeit kurz ist. In diesem Fall werden die Paare von Steuerhalbleitern 13+ und 14+ sowie 13– und 14– gleichzeitig gesteuert, und die Widerstände 11+ und 12+ sowie 11– und 12– werden parallel zueinander gespeist, so dass der äquivalente Widerstand zwischen den Punkten L1 und L2 das Mittel des äquivalenten Widerstands ist, der bei der Funktion als Zerhacker auftritt.
Es wird angemerkt, dass zur Wirkung als Zerhacker der Widerstand nicht überdimensioniert sein darf. Er wird lediglich in zwei getrennten Teilen gebildet.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Reduktion der Frequenz des Umschaltens der Halbleiter in ihrer Funktion als Zerhacker ohne Veränderung der Frequenz der Kondensatoren des Eingangsfilters. Es werden ferner die Verluste beim Umschalten zum Zerhacker begrenzt.
Dies ermöglicht somit, von den Vorteilen der wechselnden Funktion (durch Zwischenschaltung) zu profitieren.
Ferner werden die Leitungsverluste nicht vergrößert: Bei einer Halbierung des Widerstands, der von jedem Steuerhalbleiter versorgt wird, wird der geleitete Strom auf die Hälfte reduziert, doch der Strom wird zweimal aufgrund der wechselweisen Funktion der Steuerhalbleiter geleitet.
Hingegen wird bei der Funktion als Spannungsspitzenbegrenzer der äquivalente Widerstand auf die Hälfte reduziert, was einen wirksamen Spannungsschutz aufgrund eines doppelten Stroms bietet.
Das Prinzip der Funktion als Zerhacker wird durch das Diagramm in 5 (beispielhaft) anhand von zwei Steuerhalbleitern 13+ und 14+ beschrieben, die wechselweise betrieben werden. In einem Zeitraum T arbeitet 13+ während einer Zeit δT/2 vom Zeitpunkt 0, und 14+ arbeitet während des gleichen Zeitraums δT/2 vom Moment T/2 an. Die Dauer δT/2 wird bestimmt gemäß der Größe des zu erzielenden Zerhackereffekts, d. h., der zu verteilenden Leistung.
Hingegen zeigt das Diagramm der 6 den gleichen Vorgang über die gleiche Periode T der Halbleiter 13+ und 14+ während einer Zeit δT, während sie als Spannungsspitzenbegrenzer arbeiten.
Gemäß der vorliegenden Erfindung muß der Spannungspitzenbegrenzer wirken, wenn die Spannung die maximale Schwelle der Halbleiter des Zerhackers C und/oder des Umrichters E überschreitet, aufgrund einer Überspannung der Oberleitung 15 oder einer Blockade des Umrichters.
In diesem Fall blockiert die elektronische Steuervorrichtung den Traktions-Umrichter E und die Funktion als Spitzenbegrenzer setzt ein, sobald keine Notwendigkeit mehr besteht, wie ein Zerhacker zu arbeiten.
Der Spitzenbegrenzer leitet den Strom auf die Widerstände ab, die parallel geschaltet sind und sich auf einer hohen Schwelle einschalten und sich nicht auf einer niedrigen Schwelle ausschalten, so dass die Spannung unterhalb eines Maximalwerts gehalten wird und die gehaltene Spannung der Sicherheit der Halbleiter entspricht. Es ist die Zeit, die zwischen den Durchgängen zwischen den zwei Schwellen verstreicht, welche die Dauer δT bestimmt (siehe 6). Wenn die Funktion eine vorbestimmte Dauer einhält, stellt eine ergänzende Sicherheit die Öffnung des Ausschalters des Netzes sicher, der in den Einlaßschaltkreis D eingeführt ist.
In vorteilhafter Weise wurden Mittel der Vorrichtung verwendet, die keine Neukonfiguration des Kontaktgebers erfordern, und die Elektronik nimmt diese Rekonfiguration automatisch vor.
Das zuvor beschriebene Ausführungsbeispiel beruht auf der Verwendung eines Wechselrichters mit drei Stufen. Es versteht sich, dass die Anwendung des Verfahrens auf einen Wechselrichter mit zwei Stufen vom Fachmann ohne weiteres vorgenommen werden kann und durch die vorliegende Erfindung nicht ausgeschlossen ist.

Claims

Verfahren zur Versorgung eines Antriebsmotors in der Form einer Ladung (M) aus einem Gleichstromnetz, das die Versorgungsquelle über einen Umrichter (E) bildet, wobei Mittel zum Schutz gegen Überspannungen durch Kappung (B) Widerstände umfassen, die bestimmt sind, übermäßige Spannung abzuleiten, mit einem Zerhacker, der Bremswiderstände aufweist, die bestimmt sind, den Bremsstrom abzuleiten, wobei jeder Widerstand in Reihe verbunden ist mit einem bestimmten Halbleiter, wobei man dieselben Widerstände (11+, 12+, 11– und 12–) als Schutzmittel gegen Überspannungen durch Kappung und als Bremswiderstände benutzt, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstände in getrennten parallelen Schaltungen angeordnet sind und dass die Steuer-Halbleiter (13+, 14+, 13– und 14–) der Widerstände (11+, 12+, 11– und 12–) so gesteuert werden, dass sie abwechselnd bei der Bremsung und gleichzeitig bei der Kappung wirksam werden.
Verfahren zur Versorgung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer-Halbleiter (13+, 14+, 13– und 14–) der Widerstände (11+, 12+, 11– und 12–) alternierend gesteuert werden.
Installation zur Versorgung eines Antriebsmotors in Form einer Ladung (M) aus einem Gleichstromnetz als Versorgungsquelle über einen Umrichter (E), wobei ein Schutzmittel gegen Überspannungen durch Kappung Widerstände umfaßt, die bestimmt sind, überschüssige Spannung abzuleiten, und einen Bremszerhacker (C) mit Bremswiderständen umfassen, die bestimmt sind, den Bremsstrom abzuleiten, wobei jeder Widerstand (11+, 12+, 11– und 12–) verbunden ist in Reihe mit einem bestimten Steuer-Halbleiter (13+, 14+, 13– und 14–), wobei die Widerstände der Schutzmittel gegen Überspannungen durch Kappung und die Bremswiderstände die selben Widerstände (11+, 12+, 11– und 12–) sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstände in getrennten parallelen Schaltungen angeordnet sind und dass die Steuer-Halbleiter (13+, 14+, 13– und 14–) der Widerstände (11+, 12+, 11– und 12–) auf die Widerstände einwirken, so dass sie bei der Bremsung abwechselnd und bei der Kappung gleichzeitig versorgt werden.
Installation gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstände (11+, 12+, 11– und 12–) in Reihe verbunden sind mit den Halbleitern (13+, 14+, 13– und 14–), die den Strom in direkter Richtung steuern, d. h. vom positiven Pol (L1) zum negativen Pol (L2).
Installation gemäß einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Widerstände (11+, 12+, 11– und 12–) parallel verbunden ist mit einer Diode (9 oder 10), die den direkten Strom unterdrückt, d. h. den Strom vom positiven Pol (L1) zum negativen Pol (L2).
Installation gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Umrichter (E) ist ein zwei Phasen Umrichter.
Installation gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Umrichter (E) ist ein drei Phasen Umrichter, und dass eine Phase mit einem Zwischenpunkt verbunden ist.
Installation gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstände weißten eine erste Gruppe von Widerstände zwischen dem positiven Pol (L1) des Netzes und der Zwischenpunkt (L3), und eine zweite Gruppe von Widerstände zwischen dem negativen Pol (L2) des Netzes and der Zwischenpunkt (L3) auf.
Installation gemäß Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Zwischenpunkt (L3) des Gleichstromnetzes wenigstens zwei Steuerhalbleiter (13+, 14+, 13– und 14–) verbunden sind, die jeweils mit wenigstens einem Widerstand (11+, 12+, 11– und 12–) in Verbindung stehen, welche Widerstände paarweise mit zwei Polen des Netzes (L1, L2) verbunden sind.