Beschreibung

Motoransteuerschaltung für ein Schienenfahrzeug und Verfahren zu deren Betrieb

Die Erfindung bezieht sich auf eine Motoransteuerschaltung für ein Schienenfahrzeug mit einem am Eingang der Motoransteuerschaltung angeordneten Hochsetzsteller, der eine ein- gangsseitig an der Motoransteuerschaltung anliegende Netz- gleichspannung in eine Zwischenkreisgleichspannung umwandelt, einem dem Hochsetzsteller nachgeschalteten Pulswechselrichter, der ausgangsseitig an einen Antriebsmotor des Schienenfahrzeugs anschaltbar und geeignet ist, die Zwischenkreisgleichspannung des Hochsetzstellers in eine Motorantriebs- Spannung zum Antreiben des Antriebsmotors umzuwandeln, und einer den Hochsetzsteller ansteuernden Steuereinrichtung, die den Hochsetzsteller im Betrieb derart ansteuert, dass dieser für eine Netzgleichspannung unterhalb einer vorgegebenen Nennzwischenkreisgleichspannung als Zwischenkreisgleichspan- nung die vorgegebene Nennzwischenkreisgleichspannung erzeugt.

Bisher wurden für die Speisung von Bahnfahrzeugen aus Gleichspannungsnetzen sehr unterschiedliche Stromrichterkonzepte eingesetzt. Zu nennen sind in diesem Zusammenhang beispiels- weise die Renfeschaltung, die Doppelsternschaltung, die Dreipunktschaltung und die Reihenschaltung von Choppern. Die genannten Schaltungen sind beispielsweise in der Veröffentlichung "Comparison of Multi-System Traction Converters for High-Power Locomotives" (M. M. Bakran, H. -G. Eckel, P. Eckert, H. Gambach und U. Wenkemann, Konferenzbeitrag zur Konferenz

PESC 2004 (PESC: Power Electronics Specialists Conference and Exhibition) ) näher beschrieben. Die genannten Schaltungen zeichnen sich dadurch aus, dass sich die Netzeingangsspannung auf zwei in Reihe geschaltete Halbleiter verteilt.

Neue Konzepte, die von der seit einigen Jahren maßgeblich verbesserten Sperrfähigkeit von modernen IGBT profitieren, basieren auf einer Schaltungsanordnung, bei der der Pulswechselrichter direkt an der Netzeingangsspannung lediglich unter Zwischenschaltung eines LC-Filters eingesetzt wird. Ein Einsatz des Pulswechselrichters direkt am DC-Netz unter Zwischenschaltung eines Filters ist ebenfalls in der bereits genannten Veröffentlichung "Comparison of Multi-System Traction Converters for High-Power Locomotives" beschrieben.

Ein weiteres Konzept, das ebenfalls von der seit einigen Jahren maßgeblich verbesserten Sperrfähigkeit von modernen IGBT profitiert, basiert auf einer Schaltungsanordnung, bei der der Eingangssteller je nach Nennwert der Netzspannung zwi- sehen einer Hochsetzstelleranordnung und einer Tiefsetzstel- leranordnung umgeschaltet werden kann. Die Figur 1 zeigt beispielhaft eine solche Schaltungsanordnung im Tiefsetzsteller- betrieb und die Figur 2 dieselbe Schaltungsanordnung im Hochsetzstellerbetrieb .

überlappen die Netzeingangsspannungen, die verwendet werden, nicht, so fällt die Wahl der Nennzwischenkreisgleichspannung beim zuletzt erwähnten Schaltungskonzept in einen Bereich unter den Minimalwert der Netzspannung eines Gleichspannungs- netzes mit hohem Nennwert und über den Maximalwert der Netzspannung eines Gleichspannungsnetzes mit niedrigem Nennwert. Diese Wahl der Nennzwischenkreisgleichspannung führt aber letztlich dazu, dass die Leistungsfähigkeit der Motoransteuerschaltung sowohl eingangsseitig als auch ausgangsseitig nicht in vollem Maß ausgeschöpft wird.

Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, eine Motoransteuerschaltung für ein Schienenfahrzeug anzugeben, die die genannten Nachteile vermeidet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Motoransteuerschaltung mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben .

Ausgehend von der eingangs beschriebenen Motoransteuerschaltung ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Steuereinrichtung derart ausgestaltet ist, dass diese für eine Netzgleichspannung oberhalb der Nennzwischenkreisgleichspannung den Hochsetzsteller derart ansteuert, dass dieser ausgangsseitig eine mit der Netzgleichspannung identische Zwischenkreis- gleichspannung oder eine maximal um einen vorgegebenen Offsetwert größere Zwischenkreisgleichspannung erzeugt und diese Zwischenkreisgleichspannung in den Pulswechselrichter ein- speist.

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass auf einen Tiefsetzsteiler verzichtet wird, so dass ein ein- gangsseitiges Umkonfigurieren der Motoransteuerschaltung von einem Hoch- in einen Tiefsetzstellerbetrieb oder umgekehrt - im Unterschied zu dem oben beschriebenen Stand der Technik - bei der erfindungsgemäßen Motoransteuerschaltung nicht erforderlich ist, und zwar weder bei Gleichspannungsnetzen mit einem niedrigen Nennwert der Netzgleichspannung noch in Gleich- Spannungsnetzen mit einem hohen Nennwert der Netzgleichspannung .

Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass durch den Einsatz eines einfachen Hochsetzstellers anstelle einer umschaltbaren Stellerkombination aus Hochsetz- und Tiefsetzsteiler die Konstruktion der Motoransteuerschaltung wesentlich vereinfacht wird, da nur ein einziger niederinduktiver Zwischenkreis nötig ist und nicht wie bei der Stellerkombination mit Hoch- und Tiefsetzsteiler zwei nieder-

induktive Zwischenkreise, die je nach Stellerwahl einzeln oder in Parallelschaltung betrieben werden müssen.

Bei Werten der Netzgleichspannung oberhalb der Nennzwischen- kreisgleichspannung lässt sich die Zwischenkreisgleichspan- nung des Hochsetzstellers besonders einfach und damit vorteilhaft einstellen, indem die Taktansteuerung des Hochsetzstellers durch die Steuereinrichtung entweder eingestellt oder sukzessive auf sehr geringe Werte der Taktfrequenz umge- stellt wird.

Die für den Gleichspannungs- bzw. DC-Betrieb verwendeten Halbleiterschalter der Motoransteuerschaltung können beispielsweise durch Umgruppieren von für einen Wechselspan- nungs- bzw. AC-Betrieb notwendigen Halbleiterschaltern gewonnen werden. Ein Beispiel: Wenn die Motoransteuerschaltung für den AC-Betrieb mit zwei Vierquadrantenstellern (VQS) ausgerüstet ist, können für den DC-Betrieb mit Hochsetzsteller die vier Phasen der VQS-Bausteine einfach umkonfiguriert werden, um den Hochsetzstellerbetrieb zu ermöglichen. Beispielsweise werden im DC-Betrieb zwei Phasen der VQS-Bausteine als Hochsetzsteller und die zwei anderen Phasen der VQS-Bausteine als Bremssteiler eingesetzt.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Motoransteuerschaltung ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung derart ausgestaltet ist, dass der Offsetwert einem für den Betrieb des Hochsetzstellers minimal erforderlichen Mindest-Offsetwert entspricht und/oder dass der Offsetwert kleiner als 10% der Netzgleichspannung ist.

Vorzugsweise ist die Motoransteuerschaltung geeignet, zumindest zwei unterschiedliche Nenngleichspannungen zu verarbeiten, denen jeweils normbedingt zwei zulässige Spannungs-

Schwankungsbereiche zugeordnet sind, wobei die Nennzwischen- kreisgleichspannung bevorzugt derart bemessen ist, dass sie größer als jede der beiden Nenngleichspannungen ist, aber innerhalb des zulässigen Spannungsschwankungsbereichs der grö- ßeren Nenngleichspannung liegt.

Die größere Nenngleichspannung kann beispielsweise 3,0 kV und der zugehörige Spannungsschwankungsbereich zwischen 2,0 kV und 3,9 kV liegen; die kleinere Nenngleichspannung kann bei- spielsweise 1,5 kV betragen und der zugehörige Spannungsschwankungsbereich zwischen 1,0 kV und 1,95 kV liegen (z. B. unter Berücksichtigung der Normen DIN EN 50163, EN 50163 oder UIC600) .

Als Erfindung wird außerdem ein Schienenfahrzeug mit zumindest einem Antriebsmotor und zumindest einer nach obigen Gesichtspunkten konzipierten Motoransteuerschaltung angesehen.

Die Erfindung bezieht sich außerdem auf ein Verfahren zum An- steuern eines Antriebsmotors eines Schienenfahrzeugs, bei dem geprüft wird, ob eine eingangsseitig anliegende Netzgleichspannung kleiner als eine vorgegebene Nennzwischenkreis- gleichspannung ist und im Falle einer Netzgleichspannung unterhalb der vorgegebenen Nennzwischenkreisgleichspannung mit einem Hochsetzsteller als Zwischenkreisgleichspannung die vorgegebene Nennzwischenkreisgleichspannung erzeugt wird, und mit der Zwischenkreisgleichspannung eine Motorantriebsspannung zum Antreiben des Antriebsmotors erzeugt wird.

Mit Blick auf ein solches Verfahren wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass für eine Netzgleichspannung oberhalb der Nennzwischenkreisgleichspannung mit demselben Hochsetzsteller als Zwischenkreisgleichspannung eine mit der Netzgleichspan-

nung identische Spannung oder eine maximal um einen vorgegebenen Offsetwert größere Spannung erzeugt wird.

Bezüglich der Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens sei auf die obigen Ausführungen im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Motoransteuerschaltung verwiesen.

Vorzugsweise wird eine beliebige von zumindest zwei vorgegebenen unterschiedlichen Nenngleichspannungen verarbeitet, de- nen jeweils normbedingt zwei zulässige Spannungsschwankungs- bereiche zugeordnet sind, wobei die Nennzwischenkreisgleich- spannung derart vorgegeben wird, dass sie größer als jede der beiden Nenngleichspannungen ist, aber innerhalb des zulässigen Spannungsschwankungsbereichs der größeren Nenngleichspan- nung liegt.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, dabei zeigen beispielhaft:

Figur 3 ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Motoransteuerschaltung,

Figur 4 den Verlauf der Zwischenkreisgleichspannung in

Abhängigkeit von der eingangsseitig anliegenden Netzgleichspannung bei der Motoransteuerschaltung gemäß Figur 3,

Figur 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Motoransteuerschaltung, bei der zwei Hochsetzsteller vorhanden sind, die durch

Komponenten von Vierquadrantenstellern gebildet sind,

Figur 6 die Motoransteuerschaltung gemäß Figur 5 bei einer anderen Konfiguration zur Verarbeitung einer eingangsseitig anliegenden Wechselspannung und

Figur 7 ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Motoransteuerschaltung, bei der sowohl ein Gleichspannungsbetrieb als auch ein Wechselspannungsbetrieb möglich ist und Hoch- setzsteiler durch Komponenten von Vierquadran- tenstellern gebildet werden.

In den Figuren werden der übersicht halber für identische oder vergleichbare Komponenten stets dieselben Bezugszeichen verwendet.

In der Figur 3 erkennt man eine Motoransteuerschaltung 10, an deren Eingang ElO eine Netzgleichspannung Udc anliegt. Die Motoransteuerschaltung 10 erzeugt ausgangsseitig an einem Ausgang AlO eine Motorantriebsspannung, die mit dem Bezugszeichen Umotor gekennzeichnet ist und bei der es sich beispielsweise um eine Drehspannung handeln kann.

Die Motoransteuerschaltung 10 weist eingangsseitig einen Hochsetzsteller 20 auf, dem ein Pulswechselrichter 30 nachgeordnet ist. Die Ansteuerung des Hochsetzstellers 20 erfolgt durch eine Steuereinrichtung 40, in der eine Nennzwischen- kreisgleichspannung Unenn fest oder in gewissen Grenzen variabel vorgegeben ist.

Die Steuereinrichtung 40 ist eingangsseitig mittelbar oder unmittelbar mit dem Eingang ElO der Motoransteuerschaltung 10 verbunden, so dass die Netzgleichspannung Udc oder ein der

Netzgleichspannung Udc entsprechender Messwert auch der Steuereinrichtung 40 zur Verfügung steht.

An dem Ausgang A40 erzeugt die Steuereinrichtung 40 ein Steu- ersignal ST, bei dem es sich beispielsweise um ein pulswei- tenmoduliertes Taktsignal handeln kann und mit dem der Hoch- setzsteller 20 derart angesteuert wird, dass er aus der ein- gangsseitigen Netzgleichspannung Udc eine Zwischenkreis- gleichspannung Uzk erzeugt. Die Zwischenkreisgleichspannung Uzk liegt damit an dem Wechselrichter 30 an, der ausgangssei- tig die bereits erwähnte Motorantriebsspannung Umotor erzeugt .

Die Steuereinrichtung 40 ist derart ausgestaltet, dass sie die Ansteuerung des Hochsetzstellers 20 bzw. das Erzeugen des Steuersignals ST in Abhängigkeit von der am Eingang ElO der Motoransteuerschaltung 10 anliegenden Netzgleichspannung Udc durchführt: So erzeugt die Steuereinrichtung 40 das Steuersignal ST derart, dass im Falle einer Netzgleichspannung Udc < Unenn als Zwischenkreisgleichspannung Uzk dynamisch die vorgegebene Nennzwischenkreisgleichspannung Unenn erzeugt wird; für eine Netzgleichspannung Udc ≥ Unenn steuert die Steuereinrichtung 40 den Hochsetzsteller 20 derart an, dass dieser eine der anliegenden Netzgleichspannung Udc entspre- chende Zwischenkreisgleichspannung Uzk erzeugt. Es gilt also:

Uzk = Unenn für Udc < Unenn und

Uzk = Udc + Uoffset für Udc > Unenn,

wobei Uoffset eine Offset-Spannung bezeichnet, deren Betrag in einem Bereich zwischen 0 und 10 % des Wertes von Udc liegt (- Udc/10 < Uoffset < Udc/10) . Der Wert Uoffset kann gezielt benutzerseitig vorgegeben werden oder sich alternativ auch allein durch die technischen Eigenschaften des Hochsetzstel-

lers 20 ergeben: Bei den meisten Hochsetzstellern 20 wird technisch bedingt die minimale Spannung am Ausgang des Hoch- setzstellers stets geringfügig größer sein als die am Eingang des Hochsetzstellers anliegende Eingangsspannung; diesem Um- stand trägt in den obigen Gleichungen die Offset-Spannung Uoffset Rechnung.

Der Verlauf der von dem Hochsetzsteller 20 dynamisch erzeugten Zwischenkreisgleichspannung Uzk in Abhängigkeit von der eingangsseitig anliegenden Netzgleichspannung Udc ist beispielhaft in der Figur 4 dargestellt. Bei der Figur 4 wird zum besseren Verständnis beispielhaft eine Offset-Spannung Uoffset von 0 V zugrunde gelegt.

Soll die Motoransteuerschaltung beispielsweise bei Mehrsystemlokomotiven eingesetzt werden, die nicht nur mit Gleichspannung, sondern auch mit Wechselspannung betrieben werden können, so wird es als vorteilhaft angesehen, wenn die für den Gleichspannungsbetrieb bzw. DC-Betrieb der Mehrsystemlo- komotive benötigten Komponenten der Motoransteuerschaltung durch ein schaltungstechnisches Umgruppieren von für den Wechselspannungsbetrieb bzw. AC-Betrieb ohnehin notwendigen Komponenten gewonnen werden. Ein solches Umgruppieren erfolgt beispielsweise dadurch, dass mit einer Mehrzahl an Schützen und Schaltern die Motoransteuerschaltung je nach der gewählten Betriebsart für einen DC- oder einen AC-Betrieb umkonfiguriert wird.

In den Figuren 5 und 6 ist ein Ausführungsbeispiel für eine umkonfigurierbare Motoransteuerschaltung 10 gezeigt, die durch in den Figuren nicht dargestellte Schalter bzw. Schütze sowohl für den Wechselspannungsbetrieb als auch für den Gleichspannungsbetrieb umkonfiguriert werden kann. Die Konfiguration der Motoransteuerschaltung 10 für den Gleichspan-

nungsbetrieb zeigt die Figur 5, und die Konfiguration für den Wechselspannungsbetrieb zeigt die Figur 6.

Die Motoransteuerschaltung 10 steht mit einem Fahrdraht 90 in Verbindung und weist u. a. zwei Vierquadrantensteller 100 und 110 auf, die sowohl für den Wechselspannungsbetrieb als auch für den Gleichspannungsbetrieb verwendet werden: Im Gleichspannungsbetrieb (vgl. Figur 5) werden von den Vierquadran- tenstellern 100 und 110 nur Teilkomponenten verwendet, um zwei parallel arbeitende Hochsetzsteller 20 und 20' zu bilden. Der obere Hochsetzsteller 20 nutzt eine Freilaufdiode 120 und einen Schalter 130 des Vierquadrantenstellers 100 sowie eine Induktivität 140; der untere Hochsetzsteller 20' nutzt eine Freilaufdiode 150 und einen Schalter 160 des Vier- quadrantenstellers 110 sowie eine Induktivität 170. Zu den beiden Hochsetzstellern 20 und 20' gehört u. a. auch die gemeinsame Zwischenkreiskapazität Czk.

Für den Hochsetzstellerbetrieb werden also nur zwei Phasen der beiden Vierquadrantensteller 100 und 110 verwendet, so dass die beiden anderen Phasen im Gleichspannungsbetrieb der Motoransteuerschaltung als Bremssteller benutzt werden können; selbstverständlich ist der Einsatz eines Bremsstellers lediglich optional.

In der Figur 7 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine umkonfigurierbare Motoransteuerschaltung 10 gezeigt, die speziell für den Einsatz bei einer Mehrsystemlokomotive ausgerichtet ist. Die Motoransteuerschaltung weist einen Transfor- mator 200, Vierquadrantensteller 100 und 110 sowie eine Vielzahl weiterer Komponenten auf, die durch Schalter bzw. Schütze für die unterschiedlichen Betriebsarten der Mehrsystemlokomotive ein- oder ausgeschaltet werden und somit zu der jeweils gewünschten Konfiguration der Motoransteuerschaltung 10

führen. So ist durch ein entsprechendes Verschalten der Komponenten der Motoransteuerschaltung 10 sowohl ein Gleichspannungsbetrieb der Mehrsystemlokomotive als auch ein Wechselspannungsbetrieb möglich.

Vorzugsweise werden im Gleichspannungsbetrieb die Vierquad- rantensteller als Bremssteiler und als Hochsetzsteller geschaltet. Die Traktionswicklungen können beispielsweise zusammen mit dem Saugkreiskondensator Csk und der Saugkreis- drossel, die durch die Induktivitäten Ll, L3 und L4 gebildet ist, als Gleichspannungseingangsfilter umkonfiguriert werden. Auch kann beispielsweise zur weiteren Vereinfachung bei der Saugkreisdrossel die Induktivität Ll in eine der Drosseln L3 oder L4 integriert werden.

Die Motoransteuerschaltungen gemäß den Figuren 3 bis 7 sind vorzugsweise derart ausgestaltet, dass sie zumindest zwei unterschiedliche Nenngleichspannungen verarbeiten können, nämlich sowohl eine Nenngleichspannung von Udc,nenn = 1,5 kV als auch eine Nenngleichspannung von Udc,nenn = 3,0 kV, so dass die Motoransteuerschaltungen einen Betrieb des Schienenfahrzeugs nach zumindest einer der Normen DIN EN 50163, EN 50163 oder UIC600 erlaubt. Die in der Steuereinrichtung 40 gemäß Figur 3 vorgegebene Nennzwischenkreisgleichspannung Unenn ist in diesem Falle vorzugsweise derart bemessen, dass sie größer als jede der beiden Nenngleichspannungen von 1,5 kV und 3,0 kV ist, aber innerhalb des zulässigen Spannungsschwankungsbe- reichs der größeren Nenngleichspannung liegt. Bei einer Nenngleichspannung von 3,0 kV beträgt der Spannungsschwankungsbe- reich normgemäß 2,0 kV bis 3,9 kV, so dass die vorgegebene Nennzwischenkreisgleichspannung Unenn vorzugsweise in einem Bereich zwischen 3,0 kV und 3,9 kV liegt. Beispielsweise kann die Nennzwischenkreisgleichspannung in einem Bereich zwischen 3,2 kV und 3,7 kV liegen und z. B. 3,5 kV betragen.

Bezugs zeichenliste

10 MotoransteuerSchaltung

20, 20' Hochsetzsteller

30 Pulswechselrichter

40 Steuereinrichtung

90 Fahrdraht

100, 110 Vierquadrantensteller

120 Freilaufdiode

130 Schalter

140 Induktivität

150 Freilaufdiode

160 Schalter

170 Induktivität

200 Transformator

ElO Eingang

AlO Ausgang der Motoransteuerschalt

A40 Ausgang der Steuereinrichtung

Czk Zwischenkreiskapazität

Csk Kapazität

Rb Widerstand

Lsk, Ll Drosseln

L3, L4 Drosseln

ST Steuersignal

Udc Netzgleichspannung

Umotor MotorantriebsSpannung

Unenn Nennzwischenkreisgleichspannung

Uoffset Offset-Wert

Uzk Zwischenkreisgleichspannung

Uac WechselSpannung