Ein Traktionsstromrichter, insbesondere für einen Triebzug, weist typischerweise einen Pulswechselrichter auf, der we- nigstens eine Induktionsmaschine, insbesondere Asynchronma- schine, speist. Im Fahrbetrieb wird Leistung aus einem Ener- gieversorgungsnetz, insbesondere einem Bahnnetz, entnommen und mittels des Pulswechselrichters der Induktionsmaschine zugeführt. Im elektrischen Bremsbetrieb ist der Leistungs- fluss umgekehrt. Da ein Bahnnetz nicht zu jedem Zeitaugen- blick die Bremsenergie aufnehmen kann, muss zusätzlich eine Vorrichtung im Zwischenkreis installiert sein, mit deren Hil- fe diese Bremsenergie vernichtet werden kann.

Außerdem ist im Zwischenkreis des Traktionsstromrichters eine Vorrichtung zur Überspannungsbegrenzung angeordnet, die vor- rangig zum Schutz des Pulswechselrichters benötigt wird. Mit- tels einer solchen Vorrichtung werden schnelle Überspannungen begrenzt, die beispielsweise durch Sprünge in der Netzspan- nung oder durch Leistungsschwankungen in der Traktionsleis- tung verursacht werden.

Beispiele für derartige Traktionsstromrichter sind der Veröf- fentlichung"Triebzüge für das Bangkok Mass Transit System", abgedruckt in der DE-Zeitschrift"eb-Elektrische Bahnen", Band 97 (1999), Heft 6, Seiten 195 und 196, der Veröffentli- chung"Triebzüge Baureihe 2100 für Flughäfenbahn Tokyo", ab- gedruckt in der DE-Zeitschrift"eb-Elektrische Bahnen", Band 97 (1999), Heft 6, Seiten 197 und 198 oder der Veröf- fentlichung"Stadtbahnzug TW 2000 für Hannover", abgedruckt

in der DE-Zeitschrift"eb-Elektrische Bahnen", Band 97 (1999), Heft 6, Seiten 211 bis 213, zu entnehmen.

Die Funktionen"Bremsen"und"Überspannungsbegrenzung"wird beispielsweise in der erstgenannten Veröffentlichung"Trieb- züge für das Bangkok Mass Transit System"miteinander in ei- nem Bremssteller kombiniert. Mittels dieses Bremsstellers wird eine Überspannung im Zwischenkreis, die entweder durch Sprünge in der Netzspannung, Leistungsschwankungen in der Traktionsleistung oder durch nicht ins Netz abführbare Brems- leistung entsteht, abgebaut.

Im Handel sind Kondensatoren erhältlich, die durch ihr Spei- cherprinzip auch als Doppelschichtkondensatoren bezeichnet werden. Diese Doppelschichtkondensatoren liegen bezüglich ih- rer elektrischen Nutzbarkeit zwischen den herkömmlichen Kon- densatoren mit hohem Leistungsvermögen aber vergleichsweise niedrigem Energieinhalt und den konventionellen Batterien mit hohem Energieinhalt. Doppelschichtkondensatoren speichern und liefern Energie auch bei sehr großen Leistungen mit hohem Wirkungsgrad. Für Doppelschichtkondensatoren hat sich der Begriff"Superkondensator"bzw."Supercap"bzw."Ultracap" durchgesetzt.

Doppelschichtkondensatoren sind im Vergleich zu konventionel- len Batterien tief entladefest und einfach zu laden. Aller- dings gibt es zwei Randbedingungen, die unbedingt bei ihren Betrieb beachtet werden müssen : 1. Bei Überschreiten der spezifizierten"Maximalen Betriebs- spannung"finden zerstörende, den Elektrolyt zersetzende, Vorgänge statt.

2. Aufgrund von Fertigungstoleranzen können auch Doppel- schichtkondensatoren gleichen Typs unterschiedliche Selbstentladungen und unterschiedliche Innenwiderstände aufweisen. Dadurch kann es bei in Serie geschalteten Dop-

pelschichtkondensatoren bereits nach wenigen Ladezyklen zu einem Auseinanderdriften der Betriebsspannung der Doppel- schichtkondensatoren kommen, was beim Laden zur Über- schreitung der spezifizierten"Maximalen Betriebsspannung" einzelner Doppelschichtkondensatoren und somit zu deren Schädigung führt. Um dies zu verhindern, ist eine elektri- sche Zusatzbeschaltung der Kondensatoren zur Überwachung oder zum Ladungsausgleich nötig.

Doppelschichtkondensatoren gibt es im Handel in einer zylind- risch gewickelten oder einer geschichtet prismatischen Zel- lenkonstruktion. Für die Anwendungsfälle Elektrostraßenfahr- zeuge oder Netzanwendungen werden Kondensatorzellen zu einem Kondensatormodul verschaltet, die beispielsweise vierzig Kon- densatorzellen aufweist.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Vorrich- tung zur Begrenzung einer Überspannung im Zwischenkreis eines Traktionsumrichters mit Hilfe eines Doppelschichtkondensators anzugeben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des An- spruchs 1 gelöst.

Durch die Verschaltung der beiden abschaltbaren Halbleiter- schalter, der Induktivität und des Doppelschichtkondensators erhält man einen kombinierten Tief-und Hochsetzsteller, mit dem Überspannungen im Zwischenkreis schnell abgebaut werden können. Mit dem zuschaltbaren Widerstand der elektrisch pa- rallel zum Doppelschichtkondensator schaltbar ist, wird die Spannung am Doppelschichtkondensator auf einen vorbestimmten Grenzwert begrenzt. Unterschreitet die Kondensatorspannung einen unteren Grenzwert, so wird der Widerstand wieder ge- trennt. Auf diese Weise wird verhindert, dass der Doppel- schichtkondensator seine Nennspannung für eine längere Zeit überschreiten kann. Die gespeicherte Energie wird im Fahrbe- trieb in den Traktionsstromrichter zurückgegeben, so dass der

Doppelschichtkondensator auf einen Ladezustand gehalten wird, der immer ausreicht, eine Überspannung aus dem Zwischenkreis aufzunehmen. Der Widerstand wird somit nur bei längeren Über- spannungen im Zwischenkreis verursacht durch Bremsen zum Ab- bau dieser Überspannung benötigt, ohne dabei einen eigenen Steller zu benötigen.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung zur Be- grenzung einer Überspannung im Zwischenkreis eines Traktions- stromrichters ist der Doppelschichtkondensator mittels eines Schalters von der Induktivität trennbar. Dadurch wird er- reicht, dass die beiden Funktionen"Bremsen"und"Überspan- nungsbegrenzung"wieder voneinander trennbar sind. Sobald der Schalter des elektromechanischen Kondensators geöffnet ist, ist der zuschaltbare Widerstand über der Induktivität mit den beiden in Reihe geschalteten Halbleiterschalter verbunden. In diesem Betriebszustand arbeitet der Steller als Bremssteller, so lange Energie von den Induktionsmotoren in den Zwischen- kreis geschickt wird. Ist der Bremsbetrieb beendet, so wird der Schalter des zuschaltbaren Widerstandes stromlos ausge- schaltet.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen 3 bis 7 zu entnehmen.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der mehrere Ausführungsbeispiele der er- findungsgemäßen Vorrichtung schematisch veranschaulicht sind.

FIG 1 zeigt eine erste Ausführungsform der Vorrichtung zur Begrenzung einer Überspannung im Zwischenkreis eines Traktionsstromrichters nach der Erfindung, wobei in der FIG 2 eine vorteilhafte Ausführungsform der Vorrichtung nach FIG 1 dargestellt ist.

In der FIG 1 ist ein Hauptstromschaltbild eines Traktions- stromrichters eines Triebzuges mit der erfindungsgemäßen Vor-

richtung 2 näher dargestellt. Eingangsseitig ist ein Stromab- nehmer 4 mittels eines Trenners 6 und eines Netzschützes 8 mit einer Netzdrossel 10 verknüpft. Elektrisch parallel zum Netzschütz 8 ist eine Reihenschaltung eines Ladeschützes 12 und eines Vorladewiderstandes 14 geschaltet. Am zweiten An- schluss der Netzdrossel 10 ist eine positive Stromschiene 16 eines Zwischenkreises 18 des Traktionsstromrichters ange- schlossen. Eine negative Stromschiene 20 ist mittels eines Rades 22 mit der Schiene 24 elektrisch leitend verbunden. Der Zwischenkreis 18 weist einen Zwischenkreiskondensator 26, ei- nen Entladewiderstand 28, einen Zwischenkreisspannungswandler 30, einen Netzspannungswandler 32, zwei Stromwandler 34 und 36 und die erfindungsgemäße Vorrichtung 2 auf. Der Zwischen- kreiskondensator 26, der Entladewiderstand 28, der Zwischen- kreisspannungswandler 30 und die Vorrichtung 2 zur Begrenzung einer Überspannung sind zueinander elektrisch parallel und zwischen den beiden Stromschienen 16 und 20 des Zwischenkrei- ses 18 geschaltet. Am Zwischenkreiskondensator 26 steht eine Gleichspannung an, die die Eingangsspannung für einen last- seitigen Stromrichter 38, insbesondere einen Pulswechselrich- ter, bildet. Der Pulswechselrichter 38 weist drei Brücken- zweige mit jeweils zwei elektrisch in Reihe geschalteten ab- schaltbaren Halbleiterschalter T1, T2 ; T3, T4 und T5, T6 auf.

Die zugehörigen Ansteuerungen für diese Halbleiterschalter T1 bis T6 sind in einer Steuervorrichtung 40 zusammengefasst.

Die Ausgänge U, V und W dieses Pulswechselrichters 38 sind jeweils mit Fahrmotoren 42 verknüpft, wobei in zwei Ausgangs- leitungen jeweils ein Motorstromwandler 44 angeordnet sind.

Die Vorrichtung zur Begrenzung einer Überspannung im Zwi- schenkreis 18 des Traktionsstromrichters weist zwei abschalt- bare Halbleiterschalter T7 und T8 auf, die elektrisch in Rei- he geschaltet sind. Am Verbindungspunkt 46 dieser beiden ab- schaltbaren Halbleiterschalter T7 und T8 ist eine Induktivi- tät 48 mit einem Anschluss angeschlossen, wobei der zweite Anschluss mittels eines Doppelschichtkondensator 50 mit der negativen Stromschiene 20 des Zwischenkreises 18 elektrisch

leitend verbunden ist. Elektrisch parallel zum elektrochemi- schen Kondensator 50 ist ein zuschaltbarer Widerstand 52 schaltbar, wobei dieser zuschaltbare Widerstand 52 einen Schalter Sl, insbesondere ein Schütz, und einen Widerstand 54 aufweist, die elektrisch in Reihe geschaltet sind. Die beiden abschaltbaren Halbleiterschalter T7 und T8 bilden mit der In- duktivität einen Hoch-und Tiefsetzsteller, womit Energie aus dem Zwischenkreis 18 in den Doppelschichtkondensator 50 und umgekehrt wandert.

Als abschaltbare Halbleiterschalter T7 und T8 sind Insulated- Gate-Bipolare-Transistoren vorgesehen. Dadurch entspricht diese Reihenschaltung einem Brückenzweig des Pulswechselrich- ters 38. Dadurch kann ein Brückenmodul des Pulswechselrich- ters 38 ebenfalls für die Vorrichtung zur Begrenzung einer Überspannung verwendet werden, so dass ein gesonderter Modul- aufbau entfallen kann.

Der Doppelschichtkondensator 50 bezeichnet nicht nur einen Kondensator, sondern eine Vielzahl von diesen, die zu einem Kondensatormodul geschaltet sind. Trotz dieses Aufbaus wird wie beim Zwischenkreiskondensator 26 von einem Kondensator gesprochen. Dieser Doppelschichtkondensator 50 kann eine Ka- pazität von beispielsweise 10F bei einer Kondensatorspannung von beispielsweise 600V aufweisen.

Tritt im Zwischenkreis eine Überspannung auf, die entweder durch Sprünge in der Netzspannung oder Leistungsschwankungen in der Traktionsleistung verursacht sind, so werden diese mit dem Zwischenkreisspannungswandler 30 erfasst und einer Steu- ereinrichtung der beiden abschaltbaren Halbleiterschalter T7 und T8 zugeführt. Diese nicht näher dargestellte Steuerein- richtung steuert die abschaltbaren Halbleiterschalter T7 und T8 derart, dass Energie in den Doppelschichtkondensator 50 verschoben wird. Durch diese Energieverschiebung wird die auftretende Überspannung abgebaut. Bei diesen genannten Über- spannungen handelt es sich um kurze Überspannungen, die durch

einen Tiefsetzstellerbetrieb der beiden abschaltbaren Halb- leiterschalter T7 und T8 im Zwischenkreis 18 abgebaut werden.

Beim Abbau von Überspannungen im Zwischenkreis 18 steigt die Spannung am Doppelschichtkondensator 50 an. Erreicht diese Spannung einen vorbestimmten Maximalwert, wird der zuschalt- bare Widerstand 52 durch Schließen des Schützes Sl elektrisch parallel zum Doppelschichtkondensator 50 geschaltet. Dadurch wird dieser Doppelschichtkondensator 50 auf seine Nennspan- nung gehalten. Der weitere Abbau einer auftretenden Überspan- nung im Zwischenkreis 18 wird nun vom zugeschalteten Wider- stand 54 abgebaut. Nach Abbau der Überspannung kann mittels des parallel geschalteten Widerstandes 54 der Doppelschicht- kondensator 50 entladen werden. Unterschreitet die Spannung am Kondensator 50 einen vorbestimmten unteren Wert, so wird das Schütz S1 geöffnet. Auf diese Weise wird der Doppel- schichtkondensator 50 auf einen Ladezustand gehalten, der im- mer ausreicht, eine auftretende Überspannung aus dem Zwi- schenkreis 18 abzubauen. Der Widerstand 54 ist so ausgelegt, dass dieser bei maximaler Kondensatorspannung die maximale Bremsleistung aufnehmen kann.

Die Auslegung ist dabei derart, dass kurzzeitige Überspannun- gen immer mit Hilfe des Tiefsetzstellers T7/T8 und des Dop- pelschichtkondensators 50 abgebaut werden können. Der Tief- setzsteller weist hierfür zu vernachlässigende Schaltzustände auf. Demgegenüber dient der Widerstand 54 mit dem Schalter S1 dem Abbau"langsamer"Überspannungen durch Bremsvorgängen.

Selbst bei hoch geladenen Doppelschichtkondensatoren 50 reicht den Spannungsreserven vom Doppelschichtkondensator 50 aus, um bei Überspannungen die Zeit zu überbrücken, bis der Schalter S1, insbesondere ein Schütz, zuschaltet.

In der FIG 2 ist eine vorteilhafte Ausführungsform der Vor- richtung zur Begrenzung von Überspannungen in einem Zwischen- kreis 18 gemäß FIG 1 dargestellt. Diese vorteilhafte Ausfüh- rungsform unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß

FIG 1 dadurch, dass der Doppelschichtkondensator 50 mittels eines weiteren Schalters S2, insbesondere ein Schütz, von der Induktivität 48 und damit vom Steller, bestehend aus den bei- den abschaltbaren Halbleiterschaltern T7 und T8 und der In- duktivität, trennbar ist. Wenn der Doppelschichtkondensator 50 nicht mehr für weitere Bremsenergie aufnahmefähig ist, wird der Schalter S1 geschlossen, wodurch der zuschaltbare Widerstand 52 elektrisch parallel zum Doppelschichtkondensa- tor 50 geschaltet ist. Außerdem wird der Schalter S2 des Dop- pelschichtkondensators 50 geöffnet. Durch diese Schalthand- lungen ist einerseits der Doppelschichtkondensator 50 davor geschützt, seine Nennspannung für eine längere Zeit zu über- schreiten, und andererseits die weiterhin auftretende Über- spannung im Zwischenkreis 18 kann weiter abgebaut werden. In diesem Schaltzustand arbeitet der Hoch-und Tiefsetzsteller als Bremssteller und der Doppelschichtkondensator 50 verharrt im Zustand vor der Schalthandlung. Sobald keine Überspannung mehr im Zwischenkreis 18 vorhanden ist, fließt kein Strom mehr durch den zuschaltbaren Widerstand 52, so dass der Schalter S1 stromlos ausgeschaltet werden kann. Danach wird der Doppelschichtkondensator 50 wieder zugeschaltet, damit in einem Beschleunigungsbetrieb die gespeicherte Energie des Doppelschichtkondensators 50 verwendet werden kann.

Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung wird ein Doppel- schichtkondensator 50 als Überspannungsbegrenzer eingesetzt, wobei zum Schutz dieses elektrochemischen Kondensators 50 ein zuschaltbarer Widerstand 52 verwendet wird, dessen Widerstand 54 so ausgelegt ist, dass dieser bei maximaler Kondensator- spannung eine maximale Bremsenergie aufnehmen kann. Somit er- hält man eine einfache Vorrichtung, die zwei Funktionen, näm- lich"Bremsen"und"Überspannungsbegrenzung"ausführen kann.