DE4210443A1 - Schutzschaltung fuer eine fahrmotor-ansteuervorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Fahrmotor-Ansteuervorrichtung mit einem Spannungsquellen-Inverter und insbesondere eine Schaltung zum Schutz des Inverters bei Überspannungs- und Überstrom-Bedingungen.

Motor-Ansteuervorrichtungen des genannten Typs werden oft bei Wechselstrom-Elektroantrieben wie Elektro-Fahrzeugen oder -Lokomotiven eingesetzt. Bei manchen Einsätzen wird die Versorgungsspannung durch eine Batteriepackung geschaffen, bei anderen Anwendungen durch eine durch einen Motor getrie­ bene Anordnung aus Wechselstrom-Generator und Gleichrichter. In jedem Fall ergibt die Quelle eine Versorgungsgleichspan­ nung, welche der Spannungsquellen-Inverter (VSI = voltage source inverter) an die Phasenwicklungen des Wechselstrom- Motors anlegt.

Verschiedene Schutzschemata wie Invertersicherungen und Quel­ lenspannungssteuerungen wurden entwickelt, um die Schaltein­ richtungen des Inverters bei stoßartigen Überstrom- oder Überspannungs-Bedingungen zu schützen und die entsprechenden Quellenspannungs- und Motordrehmoment-Stöße zu verringern. Sicherungen müssen jedoch zurückgestellt werden, um nach einem Fehler den Betrieb wieder aufzunehmen, und Quellenspan­ nungs-Steuerungen sind typischerweise nicht rasch genug, um die Inverter-Schalteinrichtungen angemessen zu schützen.

Nach einem anderen Schutzschema wird ein Thyristor hoher Auf­ nahmefähigkeit, der nachfolgend als ein Brecheisen-Gerät (crowbar device = eine Art Brechstange) bezeichnet wird, über die Gleichstrom-Versorgungsspannung angeschlossen und nach Erfassen eines Überspannungs- oder Überstrom-Zustands in einen leitenden Zustand gezündet oder eingeschaltet. Wenn der Überspannungs- oder Stoßzustand verschwindet, wird der Thyristor kommutiert und der Normalbetrieb kehrt zurück. Eine typische Brecheisen-Anordnung bei einer Lokomotiven- Fahrmotor-Ansteuerung ist in Fig. 1 gezeigt, und wird mit mehr Einzelheiten später beschrieben.

Die vorliegende Erfindung ist auf eine verbesserte Fahrmo­ tor-Ansteuerungsschutzschaltung gerichtet, die eine Inver­ ter-Schutzfähigkeit wie bei einer üblichen Brecheisen-Anord­ nung schafft, jedoch Fehlerströme begrenzt oder beseitigt, welche die internen Elemente der Wechselrichter- und Fahrma­ schinen belasten.

Eine Motor-Ansteuerschaltung erfindungsgemäßer Art wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 charakte­ risiert.

Nach der Erfindung sind gleichgerichtete Wechselrichter-Aus­ gangsklemmen an einen Inverter über einen in Reihe ange­ schlossenen Thyristor und einen parallel angeschlossenen Kom­ mutierungskreis geschaltet. Im Normalbetrieb wird der in Reihe angeschlossene Thyristor mit einem Schalt- oder Gate- Signal versorgt, um den Wechselrichter freizugeben und den Motorwicklungen durch den Inverter Strom zuzuführen.

Bei Fehlerbedingungen wird das Zündsignal des in Reihe ange­ schlossenen Thyristors unterbrochen und an den Kommutie­ rungs-Thyristor ein Schaltsignal angelegt. Das kommutiert den in Reihe angeschlossenen Thyristor so, daß der Wechsel­ richter von dem Inverter und dem Motor getrennt wird, wäh­ rend ein Stromweg zum Aufrechterhalten des Wechselrichter­ stroms geschaffen wird. Die normale Inverter-Ansteuerung (gating) wird fortgesetzt, um die im Motor gespeicherte in­ duktive Energie zirkulieren zu lassen und den Inverter-Fil­ terkondensator zu entladen, wodurch ein "Durchfahr-"Betrieb ("ride-through") geschaffen wird, der im wesentlichen für den Fahrmotor transparent ist. Die über dem Kommutierungs- Kondensator entwickelte Spannung kommutiert gegebenenfalls den Kommutierungs-Thyristor, und der Kommutierungs-Wider­ stand entlädt den Kommutierungs-Kondensator, um eine automa­ tische Rückstellmöglichkeit zu schaffen.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der Zeichnung bei­ spielsweise näher erläutert; in der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 ein Schaltbild einer üblichen Kommutierungs- Schutzanordnung, die an einen Wechselstrom- Fahrmotorantrieb mit einem Spannungsquellen- Inverter angelegt ist,

Fig. 2 ein Schaltbild der "Durchfahr"-Schutzschal­ tung dieser Erfindung, angelegt an eine An­ steuervorrichtung für einen Wechselstrom- Fahrmotor, die einen Spannungsquellen-Inver­ ter enthält, und

Fig. 3 eine graphische Darstellung des Betriebs der Schutzanordnung nach Fig. 2.

Nach Fig. 1 wird die gleichgerichtete Ausgangsspannung eines motorgetriebenen Wechselrichters 10 an Phasenwicklungen 12a, 12b und 12c eines Wechselstrom-Fahrmotors 12 über einen Fil­ terkondensator Cf und die Thyristoren 14-24 eines Spannungs­ quellen-Inverters 25 angelegt. Freilaufende Dioden 26-36 sind parallel zu den Thyristoren 14-24 zum Schutz der jewei­ ligen Thyristoren durch Zirkulieren induktiver Motorströme in den Kommutations-Intervallen vorgesehen. Ein Brecheisen- Thyristor 42 ist parallel zu dem Inverter 25 angeschlossen und wird in den Leitzustand geschaltet, um die Inverter-Thy­ ristoren 14-24 während Überspannungs- und Überstrom-Bedingun­ gen zu schützen. Das Element Lm bezeichnet eine Leitungs-In­ duktivität zwischen dem Wechselrichter 10 und dem Brech­ eisen-Thyristor 42.

Wenn der Brecheisen-Thyristor 42 in Reaktion auf das Erfas­ sen eines Überspannungs- oder Überstrom-Zustands in Leitfä­ higkeit geschaltet wird, werden die Inverter-Thyristoren 14-24 kommutiert, und der Wechselstrom-Fahrmotor 12 arbeitet infolge des in seinen Wicklungen 12a-c gespeicherten Magnet­ flusses als ein Generator. Bei dieser Betriebsart liefern die Motorwicklungen einen unsymmetrischen Stromstoß Im über zwei freilaufende Dioden zum Brecheisen-Thyristor. In Fig. 1 ist der Stromstoß Im über die freilaufenden Dioden 26 und 36 zugeführt, was anzeigt, daß die Inverter-Thyristoren 16 und 22 zum Fehlerzeitpunkt leitend waren. Ein gleichartiger Zu­ stand tritt im Thyristor 10 auf, der auch dem Brecheisen-Thy­ ristor 42 einen gleichgerichteten unsymmetrischen Stromstoß Ia zuliefert. Zusätzlicher Brecheisen-Strom wird durch den Filter-Kondensator Cf geliefert.

Während der Brecheisen-Thyristor 42 so ausgelegt sein kann, daß er die kombinierten Motor-, Wechselrichter- und Kondensa­ tor-Fehlerströme übersteht, erzeugen die Stromstöße Im und Ia jeweils Stoß-Drehmomente und -Magnetkräfte in den jeweili­ gen Motoren 10, 12. Diese Drehmomente und Kräfte belasten je­ weils verschiedene interne Elemente der Motoren 10, 12 stark und tragen möglicherweise zu einem vorzeitigen Versagen bei. Zu den besonders gefährdeten Maschinenelementen gehören Wellen, Stator-Endwicklungen und Rotor-Feldpole.

In Fig. 2 ist die erfindungsgemäße Schutzschaltung allgemein mit dem Bezugszeichen 50 bezeichnet. Verschiedene andere Ele­ mente der Wechselstrommotor-Ansteuervorrichtung, die auch dem System nach Fig. 1 angehören, sind mit gleichen Bezugs­ zeichen wie dort bezeichnet. Damit ist der motorgetriebene Wechselrichter 10 mit den Phasenwicklungen 12a, 12b und 12c eines Wechselstrom-Fahrmotors 12 über einen Filter-Kondensa­ tor Cf und die Thyristoren 14-24 eines Spannungsquellen- Inverters 25 verbunden, und Freilauf-Dioden 26-36 liegen par­ allel zu den jeweiligen Thyristoren 14-24 zum Schutz der je­ weiligen Thyristoren durch Ableiten von induktiven Motorströ­ men in den Kommutierungs-Intervallen.

Geht man mehr ins einzelne, so wird der Dreiphasen-Wechsel­ stromausgang des Wechselrichters 10 durch einen Vollwellen- Brückengleichrichter 58 gleichgerichtet, um positive und ne­ gative Gleichstrom-Zuführklemmen 60 bzw. 62 zu definieren. Die Elemente Lm1, Lm2 und Lm3 bezeichnen Leitungs-Induktivi­ täten zwischen dem Wechselrichter 10 und dem Brücken-Gleich­ richter 58. Die Schutzschaltung 50 ist an den Versorgungs­ klemmen 60, 62 angeschlossen, und ein Widerstandsgitter 64 ist wahlweise zwischen den Klemmen 66 und 68 über den Kon­ taktgeber 70 angeschlossen, um den Fahrmotor 12 dynamisch ab­ zubremsen.

Die Schutzschaltung 50 umfaßt einen Reihen-Thyristor Qm, einen Kommutierungs-Thyristor Qc und ein Parallell-RC-Netz aus dem Widerstand Rc und Kondensator Cc. Der Reihen-Thyri­ stor Qm liegt zwischen der positiven Versorgungsklemme 60 und der (Widerstandsgitter-)Klemme 66. Die Anode des Kommu­ tierungs-Thyristors Qc ist an der positiven Versorgungsklem­ me 60 angesclossen, und die Parallelkombination aus Wider­ stand Rc und Kondensator Cc verbindet die Katode des Kommu­ tierungs-Thyristors Qc mit der negativen Versorgungsklemme 62.

Eine schematisch durch die Elemente innerhalb des Rechtecks 52 dargestellte Steuereinheit enthält einen Thyristor-Zündsi­ gnalgenerator GS und Logikelemente, die durch den gesteuer­ ten Schalter 53 dargestellt sind, zum Anlegen des Steuersi­ gnals an Leitung 54 entweder an den Reihen-Thyristor Qm oder den Kommutierungs-Thyristor Qc, je nach dem Zustand einer Fehlererfassungsleitung 55. Die Steuereinheit 52 kann auch andere Funktionen ausführen, einschließlich Zünden der Inver­ ter-Thyristoren 14-24.

Beim Normalbetrieb der Motor-Ansteuervorrichtung wird das Zündsignal an Leitung 54 an die Reihen-Thyristor Qm ange­ legt, um die positive Versorgungsklemme 60 mit dem Inverter 25 zu verbinden. In Reaktion auf die Erfassung eines Über­ strom- oder Überspannungszustandes wird jedoch das Zünden des Reihen-Thyristors Qm unterbrochen und das an Leitung 54 vorhandene Zündsignal an den Kommutierungs-Thyristor Qc ange­ legt. Anfangs ist die Spannung Vc über dem Kondensator Cc Null, und der Reihen-Thyristor Qm wird kommutiert, wenn der Filterkondensator Cf sich durch den Kommutations-Thyristor Qc, den Kondensator Cc und den Widerstand Rc zu entladen be­ ginnt. Während dieses Zeitraums wird durch den Wechselrich­ ter 10 auch dem Kondensator Cc und dem Widerstand Rc Strom zugeführt.

Nachdem eine Kommutierung des Reihen-Thyristors Qm aufgetre­ ten ist, sind der Filterkondensator Cf und der Inverter 25 wirksam von der positiven Versorgungsklemme 60 abgetrennt. An der Zufuhrseite setzt der Wechselrichter 10 das Aufladen des Kondensators Cc fort, und stellt sicher, daß sich keine plötzlichen Änderungen in dem Wechselrichter-Wicklungsstrom ergeben, wodurch die Wechselrichter-Spannungs- und die Dreh­ momentstöße auf einen sicheren Pegel begrenzt werden. Der Wi­ derstand Rc wird so gewählt, daß die Kondensatorspannung Vc die Gleichstrom-Quellenspannung gerade etwas überfährt, um den Kommutierungs-Thyristor Qc zu kommutieren. Nach der Kom­ mutierung setzt der Widerstand Rc die Entladung des Kondensa­ tors Cc fort.

An der Lastseite des Reihen-Thyristors Qm geschieht das Ent­ laden des Filterkondensators Cf und Ableiten der induktiven Wicklungsenergie über das normale Zünden der Inverter-Thyri­ storen 14-24. Das bedeutet, das normale Zünden der Thyristo­ ren 14-24 hält auch während des Fehlerzustandes an und stellt sicher, daß sich keine plötzlichen Änderungen beim Mo­ torwicklungsstrom ergeben, wodurch die Motordrehmomentstöße auf einen relativ niedrigen Pegel begrenzt werden. Wenn gerade dynamisch gebremst wird, wird der Filterkondensator Cf auch über das Widerstandsgitter 64 entladen.

Sobald der Fehlerzustand vorüber ist, wird der Normalbetrieb eingeleitet, indem das an Leitung 24 vorhandene Zündsignal wieder an den Reihen-Thyristor Qm gelegt wird. Zu diesem Zeitpunkt wird der Kommutierungs-Kondensator Cc durch den Wi­ derstand Rc entladen sein, so daß die Schutzschaltung 50 zu­ rückgestellt und für das nächste Erfassen eines Überspan­ nungs- oder Überstrom-Zustands bereit ist.

Der Betrieb der Schutzschaltung 50 bei einer typischen Anwen­ dung ist graphisch durch die Kennlinien A-C in Fig. 3 erläu­ tert. Die Graphik A zeigt die Inverter-Eingangsspannung Vdc und die Kondensatorspannung Vc, die Graphik B den Laststrom Iload und den Gleichstrom-Verbindungsstrom Idc und die Gra­ phik C den Strom Icb des Kommutierungs-Thyristors, den Kon­ densatorstrom Icc und den Widerstandsstrom Irc, wobei alle Graphiken auf gleiche gemeinsame Zeitbasis bezogen sind.

Anfangs ist der Wechselrichter 10 so dargestellt, daß er eine gefilterte Versorgungsspannung von ca. 1675 V aufrecht­ erhält, wobei der Wechselrichter 25 einen durchschnittlichen Laststrom von etwa 650 A liefert. Zum Zeitpunkt t0 wird ein Überstrom- oder Überspannungs-Zustand erfaßt, der den Be­ trieb der Schutzschaltung 50 einleitet durch Zünden des Kom­ mutierungs-Thyristors Qc und Unterbrechen des Zündens des Reihen-Thyristors Qm. Bezeichnenderweise fällt der vom Wech­ selrichter 10 an den Inverter 25 zugeführte Strom Idc prak­ tisch sofort auf Null ab, während der Laststrom Iload (der die kombinierte Energie der Motorwicklungen 12a-12c und des Filterkondensators Cf darstellt) während eines gewissen Zeit­ raums ohne plötzliche Änderung abfällt infolge des anhalten­ den Zündens der Inverter-Thyristoren 14-24.

In der Zwischenzeit erfährt der Kommutierungs-Thyristor Qc eine Anfangs-Stromwelle Icb, da die im Wechselrichter 10 ge­ speicherte induktive Energie in den Kommutierungs-Kondensa­ tor Cc und den Kommutierungs-Widerstand Rc abgeleitet wird. Wenn die Spannung Vcc des Kommutierungs-Kondensators die Quellenspannung Vdc zum Zeitpunkt t1 übertrifft, wird der Kommutierungs-Thyristor kommutiert und der Strom Icb fällt auf Null ab. Der Kommutierungs-Kondensator Cc und der Wider­ stand Rc sind so ausgelegt, daß dieser Zeitpunkt im wesentli­ chen mit dem Zeitpunkt zusammenfällt, bei dem die induktive Energie des Wechselrichters 10 vollständig in die Schutz­ schaltung 50 übertragen ist. Der Widerstandsstrom Irc steigt mit der Kondensatorspannung Vcc und entlädt dann den Konden­ sator Cc vom Zeitpunkt t2 an, wobei der Kondensator Cc even­ tuell vollständig entladen wird, wodurch die Schutzschaltung 50 für das nächste Erfassen eines Überstrom- oder Überspan­ nungs-Zustandes rückgestellt wird.

Wie vorstehend angezeigt, sind der Kondensator Cc und der Wi­ derstand Rc so ausgelegt, daß im wesentlichen die gesamte im Wechselrichter 10 gespeicherte Energie in die Schutzschal­ tung 50 übertragen wird, wenn der Kommutierungs-Thyristor Qc zum Zeitpunkt t1 in Abschaltung kommutiert wird. Die Größe (der Kapazitätswert) des Kondensators Cc beruht so auf der Energiespeicherfähigkeit der Wechselrichter-Induktivität. Insbesondere sollte der Kapazitätswert ausreichend hoch sein, um die maximale Kondensator-Spannung auf einen siche­ ren Pegel zu begrenzen; typischerweise beträgt die Kommutie­ rungs-Kapazität annähernd 5-10% der Kapazität des Filterkon­ densators Cf. Der Widerstand Rc wird aufgrund zweier Überle­ gungen ausgewählt: Begrenzen des Spannungs-Überschießens an der Zufuhrseite des Reihen-Thyristors Qm und Entwickeln einer ausreichenden Spannung zum Kommutieren des Thyristors Qc. Sobald der Wert für den Kondensator Cc gewählt ist, kann mathematisch oder durch Versuche ein entsprechender Wider­ standswert festgelegt werden.

Die Schutzschaltung nach der Erfindung wurde mit Bezug auf die dargestellte Ausführung beschrieben, ist jedoch keines­ wegs auf diesen Einsatz begrenzt. Zum Beispiel kann die Gleichstrom-Versorgungsspannung durch eine Batteriepackung oder eine andere Quelle geliefert werden.

Claims (7)

1. Motor-Ansteueranordnung, welche umfaßt eine Quelle (10) zum Entwickeln einer Gleichstrom-Versorgungsspannung über zwei Gleichstrom-Versorgungsklemmen (60, 62); und Inver­ termittel (25) zum Zuführen von Wechselstrom an eine oder mehrere Motorwicklungen (12a-c) von zwei Gleichstrom-Last­ klemmen (66, 68); gekennzeichnet durch Mittel, die einen ersten Thyristor (Qm) enthalten zum Verbinden der Gleich­ strom-Versorgungsklemmen mit den Gleichstrom-Lastklemmen des Invertermittels, wobei der erste Thyristor so ausge­ legt ist, daß er bei Anlegen eines Zündsignals die Quelle freigibt, Laststrom zu dem Invertermittel zu leiten; eine Kommutierungs-Schaltung einschließlich eines zweiten Thy­ ristors (Qc) und eines Kommutierungs-Kondensators (Cc), die in Reihe an die Gleichstrom-Versorgungsklemmen ange­ legt sind, wobei der zweite Thyristor ausgelegt ist bei Anlegen eines Zündsignals den durch die Quelle (10) zuge­ führten Strom abzuleiten; und Steuermittel (52), das in Reaktion auf einen erfaßten Fehlerzustand während des Zu­ führens von Laststrom durch das Invertermittel (25) wirk­ sam ist, das am ersten Thyristor angelegte Zündsignal zu unterbrechen und ein Zündsignal an den zweiten Thyristor anzulegen, dadurch den ersten Thyristor zum Abtrennen der Quelle von dem Invertermittel zu kommutieren und zeitwei­ lig einen Stromweg für die Quelle durch den zweiten Thyri­ stor aufrechtzuerhalten.

2. Motor-Ansteueranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Invertermittel (25) einen über die Gleichstrom-Lastklemmen (66, 68) angeschlossenen Filter­ kondensator (Cf) enthält, und der erste Thyristor (Qm) während des erfaßten Fehlerzustandes durch einen von dem Filterkondensator zu dem Kommutierungs-Kondensator (Cc) fließenden Strom kommutiert wird.

3. Motor-Ansteueranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kommutierungs-Kreis einen paral­ lel zu dem Kommutierungs-Kondensator (Cc) angeschlossenen Widerstand (Rc) zum Begrenzen der über dem Kommutierungs- Kondensator entwickelten Spannung enthält.

4. Motor-Ansteueranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Invertermittel (25) wäh­ rend des erfaßten Fehlerzustandes seinen Betrieb fort­ setzt und dadurch trotz der Abtrennung der Quelle (10) von dem Invertermitel einen Stromweg für die Motorwicklun­ gen (12a-c) aufrechterhält.

5. Motor-Ansteueranordnung nach Anspruch 1 für einen Wechsel­ strom-Fahrmotor, dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle (10) eine motorgetriebene Maschine zum Entwickeln der Gleichstrom-Versorgungsspannung über die beiden Gleich­ strom-Versorgungsklemmen (60, 62) enthält, und daß das Steuermittel (52) das Zündsignal dem zweiten Thyristor (Qc) anlegt, wodurch in der Quelle (10) gespeicherte in­ duktive Energie an den Kommutierungs-Kondensator (Cc) übertragen wird.

6. Motor-Ansteueranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Kommutierungs-Kreis einen parallel zu dem Kommutierungs-Kondensator (Cc) angeschlossenen Wider­ stand (Rc) zum Begrenzen der über dem Kommutierungs-Kon­ densator entwickelten Spannung enthält.

7. Motor-Ansteueranordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Invertermittel (25) während des erfaßten Fehlerzustandes seinen Betrieb fortsetzt und da­ durch trotz der Abtrennung der Quelle (10) von dem Inver­ termitel einen Stromweg für die Fahrmotorwicklungen (12a-c) aufrechterhält.