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Dokumentenidentifikation DE19537526A1 03.04.1997
Titel Elektrisch betriebenes Fahrzeug, insbesondere Triebfahrzeug
Anmelder ABB Daimler-Benz Transportation (Deutschland) GmbH, 16761 Hennigsdorf, DE
Erfinder Mues, Michael, Dipl.-Ing., 13595 Berlin, DE;
Ernst, Gerhard, Dr.-Ing., 16766 Kremmen, DE
Vertreter Rüthning, W., Dipl.-Ing., 12305 Berlin
DE-Anmeldedatum 29.09.1995
DE-Aktenzeichen 19537526
Offenlegungstag 03.04.1997
Veröffentlichungstag im Patentblatt 03.04.1997
IPC-Hauptklasse B60L 9/24
IPC-Nebenklasse H02M 1/12   
IPC additional class // B61L 1/18  
Zusammenfassung Die Erfindung bezieht sich auf ein elektrisch betriebenes Fahrzeug, insbesondere Triebfahrzeug, bei dem Drehstromfahrmotore über an einem Gleichspannungs-Zwischenkreis liegende Motorstromrichter betrieben werden, wobei der mindestens einen Netzfilter- oder Zwischenkreiskondensator enthaltende Gleichspannungs-Zwischenkreis direkt oder über Netzstromrichter, ggf. transformiert, vom Fahrleitungsnetz gespeist wird, parallel zum Netzfilter- oder Zwischenkreiskondensator die Reihenschaltung eines Bremswiderstandes und eines Bremsstellers liegt und der Bremssteller von einem ersten Steuer- und Regelglied abhängig von definierten Strom- und Spannungswerten im Zwischenkreis ansteuerbar ist. Um eine einfache Störstromkompensation mit hoher Regelgüte zu realisieren, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß der Bremssteller (7) zusätzlich über ein zweites Steuer- und Regelglied (12) zur Kompensation störender Stromkomponenten im Netz-Eingangsstrom oder Motorstromrichter-Eingangsstrom herangezogen wird. Der Bremssteller (7) wird zweckmäßig über ein Koppelglied (11) angesteuert, an das sowohl der Ausgang des ersten Steuer- und Regelgliedes (13) als auch der Ausgang des zweiten Steuer- und Regelgliedes (12) angeschlossen ist, das mit seinem Eingang über ein Meßglied (3 oder 14) störende Stromkomponenten im Netz-Eingangsstrom oder Motorstromrichter-Eingangsstrom erfaßt.

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf ein elektrisch betriebenes Fahrzeug, insbesondere Triebfahrzeug, gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Beim Betrieb von elektrisch betriebenen Fahrzeugen am Fahrleitungs- oder Stromschienennetz treten durch das Fahrzeug und durch die speisenden Unterwerke verursacht Netzrückwirkungen auf, die zur Störung von Signal- und Sicherungseinrichtungen des Fahrzeugbetreibers führen können. Gleisfreimeldeanlagen oder andere Signalanlagen der Bahnbetreiber sind oft unter Zuhilfenahme von niederfrequenten Gleisstromkreisen aufgebaut, die im Frequenzbereich von einigen 10 Hz bis zu einigen 100 Hz betrieben werden. Diese Gleisstromkreise arbeiten nach dem Prinzip der Erfassung des zwischen den Fahrschienen durch die Zugachsen gebildeten Querwiderstandes. Durch unzulässige Beeinflussungen dieser Gleistromkreise in Folge eines die Fahrschienen durchfließenden Störstromes kann ggf. ein besetzter Blockabschnitt als unbesetzt gemeldet werden, was verkehrsgefährdend ist. Um einen sicheren Betrieb dieser Sicherungseinrichtungen zu gewahrleisten, werden von den Bahnbetreibern strenge Anforderungen an die in diesen Frequenzbereichen zulässigen Störstromkomponenten im Netzstrom der Schienentriebfahrzeuge gestellt. Die dauernd zulässigen Störströme bewegen sich in der Regel im Bereich weniger 100 mA bis zu einigen A. Größere Amplituden sind in der Regel nur für einige 100 ms zulässig.

Stromanteile im Netzstrom mit gefährlichen Frequenzanteilen entstehen bei Stromrichterfahrzeugen bereits unter normalen Betriebsbedingungen. Sie werden verursacht durch den Einfluß der einspeisenden Unterwerke, durch Einkopplungen aus benachbarten Streckenabschnitten und durch Netzrückwirkungen der Triebfahrzeuge.

Der Einfluß der Unterwerke besteht in der Welligkeit der Ausgangsspannung, die über die Netz- und die Fahrzeug-Eingangsimpedanz einen Stromanteil treibt. Neben den dominierenden 300 Hz-Anteilen (Sechspulsbrücke) bzw. 600 Hz-Anteilen (Zwölfpulsbrücke) und deren Vielfachen in 50 Hz-Netzen treten durch Unterschiede in den Durchlaßspannungen der Gleichrichter und durch Einkopplungen aus Wechselspannungsnetzen auch 50 Hz-Komponenten auf.

Im Fahrzeug entstehen Störstromanteile durch:

  • taktende Arbeitsweise der Stromrichter.

    Rückwirkung der sechsfachen Motorgrundfrequenz und deren Vielfachen bei Drehstromantrieben.

    Rückwirkungen der einfachen Motorgrundfrequenz und deren Vielfachen bei Drehstromantrieben, verursacht durch Unsymmetrien.

    Unsymmetrien bei Gleichstrommotoren.

    Modulationsprodukte.

    fehlerhaftes Arbeiten der Antriebssteuerung.


Über die beschriebenen Entstehungsmechanismen hinaus treten in der Praxis zum Teil weitere Störstromanteile auf, die in der gleichen Größenordnung wie die zulässigen Werte und zum Teil sogar darüber liegen, so daß grundsätzlich Fahrzeuge ohne zusätzliche Unterdrückungs- und/oder Überwachungsmaßnahmen nicht betrieben werden dürfen.

Zur Verringerung der Störstromanteile im Netzstrom von Schientriebfahrzeugen ist es bekannt, die Induktivität oder Kapazität des Eingangsnetzfilters des Traktionskreises oder beide Werte zu vergrößern. Nachteilig dabei ist insbesondere die Massen- und Volumenzunahme der Traktionsausrüstung, meist verbunden mit Problemen bezüglich der Unterbringung der Ausrüstung und der Einhaltung der zulässigen Achsfahrmassen. Auch führt diese Maßnahme aufgrund der in den vergrößerten Filterelementen gespeicherten Energien zu Auslegungs- und Schutzproblemen bei der übrigen Traktionsausrüstung. Weiterhin sind die erheblich erhöhten Kosten zu erwähnen.

Eine weitere Möglichkeit zur Verringerung der Störstromanteile im Netzstrom besteht darin, die Zwischenkreiselemente des Traktionskreises zu vergrößern. Die Nachteile sind vergleichbar mit der vorbeschriebenen Vergrößerung des Eingangsnetzfilters.

Auch die zusätzliche Anordnung eines oder mehrerer Saugkreise für die zu unterdruckenden Frequenzbereiche im Traktionsbereich kann hilfreich sein. Auch hier sind die Nachteile vergleichbar mit der Vergrößerung des Eingangsnetzfilters.

Bekannt ist darüberhinaus die Verwendung optimierter Pulsmuster für die Stromrichtersteuerung zur Unterdruckung bestimmter regulär auftretender Frequenzanteile. Nachteilig hierbei ist, daß z. B. durch Unsymmetrien verursachte, nicht im voraus bestimmte Störstromanteile und auch durch Unterwerk und Einkopplung verursachte Komponenten nicht unterdruckbar sind.

Bekannt sind auch aktive Störstromkompensationen durch Einsatz hochtaktender zusätzlicher Blindleistungs-Stromrichter. Hierbei werden die zu unterdruckenden Netzstromanteile erfaßt, mit einem Sollwert (in der Regel 0) verglichen und über einen Kompensationsregler dem Blindleistungsstromrichter zugeführt. Dieser kann als Kompensationsstromquelle parallel zum Kondensator des Eingangsnetzfilters oder als Kompensationsspannungsquelle in den Zwischenkreisstrom- oder Netzstrompfad geschaltet sein. Nachteilig ist hierbei der zusätzliche Aufwand für die Realisierung des Blindleistungsstromrichters.

Interessant ist auch eine aktive Störstromkompensation durch zusätzliche Nutzung des Störstromrichters als Stellglied für die Kompensationsregelung. Nachteilig ist hierbei, daß die Taktfrequenz des Störstromrichters in den für die Beeinflussung mäßgeblichen Arbeitspunkten ein Mehrfaches der höchsten zu unterdruckenden Frequenz betragen muß, damit eine wirkungsvolle Störstromkompensation möglich ist. Weiterhin kann es durch die Vermaschung von Antriebs- und Störstromkompensationsregelung zu gegenseitigen Beeinflussungen kommen, wodurch die Regelgute eines oder beider Regelkreise verschlechtert wird.

Bekannt ist ferner eine aktive Störstromkompensation durch zusätzliche Nutzung des Netzstromrichters, sofern vorhanden, als Stellglied für die Kompensationsregelung. Die Nachteile entsprechen denen der Nutzung des Motorstromrichters als Stellglied.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache Störstromkompensation mit hoher Regelgüte zu realisieren. Diese Aufgabe wird für ein elektrisch betriebenes Fahrzeug, insbesondere Triebfahrzeug der eingangs genannten Art, gemäß den kennzeichnenden Merkmalen der Ansprüche 1 oder 3 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den weiteren Ansprüchen entnehmbar. Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß eine Störstromkompensation unter Zuhilfenahme eines vorhandenen Stellgliedes realisiert werden kann, ohne daß die Regelgüte der Netzstromrichterregelung und/oder der Störstromrichterregelung darunter leidet.

Anhand der in der Zeichnung dargestellten schematischen Ausführungsbeispiele wird die Erfindung im nachstehenden näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 die Schaltung eines Drehstromantriebes mit selbstgeführtem Wechselrichter, Gleichspannungszwischenkreis, sowie Gleichspannungseinspeisung und Störstromerfassung im Netzkreis

Fig. 2 die Schaltung mit Störstromerfassung im Gleichspannungszwischenkreis

Fig. 3 die Schaltung mit Zusatzbremsteller und Störstromerfassung im Netzkreis.

In Fig. 1 ist eine Traktionsschaltung eines Schienentriebfahrzeuges mit Gleichspannungs-Zwischenkreis und selbstgeführtem Wechselrichter 8 bei Speisung mit Gleichspannung dargestellt. Das Schienentriebfahrzeug wird über einen Stromabnehmer 1 und Hauptschalter 2 sowie über das Rad-Schiene-System 10 an eine Fahrleitungs-Gleichspannung gelegt. Dem Hauptschalter 2 folgen ein Meßglied 3 zur Erfassung des Netzstromes, eine Netzfilterdrossel 4 sowie ein Netzfilter- oder Zwischenkreiskondensator 5. Parallel zum Netzfilter- oder Zwischenkreiskondensator 5 sind eine Reihenschaltung aus einem Bremswiderstand 6 und einem Bremssteller 7 sowie der selbstgeführte Wechselrichter 8, der ausgangsseitig einen oder mehrere Drehstromfahrrotoren 9 speist, angeordnet.

Die Aussteuerung des Bremsstellers 7 wird durch zwei Steuer- und Regelglieder 12 und 13 festgelegt. Das Steuer- und Regelglied 13 erfaßt die Spannung am Netzfilter-oder Zwischenkreiskondensator 5 und den Strom durch das Meßglied 3 und begrenzt in an sich bekannter Weise die Spannung am Netzfilter- oder Zwischenkreiskondensator 5 durch Ansteuerung des Bremsstellers 7 über das Koppelglied 11 so, daß ein festgelegter Grenzwert im Bremsbetrieb oder im Fahr- und Bremsbetrieb nicht überschritten wird.

Dem Steuer- und Regelglied 12 wird der Netzstrommeßwert des Meßgliedes 3 zugeführt. Dieser Netzstrommeßwert wird bezüglich der zu kompensierenden Stromanteile im Steuer- und Regelglied bewertet und über das Koppelglied 11, das die Ausgangssignale der Steuer- und Regelglieder 12 und 13 miteinander verkoppelt, wird die Aussteuerung des Bremsstellers 7 so variiert, daß der durch das Meßglied 3 fließende störende Stromanteil kompensiert wird.

Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführung. Hier erfolgt die Erfassung des zu unterdrückenden Störstromanteils jedoch im Zwischenkreis durch ein gesondertes Zwischenkreisstrom-Meßglied 14. Mit dieser Schaltungsanordnung wird allerdings nur eine Kompensation des durch das Fahrzeug verursachten Störstromanteils bewirkt, während der durch Unterwerk und Einkopplung beeinflußte Anteil unbeeinflußt bleibt.

Fig. 3 zeigt eine weitere Traktionsschaltung eines Schienentriebfahrzeuges, bei der ein Zusatz-Bremssteller Verwendung findet. Parallel zum Netzfilter- oder Zwischenkreiskondensator 5 sind ein Zusatzwiderstand 15 und ein Zusatzsteller 16 angeordnet. Der Bremssteller 7 und der Bremswiderstand 6 dienen hierbei der Begrenzung der Spannung am Netzfilter- oder Zwischenkreiskondensator 5, während der Zusatzsteller 16 und der Zusatzwiderstand 15 der Kompensation störender Stromanteile dienen.

Die dargestellten Schaltungsprinzipien sind sinngemäß anwendbar auf Gleichspannungs-, Wechselspannungs- und Mehrsystemfahrzeuge mit im Zwischenkreis angeordneter Reihenschaltung aus Bremswiderstand und Bremssteller, wobei sich zwischen Zwischenkreis und dem speisenden Netz ein oder mehrere Netzstromrichter und ggf. weitere Übertragungselemente (z . B. Haupttransformator) befinden können.


Anspruch[de]
  1. 1. Elektrisch betriebenes Fahrzeug, insbesondere Triebfahrzeug, bei dem Drehstromfahrmotore über an einem Gleichspannungs-Zwischenkreis liegende Motorstromrichter betrieben werden, wobei der mindestens einen Netzfilter- oder Zwischenkreiskondensator enthaltende Gleichspannungs-Zwischenkreis direkt oder über Netzstromrichter, ggf. transformiert vom Fahrleitungsnetz gespeist wird, parallel zum Netzfilter- oder Zwischenkreiskondensator die Reihenschaltung eines Bremswiderstandes und eines Bremsstellers liegt und der Bremssteller von einem ersten Steuer- und Regelglied abhängig von definierten Strom- und Spannungswerten im Zwischenkreis ansteuerbar ist. dadurch gekennzeichnet, daß der Bremssteller (7) zusätzlich über ein zweites Steuer- und Regelglied (12) zur Kompensation störender Stromkomponenten im Netz- Eingangsstrom oder Störstromrichter-Eingangsstrom herangezogen wird.
  2. 2. Elektrisch betriebenes Fahrzeug nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß der Bremssteller (7) über ein Koppelglied (11) angesteuert wird, an das sowohl der Ausgang des ersten Steuer- und Regelgliedes (13) als auch der Ausgang des zweiten Steuer- und Regelgliedes (12) angeschlossen ist, das mit seinem Eingang über ein Meßglied (3 oder 14) störende Stromkomponenten im Netz-Eingangsstrom oder Störstromrichter-Eingangsstrom erfaßt.
  3. 3. Elektrisch betriebenes Fahrzeug, insbesondere Triebfahrzeug, bei dem Drehstromfahrmotore über an einem Gleichspannungs-Zwischenkreis liegende Motorstromrichter betrieben werden wobei der mindestens einen Netzfilter- oder Zwischenkreiskondensator enthaltende Gleichspannungs- Zwischenkreis direkt oder über Netzstromrichter, ggf. transformiert vom Fahrleitungsnetz gespeist wird, parallel zum Netzfilter- oder Zwischenkreiskondensator die Reihenschaltung eines Bremswiderstandes und eines Bremsstellers liegt und der Bremssteller von einem ersten Steuer- und Regelglied abhängig von definierten Strom- und Spannungswerten im Zwischenkreis ansteuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Reihenschaltung von Bremssteller (7) und Bremswiderstand (6) die Reihenschaltung eines Zusatzstellers (16) und eines Zusatzwiderstandes (15) parallel geschaltet ist, wobei der Zusatzsteller (16) über ein zweites Steuer- und Regelglied (12) zur Kompensation störender Stromkomponenten im Netz-Eingangsstrom oder Motorstromrichter-Eingangsstrom herangezogen wird.
  4. 4. Elektrisch betriebenes Fahrzeug nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Steuer- und Regelglied (12) mit seinem Ausgang den Zusatzsteller (16) steuert und mit seinem Eingang über ein Meßglied (3) störende Stromkomponenten im Netz-Eingangsstrom erfaßt.






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