AT514765A2 - Schaltung zur Begrenzung von Gleichtaktspannungen - Google Patents

Abstract

Schaltung zur Reduzierung von Gleichtaktspannungen in indirekten Umrichtersystemen mit einem Gleichspannungszwischenkreis (1) für Drehstrom- bzw. Dreiphasenwechselstrommaschinen (10), wobei der Gleichspannungszwischenkreis (1) eine erste Diode (3) mit einer Durchlassrichtung und eine in Serie geschaltete zweite Diode (4) mit gleicher Durchlassrichtung wie die erste Diode (3) aufweist, über die beiden in Serie geschalteten Dioden (3, 4) ein negativer Strang (5) des Gleichspannungskreises (1) mit einem positiven Strang (6) des Gleichspannungszwischenkreises (1) verbunden ist und ein Punkt (7) zwischen erster Diode (3) und zweiter Diode (4) über zumindest einen Kondensator (8) mit der Masse (9) verbunden ist.

Description

Schaltung zur Begrenzung von Gleichtaktspannungen

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltung zur Begrenzung von Gleichtaktspannungenin indirekten Umrichtersystemen mit Gleichspannungszwischenkreis für Drehstrom- bzw.Dreiphasenwechselstrommaschinen.

Auf dem Gebiet der Drehstrom- bzw. Dreiphasenwechselstrommaschinen ist dieVerwendung von Umrichtern, welche aus einer Wechselspannung eine in der Frequenz undAmplitude unterschiedliche, andere Wechselspannung generieren weitläufig bekannt.

Diese Umrichtersysteme bestehen bekannterweise aus einem Netzumrichter und einemMaschinenumrichter mit einem dazwischen liegenden Gleichspannungszwischenkreis. DemNetzumrichter ist üblicherweise eine sogenannte Hoch setzerdrossel vorgeschalten. Dabeihandelt es sich um Induktivitäten, die zur Dämpfung, Funkentstörung, Kommutierung,

Strombegrenzung, Unterdrückung unerwünschter Frequenzen oder zur Energiespeicherungeingesetzt werden. Grundsätzlich kommt es durch die Schaltvorgänge im Netzumrichter undim Maschinenumrichter, zu Spannungssprüngen im Gleichspannungszwischenkreis gegenMasse. Durch die Induktivität der Hochsetzerdrossel und Kapazitäten gegen Erde, dievorwiegend in den geschirmten Motorzuleitungen und der Motorwicklung zu finden sind,entsteht durch die Schaltvorgänge von Netzumrichter und Maschinenumrichter einparasitärer Schwingkreis.

Da dadurch entstehende Störspannungen über den Maschinenumrichter an den Motor„durchgereicht“ werden, können zwischen Motorwicklungen und MasseGleichtaktspannungen auftreten. Je nach deren Höhe, können diese Schäden anMotorwicklungen und an Wicklungstemperatursensoren verursachen.

Zur Reduktion der Gleichtaktspannungen zeigt die DE 10 2007 008 765 A1 die Verwendungeines Induktiv-Kapazitiv-Filters zwischen Umrichterausgang und Motorwicklung. DieRückkopplung erfolgt über eine Leitung mit Dämpfungswiderstand der auf den Sternpunktvon drei Kondensatoren führt, welche mit den Eingangsanschlüssen des Umrichtersverbunden sind. Die Schaltung sieht weiters zusätzliche Kondensatoren an denAusgangsanschlüssen des Umrichters vor. Nachteilig ist, dass der gezeigte Filter nicht abeinem bestimmten Grenzwert begrenzt und somit nur fallweise aktiv ist, sondern zurReduktion während des gesamten Betriebs aktiviert ist, wodurch eine entsprechendeVerlustleistung während des gesamten Betriebs entsteht.

Weiters führt der Platzbedarf für die Bauteile zu einer entsprechend großenSchaltschrankkonstruktion und ist für Nachrüstungen schlecht geeignet.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, eine Begrenzung derGleichtaktspannung bei geringem Raumbedarf und einfacher Nachrüstbarkeit zuermöglichen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Gleichspannungszwischenkreiseine erste Diode mit einer Durchlassrichtung und eine in Serie geschaltete zweite Diode mitgleicher Durchlassrichtung wie die erste Diode aufweist, dass über die beiden in Seriegeschalteten Dioden ein negativer Strang des Gleichspannungskreises mit einem positivenStrang des Gleichspannungszwischenkreises verbunden ist und dass ein Punkt zwischenerster Diode und zweiter Diode über zumindest einen Kondensator mit der Masse verbundenist. Dies erlaubt tatsächlich nur bei Überschreitungsgefahr eine Begrenzung jenerGleichtaktspannungen, welche zwischen positivem Strang des Gleichspannungs¬zwischenkreises und Masse bzw. negativem Strang des Gleichspannungszwischenkreisesund Masse abfallen. Die Ober- bzw. Untergrenze, welche durch die Dimensionierung derbeiden Dioden bestimmt werden, stellt dabei der positive bzw. negative Wert derZwischenkreisspannung dar.

Eine Diode weist dabei bekanntermaßen einen n-dotierten Bereich als Kathode und einen p-dotierten Bereich als Anode auf. Als Durchlassrichtung wird eine Verschaltung bezeichnet,bei welcher die Anode am positiven Potential und die Kathode am negativen Potentialangeschlossen ist.

In vorteilhafter Weise sind eine Anode der ersten Diode mit dem negativen Strang und eineKathode der zweiten Diode mit dem positiven Strang des Gleichspannungszwischenkreisesverbunden. Die beiden in Serie geschalteten Dioden werden damit in Sperrrichtungbetrieben.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass vor dem Gleichspannungszwischenkreis jededer drei Phasen eines eingangsseitig am Umrichtersystem anliegenden Drehstromnetzesüber jeweils zumindest einen Rückführkondensator mit der Masse verbunden ist.

Dadurch kann die erfindungsgemäße Schaltung auch für bekannte TT (Terre Terre) und IT(Isole Terre) Netze genutzt werden, wobei auch für TN (Terre Neutre) Netze dieelektromagnetische Verträglichkeit verbessert wird. Bei TT-Netzen wird ein Trafosternpunktüber das Erdreich mit einem Anlagenerder und somit mit der Umrichtermasse zur Erdungverbunden. Bei IT-Netzen ist keine gemeinsame Erdung vorgesehen. Bei TN-Netzen ist, imGegensatz zu TT- und IT-Systemen, eine gemeinsame Erdung vorgesehen an welcher derSternpunkt des Transformators und der Umrichter über die PE-Leitung (zur Erdungvorgesehener Schutzleiter) angeschlossen sind.

Die gegenständliche Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 4näher erläutert, die beispielhaft, schematisch und nicht einschränkend eine vorteilhafteAusgestaltung der Erfindung zeigt. Dabei zeigt

Fig.1 einen Ausschnitt aus einem indirekten Umrichtersystem mitGleichspannungszwischenkreis nach Stand der Technik,

Fig.2 Spannungsverläufe im Gleichspannungszwischenkreis bei einem positivenSpannungssprung,

Fig.3 Spannungsverläufe im Gleichspannungszwischenkreis bei einem negativenSpannungssprung,

Fig.4 einen Ausschnitt aus einem indirekten Umrichtersystem mitGleichspannungszwischenkreis mit dem erfindungsgemäßen Gleichtaktfilter.

Figur 1 zeigt einen indirekten Umrichter mit Gleichspannung im Zwischenkreis, bestehendaus einem Dreiphasengleichrichter bzw. dem Netzumrichter 11, einemGleichspannungszwischenkreis 1 und einem ausgangsseitigen Wechselrichter bzw. demMaschinenumrichter 12. Der Vorteil der indirekten Umrichter besteht in einer weitgehendenEntkopplung des Ausganges vom Eingang über den Gleichspannungszwischenkreis 1.

Der Gleichspannungszwischenkreis 1 ist also in bekannterWeise zwischen demeingangsseitigen Dreiphasengleichrichter bzw. dem Netzumrichter 11 und demausgangsseitigen Wechselrichter bzw. dem Maschinenumrichter 12 angeordnet. DerartigeUmrichtersysteme finden zum Antrieb einer Drehstrom- bzw.Dreiphasenwechselstrommaschine 10 vielfache Anwendung. Der dargestellteZwischenkreiskondensator 13, welcher den negativen Strang 5 mit dem positiven Strang 6des Gleichspannungszwischenkreises 1 verbindet, dient bekanntermaßen zur energetischenKopplung auf eine gemeinsame Gleichspannungsebene bzw. zur Glättung derGleichspannung im Gleichspannungszwischenkreis.

Figur 2 zeigt einen Spannungsverlauf im Gleichspannungszwischenkreis 1 bei einempositiven Spannungssprung. Derartige Spannungssprünge entstehen, wie bereits eingangserwähnt, durch die Schaltvorgänge von Netzumrichter 11 und/oder Maschinenumrichter 12.

Figur 3 zeigt in ganz analoger Weise, Spannungsverläufe im Gleichspannungszwischenkreis1 bei einem negativen Spannungssprung.

Sowohl bei Figur 2 als auch in Figur 3 ist erkennbar, dass je nach positiven oder negativenSpannungssprung, die Zwischenkreisspannung UZk über- oder unterschritten wird. Ziel ist es jedoch, derartige Über- oder Unterschreitungen zu vermeiden und das Spannungsniveau ander Drehstrom- bzw. Dreiphasenwechselstrommaschine 10 auf die ZwischenkreisspannungUz«zu begrenzen.

Figur 4 zeigt in schematischer Form und in Anlehnung an Figur 1 das Blockschaltbild einesUmrichtersystems 2 für eine Drehstrom- bzw. Dreiphasenwechselstrommaschine 10 in einererfindungsgemäßen und vorteilhaften Ausgestaltung.

Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf den bereits im Zusammenhang mit Figur 1genannten Gleichspannungszwischenkreis 1.

Wie in Figur 4 erkennbar sind im Gleichspannungszwischenkreis 1 eines indirektenUmrichtersystems 2 für eine Drehstrom- bzw. Dreiphasenwechselstrommaschine 10 eineerste Diode 3 mit einer Durchlassrichtung und eine in Serie geschaltete zweite Diode 4 mitgleicher Durchlassrichtung wie die erste Diode 3 vorgesehen. Die Dioden 3, 4 weisen dabeiin bekannter Weise n-dotierte Bereiche als Kathoden und p-dotierte Bereiche als Anodenauf.

Die Durchlassrichtung bezeichnet eine Verschaltung, bei der die Anode mit einem positivenStrang 6 und die Kathode mit einem negativen Strang 5 verbunden ist. Im in Figur 4dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Anode der ersten Diode 3 mit dem negativenStrang 5 des Gleichspannungszwischenkreises 1 und die Kathode der zweiten Diode 4 mitdem positiven Strang 6 des Gleichspannungszwischenkreises 1 verbunden. Über die beiden in Serie geschalteten Dioden 3, 4 ist ein negativer Strang 5 mit einempositiven Strang 6 des Gleichspannungszwischenkreises 1 verbunden und ein Punkt 7zwischen erster Diode 3 und zweiter Diode 4 ist über einen Kondensator 8 mit der Masse 9verbunden. Die beiden in Serie geschalteten Dioden 3, 4 sind so in denGleichspannungszwischenkreis 1 angeordnet, dass die Anode der ersten Diode 3 mit demnegativen Strang 5 und die Kathode der zweiten Diode 4 mit dem positiven Strang 6 desGleichspannungszwischenkreises 1 verbunden sind. Die beiden in Serie geschaltetenDioden 3, 4 werden aufgrund ihrer Einbaulage im Gleichspannungszwischenkreis 1 inSperrrichtung betrieben.

Die dargestellte Schaltung stellt infolge der beiden Dioden 3 und 4 eineBegrenzungsschaltung dar und ist daher nur beim Überschreiten bzw. Unterschreiten einerZwischenkreisspannung Uzk aktiv und verursacht daher keine zusätzliche Verlustleistung imNormalbetrieb.

Die in der Figur 4 eingezeichneten Gleichtaktspannungen U1 und U2 werden in folgenderWeise auf die Zwischenkreisspannung +/- Uzk begrenzt:

Begrenzung 1: -Uzk ^ U1 < OV

Begrenzung 2: OV < U2 < Uzk

Der unter Begrenzung 1 angeführte Bereich sagt somit aus, dass die Spannung U1 zwarkleiner oder gleich Null sein darf, jedoch den Wert -UZk nicht unterschreitet. Der unterBegrenzung 2 angeführte Bereich sagt aus, dass die Spannung U2 zwar größer oder gleichNull sein darf, jedoch den Wert +UZk nicht überschreitet. Bei Über- oder Unterschreitung derZwischenkreisspannung Uzk setzt, durch die geeignete Auswahl der beiden Dioden 3 und 4,ein Stromfluss über den Kondensator 8 gegen Masse 9 ein. Bei der Auswahl, bzw.Dimensionierung der beiden Dioden 3 und 4 ist zu beachten, bei dem es ameingangsseitigen Dreiphasengleichrichter bzw. dem Netzumrichter 11 und demausgangsseitigen Wechselrichter bzw. dem Maschinenumrichter 12 zu einem gleichzeitigenSchaltvorgang kommt. In diesem Fall kann es zu erheblichen Spitzenströmen kommen, dadas bereits erwähnte schwingfähige System doppelt angeregt wird. Die Höhe derentsprechenden Spitzenströme ist unter anderem von der Summenamplitude deranregenden Spannung abhängig. Weiters hat die Dimensionierung der dem Netzumrichter11 üblicherweise vorgeschaltenen Hochsetzerdrossel 17 und der ggf. vorgesehenenRückführkondensatoren 14,15, 16 auf die genannten Spitzenströme entsprechendenEinfluss. Lediglich beispielhaft sei erwähnt, dass es beispielsweise bei Durchschnittsströmenvon etwa 6 Ampere zu Spitzenströmen kommen kann, welche im Bereich von 120 Ampereliegen.

Der Kondensator 8 entkoppelt den Gleichspannungszwischenkreis von der Masse und wirktbei hohen Frequenzen bekanntlich wie ein Kurzschluss. Kommt es an den bzw. an einer derbeiden Dioden 3, 4 zu einem Kurzschluss, wirkt der Kondensator 8 strombegrenzend. BeiVerzicht auf den Kondensator 8 würde bei einer defekten Diode 3, 4 ein Kurzschlussstromvon den drei Phasen u, v, w zum bereits erwähnten Trafosternpunkt fließen und ggf. denNetzstromrichter 11 zerstören.

Auf diese Weise begrenzt die erfindungsgemäße Schaltung die Gleichtaktspannungen U1und U2 auf das Niveau der Zwischenkreisspannung UZk wodurch die Spannungsbelastungder Wicklungen der Drehstrom- bzw. Dreiphasenwechselstrommaschine 10, aber auch vonnicht weiter dargestellten Sensoren, entsprechend reduziert wird.

Wie bereits erwähnt, zeigt Figur 4 eine vorteilhafte Ausgestaltung, bei welcher vor demGleichspannungszwischenkreis 1 jede der drei Phasen u, v, w eines eingangsseitig am

Umrichtersystem anliegenden Drehstromnetzes, über jeweils zumindest einenRückführkondensator 14, 15, 16 mit der Masse 9 verbunden ist. Die auftretendenÜberspannungen Ux, also jene Spannungsanteile, welche +UZk überschreiten oder-ϋζκunterschreiten, werden an das Umrichtersystem eingangsseitig über dieRückführkondensator 14, 15, 16 rückgeführt.

Der Vorteil der Rückführkondensatoren 14, 15 und 16 ergibt sich im Zusammenhang mitdem jeweils genutzten Drehstromnetz zur Energieversorgung. In Bezug auf dieEnergieversorgung, wird in bekannterWeise zwischen TN (Terre Neutre), TT (Terre Terre)und IT (Isole Terre) Netzen unterschieden.

Werden die Rückführkondensatoren 14, 15, 16 immer eingesetzt, ist keine weitereNetzbetrachtung notwendig und daher eine einfache Integration möglich. Dies erlaubt es, dieerfindungsgemäße Schaltung auch für bekannte TT (Terre Terre) und IT (Isole Terre) Netzezu nutzen.

Bei TT- und IT-Netzen ist keine gemeinsame Erdung vorgesehen. Aus diesem Grund gibt esauch keine gemeinsame Verbindung der Erdungen welche eine zuvor erwähnte Rückführungder Überspannung Ux erlauben würde. Wie erwähnt wäre ein Abbau der zuvor erwähntenÜberspannungen Ux über die jeweiligen getrennten Erdungen möglich. Da jedoch derenEigenschaften stark von Verlegung der Leitungen und deren Länge abhängig ist, kannbezüglich der Zeiten innerhalb derer ein Ausgleich bzw. Abbau der Überspannung Ux erfolgtkeine genaue Aussage getroffen werden. Durch die Verwendung derRückführkondensatoren 14,15,16 ist jedoch eine eindeutige Verbindung deren Länge undEigenschaften bekannt ist vorhanden. Dies erlaubt einen entsprechend definierten Abbaubzw. Ausgleich der Überspannung Ux. Für TN (Terre Neutre) Netze ist deren Nutzung vorteilhaft. Bei solchen Systemen ist, imGegensatz zu TT- und IT-Systemen, eine gemeinsame Erdung vorgesehen an welcher auchder Sternpunkt des Transformators angeschlossen ist. Ohne die Kondensatoren 14, 15, und16 würde der Ausgleichsstrom über den Sternpunkt des Transformators rückgeführt werden.Dabei handelt es sich um eine definierte und in ihren Eigenschaften bekannte Verbindung.Ihre Nutzung kann zu Problemen hinsichtlich der elektromagnetischen Verträglichkeit, alsozur gegenseitigen Beeinflussung verschiedener Geräte durch elektromagnetische Effekte,führen. Aus diesem Grund ist auch bei TN-Netzen die Nutzung der Rückführkondensatoren14,15,16 von Vorteil.

In diesem Zusammenhang sei erwähnt, dass bei einer Schaltung, wie sie beispielsweise inFigur 1 dargestellt ist, Kondensatoren in der Anordnung der Rückführkondensatoren 14, 15,und 16 in Figur 4 bereits vorgesehen sein können.

Deren Aufgabe besteht üblicherweise darin, die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV)des Schaltkreises zu verbessern. Dabei ist das Ziel, dass elektrische Anlagen oder Geräteeinander nicht durch ungewollte elektrische, magnetische oder elektromagnetische Effektenegativ beeinträchtigen. Insbesondere Umrichter erzeugen aufgrund derPulsweitenmodulation Störungen, welche angrenzende Geräte entsprechend beeinflussen.Für die hochfrequenten Schwingungen stellen die Kondensatoren einen Kurzschluss zurErde dar, weshalb sie entsprechend abgeleitet bzw. gedämpft werden. Üblicherweise liegt die Dimensionierung derartige Kondensatoren, zur Verbesserung derelektromagnetischen Verträglichkeit im Bereich >10pF. Diese Größe bzw. Dimensionierungist für die Übertragung bzw. Rückführung der Überspannung Ux völlig ausreichend. EinNachrüsten mit den Rückführkondensatoren 14, 15, und 16 ist daher nicht notwendig und esergibt sich eine vorteilhafte Doppelnutzung bereits vorhandener Bauteile.

Aufgrund der geringen Anzahl an notwendigen Bauteilen ist der Platzbedarf bei gleichzeitigerhoher Integrierbarkeit in bestehende Schaltungen entsprechend gering. Ein weiterer Vorteilbesteht darin, dass eine derartige Gleichtaktfilterlösung unabhängig von einerVersorgungsspannung, Taktfrequenz und Höhe der Zwischenkreisspannung UZk einsetzbarist.

Durch diese Vorteile ergibt sich somit eine optimale Nachrüstbarkeit bestehender Systeme.

Claims (3)

1. Patentansprüche 1. Schaltung zur Reduzierung von Gleichtaktspannungen in indirektenUmrichtersystemen mit einem Gleichspannungszwischenkreis (1) für Drehstrom- bzw.Dreiphasenwechselstrommaschinen (10), dadurch gekennzeichnet, dass derGleichspannungszwischenkreis (1) eine erste Diode (3) mit einer Durchlassrichtung undeine in Serie geschaltete zweite Diode (4) mit gleicher Durchlassrichtung wie die erste Diode (3) aufweist, dass über die beiden in Serie geschalteten Dioden (3, 4) ein negativer Strang(5) des Gleichspannungskreises (1) mit einem positiven Strang (6) desGleichspannungszwischenkreises (1) verbunden ist und dass ein Punkt (7) zwischen ersterDiode (3) und zweiter Diode (4) über zumindest einen Kondensator (8) mit der Masse (9)verbunden ist.
2. 2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anode der erstenDiode (3) mit dem negativen Strang (5) und eine Kathode der zweiten Diode (4) mit dempositiven Strang (6) des Gleichspannungszwischenkreises (1) verbunden ist.
3. 3. Schaltung nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass vor demGleichspannungszwischenkreis (1) jede der drei Phasen (u, v, w) eines eingangsseitig amUmrichtersystem anliegenden Drehstromnetzes, über jeweils zumindest einenRückführkondensator (14, 15, 16) mit der Masse (9) verbunden ist.