AT410999B

AT410999B - Stromrichtergespeiste antriebseinheit

Info

Publication number: AT410999B
Application number: AT20312000A
Authority: AT
Inventors: Wilhelm Dipl Ing Bonatz
Original assignee: Elin Ebg Traction Gmbh
Priority date: 2000-12-05
Filing date: 2000-12-05
Publication date: 2003-09-25
Also published as: ATA20312000A

Description

Die Erfindung betrifft eine stromrichtergespeiste Antriebseinheit, bestehend aus einem örtlich getrennten Stromrichter (C) und Elektromotor (M), verbunden mittels einer Leitung, sowie einem Filter (F) mit zumindest einer Filterinduktivität.

Filter, die eine konzentrierte Filterinduktivität beinhalten, sind aus gängigen Lehrbüchern, wie beispielsweise Herter et al, "Nachrichtentechnik, Übertragung und Verarbeitung", Carl Hanser Verlag München Wien 1976, S. 148, 153, 155, Möeller et al "Grundlagen der Elektrotechnik, B. G.

Teubner Stuttgart, 16. Auflage 1976, S. 362, Kapitel 7. 2. 4. 3 und S. 436, Kapitel 8 und Telefunken Laborbuch für Entwicklung, Werkstatt und Service, Band 1, Franzis Verlag München, 7. Ausgabe 1965, S. 95f, S. 143-145, bekannt. Solche herkömmlichen Filter haben den Nachteil, dass die als Filterinduktivität verwendeten Spulen bei hohen Strömen, Betriebsströme von einigen hundert Ampere, sehr gross und schwer werden, wodurch der Aufwand und der Platzbedarf eines solchen Filters unverhältnismässig rasch steigt. Solche Betriebsströme sind beispielsweise bei elektrischen Antriebseinheiten aus einem Stromrichter und einem Elektromotor sehr oft vorzufinden. Aufgrund der hohen Steilheiten der Spannungsänderungen, hervorgerufen durch die in dem Stromrichter heutzutage verwendeten, schnellen Halbleiterschaltern (z. B.

IGBT), ist die Aufteilung der Spannung über die einzelnen Windungen der Motorwicklung nicht mehr gleichförmig, so dass am Wicklungsanfang der grösste Teil der angelegten Gesamtspannung abfällt. Diese Überspannung an den ersten Windungen der Motorwicklung kann zur Zerstörung der Isolation und zum nachfolgenden Kurzschluss führen. Als weiterer unerwünschter Effekt der hohen Steilheiten entstehen Überspannungen bis zum doppelten Spannungswert der Stromrichter-Ausgangsspannung durch Reflexion der hinlaufenden Spannungswelle. Zusätzlich steigt die Abstrahlung elektromagnetischer Felder mit der Steilheit der Spannungsänderung, was zu Problemen mit entsprechenden Richtlinien bzw.

Vorschriften führen kann.

All diese Nachteile führen zu der Forderung, die Steilheit der Spannungsänderungen, durch geeignete Massnahmen, auf ein gewisses Mass zu begrenzen. Diese Begrenzung kann entweder durch die Ansteuereinheit im Stromrichter oder durch ein Filter bewerkstelligt werden.

Aus der EP 682 402 A 1 ist nun eine solche Anordnung mit einem Filter bekannt, wobei zusätzlich in Serie zum Filter eine stromkompensierte Drossel als zusätzliche Induktivität geschaltet ist, um Störungen hervorgerufen durch unsymmetrische Spannungen gegenüber dem Erdpotential ausgeschaltet oder weitestgehend reduziert werden.

Eine solche Anordnung geht ebenfalls aus der EP 829 948 A2 hervor, wobei der Gegenstand dieser Anmeldung darauf abzielt, die Resonanzfrequenz des Filters wirksam zu bedämpfen, ohne dass die Verluste zu gross werden, was durch die selektive Bedämpfung der Resonanzfrequenz des Filters erreicht wird.

Die vorliegende Erfindung setzt sich nun das Ziel, eine stromrichtergespeiste Antriebseinheit mit einem Filter zwischen Stromrichter und Motor anzugeben, das ohne übermässig grosse und schwere Spule als Induktivität auskommt.

Diese Aufgabe wird durch die Erfindung dadurch gelöst, indem das Filter (F) in der Leitung in einem Abstand zum Stromrichter (C) angeordnet ist, sodass der Anteil der Leitungsinduktivität (LL) der Leitung zwischen dem Stromrichter (C) und dem Filter (F) zumindest 10% der Filterinduktivität ausmacht.

Dadurch, dass man gezielt die innere Induktivität der Leitung ausnutzt, kann man eine wesentlich kleiner dimensionierte Drosselspule einsetzen, oder idealer Weise sogar ganz darauf verzichten, was die Baugrösse und die Kosten eines solchen Filters verringert.

In sehr günstigen Ausführungsvarianten wird die Filterinduktivität zumindest zu 25%, 50% oder 75% aus der Leitungsinduktivität der Eingangsleitung gebildet. Ganz besonders günstig ist es, wenn die Filterinduktivität zu 100% aus der Leitungsinduktivität der Eingangsleitung gebildet ist, da man dann vollständig auf eine zusätzliche Induktivität, in Form einer Drosselspule, verzichten kann.

Eine vorteilhafte Ausführungsform ergibt sich, wenn die Filterkapazität in Serie zur Leitungsinduktivität angeordnet ist und die Filterausgangsspannung an der Filterkapazität abgreifbar ist.

Der Einsatz eines Filters wird verbessert, wenn für das Filter eine Dämpfungsgruppe, bestehend aus zumindest einem Dämpfungswiderstand, vorgesehen ist und die parallel zur Filterkapazität, in Form eines zu einer Dämpfungskapazität in Serie geschalten Dämpfungswiderstandes, angeordnet ist und damit die Dynamik und Dämpfung bzw. das Mass an Überschwingen einstellbar ist. Durch diese Dämpfungsgruppe hat man die Möglichkeit, die Form des Ausgangssignals noch

weiter gezielt zu beeinflussen. Ganz besonders günstig ist es, wenn der Dämpfungswiderstand in der Grössenordnung des Wellenwiderstandes der Eingangsleitung ist, womit man die Wellenreflexi- onen an der Abschlussstelle gering halten kann.

Die Dämpfungsgruppe ist vorteilhafter Weise so ausgeführt, dass der Dämpfungswiderstand und/oder die Dämpfungskapazität hinsichtlich einer minimalen Verlustleistung der Dämpfungsgruppe optimiert sind. Da die Verlustleistung bei hohen Betriebsspannungen bzw. Schaltfrequenzen beträchtlich werden kann und abgeführt werden muss, ist es sinnvoll, die Dämpfungsgruppe auf eine minimale Verlustleistung auszulegen.

Günstig für das Filter ist es, wenn die Filterkapazität so wählbar ist, dass die Spannungssteilheit der Filterausgangsspannung durch einen vorgebbaren Grenzwert begrenzt ist oder alternativ die Spannungssteilheit der Filterausgangsspannung Um messbar ist und die Filterkapazität automatisch zur Erreichung einer vorgegebenen Spannungssteilheit der Filterausgangsspannung verstellbar ist. Da die Induktivität durch die Eingangsleitung vorbestimmt ist, wird die Steilheit der Ausgangsspannung am einfachsten durch die Filterkapazität festgelegt.

Eine ganz besonders günstige Anwendung findet das Filter zur Filterung von hohen Betriebsströmen, beispielsweise mit Strömen von > 100A. Für solche Ströme sind Leitungen mit einem grossen Querschnitt notwendig, die unter Ausnützung ihrer inneren Induktivität sehr effektiv, ohne zusätzliche Drosselspule, in ein erfindungsgemässes Filter eingebunden werden können, da ansonsten eine entsprechende konzentrierte Drosselspule mit mindestens dem gleichen Querschnitt aufgebaut werden müsste.

Ein Filter in einer stromrichtergespeisten Antriebseinheit wird vorteilhaft zwischen Stromrichter und Elektromotor geschaltet, wobei für jede vorhandene Phase des Wechselstromes ein Filter vorgesehen wird, die ausgangsseitig in einem internen Sternpunkt miteinander verbunden sind.

Das Betriebsverhalten einer stromrichtergespeisten Antriebseinheit kann verbessert werden, wenn zwischen internem Sternpunkt und Stromrichterbezugspotential eine Kapazität angeordnet wird, da dann nicht nur symmetrische Aussteuerungen, sondern auch asymmetrische Aussteuerungen filterbar sind.

Eine besonders einfache Ausführung erhält man, wenn die Filterkapazitäten, die Dämpfungskapazitäten und die Kapazität zwischen Stromrichterbezugspotential und internen Sternpunkt gleich gross gewählt werden.

Die Erfindung wird anhand der in den Figuren 1 bis 3 dargestellten, nicht einschränkenden Ausführungsbeispiele und Diagramme beschrieben. Die Figuren stellen dabei dar :
Fig. 1 ein Schaltbild eines erfindungsgemässen Filters mit einer Dämpfungsgruppe,
Fig. 2 ein Schaltschema einer stromrichtergespeisten Antriebseinheit mit einer Filter- und
Dämpfungsgruppe und
Fig. 3 den gemessenen Spannungs- und Stromverlauf am Eingang und am Ausgang eines
Filters.

Aus dem bekannten Ersatzschaltbild einer elektrischen Leitung kann man in guter Näherung die Serien- und Ableitwiderstände der Leitung vernachlässigen. Vernachlässigt man auch noch die Leitungskapazität, reduziert sich das Ersatzschaltbild der Leitung in bekannter Weise zu einer aufsummierten Leitungsinduktivität LL. Daraus ergibt sich in weiterer Folge das Schaltbild eines erfindungsgemässen Filters nach Fig.

Claims

1. In Fig. 1 ist die Leitungsinduktivität LL der Leitung in Serie zu einer Filterkapazität CF geschalten. Die Ausgangsspannung Um wird an der Filterkapazität CF abgegriffen und ergibt sich aus der Filtereingangsspannung Ud, die beispielsweise von einem nicht dargestellten Stromrichter geliefert wird. Die Filterkapazität CF wird so ausgelegt, dass die Steilheit der Filterausgangsspannung Um durch das aus Leitungsinduktivität LL und Filterkapazität CF entstehende Filter F auf ein vorgegebenes Mass beschränkt wird. Dabei ist die Leitungsinduktivität LL aus der Spezifikation der verwendeten Leitung bekannt und ergibt sich im Wesentlichen aus der inneren Induktivität der Leitung. Ausgehend von einer bestimmten Leitungslänge, die die Leitungsinduktivität LL bestimmt, wird die erforderliche Filterkapazität CF berechnet. Für alle Leitungen, mit den gleichen Spezifikationen, die länger als diese Ausgangslänge sind, kann dann das Filter F ebenfalls verwendet werden, da durch die grössere Leitungsinduktivität LL die Filterwirkung noch weiter verstärkt wird und folglich auch die Steilheit der Filterausgangsspannung Um noch weiter eingeschränkt wird. Natürlich ist es auch möglich die Filterkapazität CF für jeden Anwendungsfall einzeln zu be- <Desc/Clms Page number 3> rechnen und die Filterkapazität CF jedes Mal entsprechend neu auszulegen. Auch ist es denkbar die Filterkapazität CF automatisch auf den richtigen Wert einzustellen. Dazu kann die momentane Steilheit der Filterausgangsspannung Um gemessen werden und die Filterkapazität CF entsprechend verstellt werden, z. B. mittels einer verstellbaren Kapazität, bis die Vorgabe an die Steilheit der Filterausgangsspannung Um erreicht wird. Da die Leitungsinduktivität LL gemeinsam mit der Filterkapazität CF einen Schwingkreis bildet, wird sinnvoller Weise eine Dämpfungsgruppe D eingefügt. Diese Dämpfungsgruppe D besteht in diesem Ausführungsbeispiel aus einer Dämpfungskapazität CD und einem in Serie geschalteten Dämpfungswiderstand Ro. Diese Dämpfungsgruppe D ist hier parallel zur Filterkapazität CF geschaltet und wird so ausgelegt, dass der Grad der Dämpfung, bzw. das damit verbundene Überschwingen der Filterausgangsspannung Um begrenzt wird, z. B. auf maximal 40% Überschwingen. Die Dämpfungskapazität CD dient in erster Linie dazu den Dämpfungswiderstand Ro, der günstigerweise in der Grössenordnung des Wellenwiderstandes der Eingangsleitung gewählt wird, vom Gleichstromanteil zu entkoppeln, wodurch nur mehr der dynamische Vorgang gedämpft wird. Durch das Einfügen eines Dämpfungswiderstandes Ro ergibt sich natürlich eine gewisse Verlustleistung Pv, die abgeführt werden muss. Diese Dämpfungsgruppe D kann auch beliebig anders ausgeführt sein, und liegt letztendlich im Entscheidungsbereich eines entsprechenden Fachmannes. Grundsätzlich könnte der Dämpfungswiderstand Ro z. B. ebenso in Serie oder parallel zur Leitungsinduktivität LL geschaltet sein. Die Fig.

2 zeigt anhand eines Ausführungsbeispieles ein erfindungsgemässes Filter F integriert in einer dreiphasigen stromrichtergespeisten Antriebseinheit. Ein dreiphasiger Elektromotor M wird dabei über drei Leitungen, eine pro Phase R, S, T, von einem Stromrichter C gespeist. Zwischen Stromrichter C und Elektromotor M ist ein Filter F geschaltet, in der für jede Phase R, S, T ein Filter gemäss der obigen Beschreibung implementiert ist. An jeder Phase R, S, T ist in Serie zur Leitungsinduktivität LL dieser Phase eine Filterkapazität CF geschaltet, die ausgangsseitig in einem internen Sternpunkt SPF miteinander verbunden sind. Zwischen diesem internen Sternpunkt SPF und dem Stromrichterbezugspotential, üblicherweise das Zwischenkreispotential des Stromrichters C, welches geerdet oder hochfrequenzmässig an Erde gebunden ist, ist eine weitere Kapazität, in diesem Ausführungsbeispiel in der Grösse der Filterkapazität CF, geschaltet. Der interne Sternpunkt SPF kann natürlich auch isoliert bleiben. In der vorliegenden Ausführungsform mit angeschlossenem Sternpunkt SPF und zusätzlicher Kapazität, ergibt sich die Filterwirkung sowohl für Spannungsänderungen zwischen den drei Phasen R, S, T, also bei asymmetrischer Aussteuerung, als auch für Schalthandlungen, bei denen gleichzeitig mehrere Phasen in die gleiche Richtung geschaltet werden, sprich bei symmetrischer Aussteuerung. Diese Kapazität zwischen internen Sternpunkt SPF und Stromrichterbezugspotential kann natürlich auch entfallen, wobei dann konsequenterweise nur asymmetrische Aussteuerungen, also Gegentaktsignale, gefiltert werden. Die Zuleitungen von den drei Phasen R, S, T zu den einzelnen Filterkapazitäten CF müssen dabei möglichst kurz gehalten werden, da ansonsten auf diesen Zuleitungen ein induktiver Spannungsabfall in unerwünschter Höhe, hervorgerufen durch einen induktiven Spannungsteiler, auftritt. Ebenfalls ist ausgehend von jeder Phase R, S, T eine, in sinnvoller Weise für jede Phase R, S, T gleich dimensionierte, Dämpfungsgruppe D aus einer Dämpfungskapazität CD und einem Dämpfungswiderstand Ro parallel zur Filterkapazität CF geschaltet. Die einzelnen Dämpfungsgruppen sind wiederum ausgangsseitig in einem internen Sternpunkt SPD miteinander verbunden und dieser ist mit dem Stromrichterbezugspotential verbunden. Die in den Dämpfungswiderständen Ro anfallende Verlustleistung Pv muss bei Bedarf abgeführt bzw. weggekühlt werden. Um die Filtergruppe F durch die entstehende Verlustleistung Pv nicht unnötigerweise zu erhitzen, ist die Dämpfungsgruppe D hier ausserhalb der Filtergruppe F angeordnet. Dies ist möglich, da durch die bereits vorliegenden niedrigen Flankensteilheiten der Filterausgangsspannung Um die Anschlusslängen nicht mehr kritisch sind. Da die Dämpfungskapazitäten CD lediglich eine Entkopplung der Dämpfungswiderstände Ro vom Betriebsstromkreis darstellen, ist es auch möglich die Dämpfungskapazitäten CD in die Filtergruppe F zu integrieren und lediglich die Dämpfungswiderstände Ro herauszuführen, wodurch auch die Dämpfungskapazitäten CD nicht mehr durch die Verlustleistung Pv unnötigerweise erhitzt werden. <Desc/Clms Page number 4> In Fig. 3 sind beispielhaft zwei Oszilloskopaufzeichnungen gezeigt, wobei die obere den Verlauf der Filtereingangsspannung Ud und die untere den Verlauf der Filterausgangsspannung Um darstellt. Den Oszilloskopaufzeichnungen kann entnommen werden, dass die Steilheit der Filtereingangsspannung Ud ungefähr 8 kV/us beträgt. Am Ausgang des Filters F, also am MotorAnschluss, liegt nur mehr eine Steilheit von ungefähr 1. 6 kV/us vor. Weiters kann dieser Aufzeichnung entnommen werden, dass der Dämpfungsgrad der Dämpfungsgruppe D auf ein maximales Überschwingen der Filterausgangsspannung Um von ungefähr 40% eingestellt wurde. PATENTANSPRÜCHE : 1. Stromrichtergespeiste Antriebseinheit, bestehend aus einem örtlich getrennten Stromrich- ter (C) und einem mittels einer Leitung mit dem Stromrichter (C) verbundenen Elektromo- tor (M), sowie einem Filter (F) mit zumindest einer Filterinduktivität, dadurch gekenn- zeichnet, dass das zumindest teilweise durch zumindest einen Teil der Leitung gebildete Filter (F) zwischen Stromrichter (C) und Elektromotor (M) geschaltet ist, wobei der Anteil der Leitungsinduktivität (LL) der Leitung zwischen dem Stromrichter (C) und dem Filter (F) zumindest 10% der Filterinduktivität beträgt. 2. Stromrichtergespeiste Antriebseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterinduktivität zumindest zu 25% aus der Leitungsinduktivität (Ld gebildet ist.

3. Stromrichtergespeiste Antriebseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterinduktivität zumindest zu 50% aus der Leitungsinduktivität (LL)

4. Stromrichtergespeiste Antriebseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterinduktivität zumindest zu 75% aus der Leitungsinduktivität (LL) gebildet ist.

5. Stromrichtergespeiste Antriebseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterinduktivität zu 100% aus der Leitungsinduktivität (LJ gebildet ist.

6. Stromrichtergespeiste Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge- kennzeichnet, dass eine Filterkapazität (CF) vorgesehen ist, die in Serie zur Leitungsin- EMI4.1 (il)pazität (CF) abgreifbar ist.

7. Stromrichtergespeiste Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge- kennzeichnet, dass das Filter (F) mehrphasig ausgeführt ist, dass für jede vorhandene Phase (R, S, T) des Wechselstromes je ein Filter (F) eingangsseitig mit einer Phase (R, S, T) verbunden ist und dass die Filter (F) ausgangsseitig in einem internen Sternpunkt (SPF) miteinander verbunden sind.

8. Stromrichtergespeiste Antriebseinheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen internem Sternpunkt (SPF) des Filters (F) und Stromrichterbezugspotential eine Kapazität angeordnet ist.

9. Stromrichtergespeiste Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge- kennzeichnet, dass in der Antriebseinheit eine Dämpfungsgruppe (D) vorgesehen ist, die aus zumindest einem Dämpfungswiderstand (Ro) besteht.

10. Stromrichtergespeiste Antriebseinheit nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfungsgruppe (D), in Form eines zu einer Dämpfungskapazität (CD) in Serie ge- schalten Dämpfungswiderstandes (Ro), parallel zur Filterkapazität (CF) angeordnet ist und dass damit das gewünschte Mass an Überschwingen der Filterausgangsspannung (Um) einstellbar ist.

11. Stromrichtergespeiste Antriebseinheit nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeich- net, dass der Dämpfungswiderstand (Ro) in der Grössenordnung des Wellenwiderstandes der Leitung ist.

12. Stromrichtergespeiste Antriebseinheit nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeich- net, dass durch eine spezielle Wahl der Werte für den Dämpfungswiderstand (Ro) und/oder der Dämpfungskapazität (CD) die Verlustleistung (Pv) der Dämpfungsgruppe (D) minimierbar ist.

13. Stromrichtergespeiste Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Dämpfungsgruppe (D) für jede vorhandene Phase (R, S, T) <Desc/Clms Page number 5> parallel zum Filter angeordnet ist und dass diese Dämpfungsgruppen (D) ausgangsseitig in einem internen Sternpunkt (SPD) miteinander verbunden sind.

14. Stromrichtergespeiste Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Filterkapazitäten (CF), die Dämpfungskapazitäten (CD) und die Kapazität zwischen Stromrichterbezugspotential und internen Sternpunkt (SPF) gleich gross sind.

15. Stromrichtergespeiste Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 6 bis 14, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Filterkapazität (CF) so wählbar ist, dass die Spannungssteilheit der Filterausgangsspannung (Um) gegenüber der Spannungssteilheit der Filtereingang- spannung (Ud) durch einen vorgebbaren Grenzwert begrenzt ist.

16. Stromrichtergespeiste Antriebseinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch ge- kennzeichnet, dass das Filter (F) zur Filterung von Betriebsströmen grösser 100A geeig- net ist.