AT502355A1

AT502355A1 - Stromversorgungseinrichtung für eine elektrische maschine

Info

Publication number: AT502355A1
Application number: AT0146305A
Authority: AT
Inventors: Raimund Dipl Ing Allesch; Markus Dipl Ing Dr Glasl; Andreas Dipl Ing Dr Trenner
Original assignee: Elin Ebg Traction Gmbh
Priority date: 2005-09-08
Filing date: 2005-09-08
Publication date: 2007-03-15
Also published as: AT502355B1

Description

Stromversorgungseinrichtung für eine elektrische Maschine
Die Erfindung betrifft eine Stromversorgungseinrichtung für eine elektrische Maschine, insbesondere für eine mehrphasige elektrische Maschine, z.B. für eine Drehfeldmaschine (M 3 ¯), wie etwa für einen Elektromotor, bestehend aus einem Stromrichter, Verbindungsleitungen zur elektrischen Maschine und einem zwischen Stromrichter und elektrischer Maschine angeordneten Filter, wobei der Filter eine allen Verbindungsleitungen gemeinsame Gleichtaktinduktvität (LG[tau][iota]) und für jede Verbindungsleitung ein RC-Glied (Ri, Ci) umfasst.
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, Moeller 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 bestehend aus einem Stromrichter und einem Elektromotor sehr oft vorzufinden. Aufgrund der hohen Steilheiten des Spannungsanstiegs bzw. -abfalls, hervorgerufen durch die in dem Stromrichter heutzutage verwendeten, schnellen Halbleiterschalter (z.B.

IGBT), ist die Aufteilung der Spannung über die einzelnen Spulen der Motorwicklung nicht mehr gleichförmig, so dass an der Eingangsspule der grösste Teil der angelegten Gesamtspannung abfällt. Diese Spannung an 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 des Spannungsanstiegs bzw. -abfalls, was zu Problemen mit entsprechenden Richtlinien bzw. Vorschriften führen kann.
All diese Nachteile führen zu der Forderung, die Steilheit des Spannungsanstiegs bzw. abfalls durch geeignete Massnahmen, auf ein gewisses Mass zu begrenzen.

Diese Begrenzung kann entweder in eingeschränktem Mass durch die Ansteuereinheit im Stromrichter oder durch ein Filter bewerkstelligt werden. Aus der EP 682402 A1 ist nun eine solche Anordnung bekannt, wobei eine allen Verbindungsleitungen gemeinsame Gleichtaktinduktvität (wird auch als stromkompensierte Drossel bezeichnet) und für jede Verbindungsleitung ein RC-Glied vorgesehen ist, um Störungen hervorgerufen durch unsymmetrische Spannungen gegenüber dem Erdpotential ausgeschaltet oder weitestgehend reduziert werden.
Allerdings hat auch diese Anordnung den Nachteil, dass durch die Gleichtaktinduktivität Stromwege erzwungen werden, welche die Wirkung der Gleichtaktinduktivität aufheben.
Die vorliegende Erfindung hat sich nun als ein Ziel gesetzt, jene Ströme zu unterdrücken,

welche die Wirkung der Gleichtaktinduktivität aufheben.
Diese Aufgabe wird durch die Stromversorgungseinrichtung gemäss Anspruch 1 gelöst, indem zu jedem RC-Glied eine Diode so in Serie geschaltet ist, dass Strom nur in Richtung von der Verbindungsleitung weg zum RC-Glied fliessen kann. Ein Stromfluss vom RC-Glied zurück zum Stromrichter über die Verbindungsleitung kann somit unterbunden werden. Ob die Diode zwischen RC-Glied und Verbindungsleitung oder erst nach dem RC-Glied angeordnet ist, ist unerheblich. Diese Anordnung wird nachfolgend auch als RCD-Glied bezeichnet.
Das zusätzliche Merkmal, dass der Diode ein Widerstand parallel geschaltet ist, dient der besseren Dämpfung und der Entladung des Kondensators des RC-Glieds.
Eine Ausführungsform sieht vor, dass zwischen Filter und Drehfeldmaschine eine weitere Gleichtaktinduktivität geschaltet ist.

Diese bewirkt, dass bei zu grossen Kapazitäten der Verbindungsleitungen, insbesondere bei Verwendung geschirmter Verbindungsleitungen, jene Strompfade blockiert werden, die zu eine Verringerung der Wirkung der ersten Gleichtaktinduktivität führen.
Für die ideale Funktion des Filters sollte das negative Potential des Stromrichterzwischenkreises (-Ud) mit Masse verbunden werden. Wenn keine gleichstrommässige Verbindung erwünscht ist, kann ein Kondensator verwendet werden (CG).
Dadurch, dass die RC-Glieder in einem Sternpunkt miteinander verbunden sind, können sie gemeinsam auf Masse oder auf das negative Potential des Stromrichters geschaltet werden.

Welche Ausführung gewählt wird, hängt von den konstruktiven Gegebenheiten ab, auf die Funktion hat es aber nur einen geringen Einfluss (Induktivität der Verbindung Filtersternpunkt mit Masse bzw. mit dem negativen Potential des Stromrichterzwischenkreises). Wenn das negative Potential des Stromrichterzwischenkreises (-Ud) nicht mit Masse verbunden wird, muss der Sternpunkt des RC-Gliedes auf das negative Potential des Stromrichters geschaltet werden.
Um eine Begrenzung der Spannungssteilheit beim Ausschalten zu erreichen, kann vorgesehen werden, dass zu jeder Verbindungsleitung ein weiteres RC-Glied vorgesehen ist, das auf das positive Potential des Stromrichters geschaltet ist.
Die Erfindung wird anhand der in den Figuren 1 bis 4 dargestellten, nicht einschränkenden Ausführungsbeispiele beschrieben.

Die Figuren stellen dabei dar:
Fig. 1 ein Schaltbild eines erfindungsgemässen Stromversorgungseinrichtung, bei der die RC-
Glieder auf Masse geschaltet sind. Fig. 2 ein Schaltbild eines erfindungsgemässen Stromversorgungseinrichtung, bei der die RC-
Glieder auf das negative Potential des Stromrichters geschaltet sind.
Fig. 3 ein Schaltbild eines erfindungsgemässen Stromversorgungseinrichtung, bei der zu jeder Verbindungsleitung ein weiteres RC-Glied vorgesehen ist.
Fig. 4 ein Schaltbild eines erfindungsgemässen Stromversorgungseinrichtung, bei der zwischen Filter und Drehfeldmaschine eine weitere Gleichtaktinduktivität geschaltet ist.
Alle Fig.

zeigen einen dU/dt-Filter zur Begrenzung der Spannungsanstiegsgeschwindigkeit am Stromrichter-Ausgang mittels einer Gleichtaktinduktivität LG[tau][iota] und einer RCDBeschaltung.
Der Stromrichter stellt die Zwischenkreisspannung Udzur Verfügung, wobei die Spannung +Uddas positive Potential des Stromrichters darstellt, die Spannung -Uddas negative Potential des Stromrichters.
Für den Stromrichter sind neben dem Zwischenkreis-Kondensator Cdauch die als IGBT ausgebildeten Halbleiterbauelemente dargestellt, wobei für jede Phase ein oberer IGBT (Upper IGBT) und ein unterer (Lower IGBT) vorgesehen ist.

Zwischen den beiden IGBTs ist die Verbindungsleitung angeschlossen, die zum Drehfeld-Elektromotor (M 3 ¯) führt.
Die Gleichtaktinduktivität LQTIbesteht aus einem magnetisierbarem Material, das üblicherweise in Form eines Ringkernes (oder Ähnlichem) über die Verbindungsleitungen (Ausgangsleiter des Stromrichters) geschoben wird. Die Bildung der Gleichtaktinduktivität kann natürlich auch auf anderem Wege durchgeführt werden. Aufgrund der Bedingung des Laststromes, dass die Summe der Ströme Null ergibt, wird die Gleichtaktinduktivität durch den Laststrom nicht magnetisiert. Es reicht daher aus, die Gleichtaktinduktivität LQTIfür die magnetische Beanspruchung aufgrund der gewünschten Filterwirkung und der vorhandenen Ladeströme (insbesondere, aber nicht nur bei Verwendung geschirmter Kabel) zu dimensionieren.

Zur Bildung eines Filters wird diese Gleichtaktinduktivität mit Kondensatoren Ci (gegen Zwischenkreis-Minus oder Masse und Zwischenkreis-Plus geschaltet) kombiniert.
Aufgrund der Schaltzustände der Halbleiterbauelemente sind dabei immer Stromwege möglich (bzw. werden durch die Gleichtaktinduktivität erzwungen), welche die Wirkung der Gleichtaktinduktivität LQTIaufheben. Durch Sperren dieser Wege mittels Dioden V1fwird die gewünschte Filterwirkung (LC-Filter) und damit die Begrenzung der Spannungsanstiegsgeschwindigkeit erreicht.
Aus Gründen der Bedämpfung und für die Entladung der Kondensatoren sind zusätzliche Widerstände R^ Rvsinnvoll. Widerstand Ri ist mit der Diode \f[iota] - ebenso wie Kondensator Ci - in Serie geschaltet, Widerstand Rvist der Diode Vi parallel geschaltet.

Die Schaltung von Widerstand R1(Diode V1fKondensator Ci und Widerstand R" ist für jede der drei Verbindungsleitungen gleich. Die RCD-Glieder sind alle in einem gemeinsamen Sternpunkt miteinander verschaltet.
Fig. 1 zeigt die Grundschaltung des erfindungsgemässen dU/dt-Filters. Der Kondensator CGist für die Funktion des dU/dt-Filters nicht notwendig, er wird dann verwendet, wenn keine gleichstrommässige Verbindung des Zwischenkreises (des Stromrichters) mit Masse erwünscht ist.
Folgendes Dimensionierungsbeispiel zur Fig. 1 soll die Erfindung verdeutlichen: Für die Begrenzung der Spannungssteilheit auf 5 kV/ s am Stromrichterausgang bei einer Zwischenkreisspannung Udvon 750 V unter der Voraussetzung idealer Bauteile sind folgende Bauteile zu verwenden:
Gleichtaktinduktivität LG[tau][iota]:

Induktivität von 10 [mu]H (Sättigung beachten, gleichzeitiges Schalten der 3 Stränge)
Kondensator Ci: Kapazität von 2,25 nF Widerstand R^ Wert von 10 [Omega]
Widerstand Rv: Wert von 1 k[Omega]
Diode V^ Ausreichende Sperrspannung notwendig (ohne Dämpfung, Überschwingen auf 2 fache Zwischenkreisspannung)
Fig. 2 gleicht im Wesentlichen Fig. 1 , nur ist in Fig. 2 eine direkte Verbindung des Filters mit dem Zwischenkreis des Stromrichters vorgesehen, indem der Sternpunkt der RCD-Glieder mit dem negativen Potential -Uddes Stromrichters verschaltet ist. Eine Erweiterung der Schaltungen aus den Fig. 1 und 2 zeigt Fig. 3.

In Fig.3 ist für jede Verbindungsleitung ein weiteres RCD-Glied vorgesehen, dass von der Verbindungsleitung nach der Gleichtaktinduktivität LG[tau][iota], nach den ersten RCD-Gliedern und nach einer weiteren Gleichtaktinduktivität LG[tau]2abzweigt und wieder eine Diode (mit parallel geschaltetem Widerstand), einen in Serie geschalteten Widerstand und einen Kondensator aufweist. Die RCD-Glieder sind wieder in einem Sternpunkt miteinander und über diesem mit dem positiven Potential +Uddes Stromrichters verbunden.

Die Diode ist so geschaltet, dass der Strom nur vom positiven Potential des Stromrichters in Richtung zur Verbindungsleitung fliessen kann.
Durch diese zusätzliche Beschaltung im Vergleich zu Fig. 1 und 2 wird auch eine Begrenzung der Spannungssteilheit beim Ausschalten erreicht.
Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, die bei geschirmten Kabeln als Verbindungsleitungen, wo ja Kapazitäten der Kabel gegen Masse vorhanden sind, bevorzugt zur Anwendung kommt: Bei der Verwendung geschirmter Kabel (allgemein: wenn die Kapazitäten zwischen den Leitern zu gross werden), ist eine zusätzliche Gleichtaktinduktivität LQ[tau]2 notwendig, um jene Strompfade zu blockieren, die zu einer Verringerung der Gleichtaktinduktivität LGT[iota] führen.

Da es nicht möglich ist, diese Strompfade zur Gänze zu unterdrücken, muss dies bei der Dimensionierung des dU/dt-Filters berücksichtigt werden.
Es ist auch möglich, die Fig. 3 und 4 zu kombinieren, also auch bei Verwendung geschirmter Kabel als Verbindungsleitungen einen weiteren Satz RCD-Glieder nach der weiteren Gleichtaktinduktivität LQT2anzuordnen, was einem zweiten Filter entspricht.
Die Erfindung ist sowohl für Wechselstrom- als auch für Gleichstrommaschinen anwendbar, für ein- oder mehrphasige elektrische Maschinen (zweiphasig, dreiphasig, ...).

Sie kann insbesondere für Elektromotoren eingesetzt werden, aber auch für Generatoren.
Bezu[alpha]szeichen:
V, Diode
Ci Kondensator in Serie zur Diode Vi
Ri Widerstand in Serie zur Diode Vi
RvWiderstand parallel zur Diode VT
LGTI Gleichtaktinduktivität
I-GT2 Gleichtaktinduktivität
<EMI ID=5.1>
CGKondensator CdZwischenkreis-Kondensator UdZwischenkreisspannung Lower IGBT unterer IGBT Upper IGBT oberer IGBT M 3 ¯ Drehfeld-Elektromotor
Masse<">=<">Bezugspotential innerhalb einer Anlage (eines Systems). Kann auch Erdpotential sein.

Claims

Patentansprüche

1. Stromversorgungseinrichtung für eine elektrische Maschine, insbesondere für eine mehrphasige elektrische Maschine, z.B. für eine Drehfeldmaschine (M 3 ¯), wie etwa für einen Elektromotor, bestehend aus einem Stromrichter, Verbindungsleitungen zur elektrischen Maschine und einem zwischen Stromrichter und elektrischer Maschine angeordneten Filter, wobei der Filter eine allen Verbindungsleitungen gemeinsame Gleichtaktinduktvität (LGTI) und für jede Verbindungsleitung ein RC-Glied (Ri, Ci) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass zu jedem RC-Glied eine Diode (Vi) so in Serie geschaltet ist, dass Strom nur in Richtung von der Verbindungsleitung weg zum RC-Glied (Ri, Ci) fliessen kann.

2. Einrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Diode (V,) ein Widerstand (Rv) parallel geschaltet ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Filter (LGTI. RI. CLV^ und Drehfeldmaschine (M 3 ¯) eine weitere Gleichtaktinduktivität (LQT2) geschaltet ist.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die RC-Glieder (R^ d) in einem Sternpunkt miteinander verbunden sind.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die RC-Glieder (R^ d) auf Masse geschaltet sind.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die RC-Glieder (RLCI) auf das negative Potential (-Ud) des Stromrichters geschaltet sind.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zu jeder Verbindungsleitung ein weiteres RC-Glied vorgesehen ist, das auf das positive Potential (+Ud) des Stromrichters geschaltet ist.