AT514765B1 - 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

Beschreibung

SCHALTUNG ZUR BEGRENZUNG VON GLEICHTAKTSPANNUNGEN

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltung zur Begrenzung von Gleichtaktspan¬nungen in indirekten Umrichtersystemen mit Gleichspannungszwischenkreis für Drehstrom-bzw. Dreiphasenwechselstrommaschinen.

[0002] Auf dem Gebiet der Drehstrom- bzw. Dreiphasenwechselstrommaschinen ist die Ver¬wendung von Umrichtern, welche aus einer Wechselspannung eine in der Frequenz undAmplitude unterschiedliche, andere Wechselspannung generieren weitläufig bekannt.

[0003] Diese Umrichtersysteme bestehen bekannterweise aus einem Netzumrichter und einemMaschinenumrichter mit einem dazwischen liegenden Gleichspannungszwischenkreis. DemNetzumrichter ist üblicherweise eine sogenannte Hochsetzerdrossel vorgeschalten. Dabeihandelt es sich um Induktivitäten, die zur Dämpfung, Funkentstörung, Kommutierung, Strombe¬grenzung, Unterdrückung unerwünschter Frequenzen oder zur Energiespeicherung eingesetztwerden. Grundsätzlich kommt es durch die Schaltvorgänge im Netzumrichter und im Maschi¬nenumrichter, zu Spannungssprüngen im Gleichspannungszwischenkreis gegen Masse. Durchdie Induktivität der Hochsetzerdrossel und Kapazitäten gegen Erde, die vorwiegend in dengeschirmten Motorzuleitungen und der Motorwicklung zu finden sind, entsteht durch die Schalt¬vorgänge von Netzumrichter und Maschinenumrichter ein parasitärer Schwingkreis.

[0004] Da dadurch entstehende Störspannungen über den Maschinenumrichter an den Motor„durchgereicht“ werden, können zwischen Motorwicklungen und Masse Gleichtaktspannungenauftreten. Je nach deren Höhe, können diese Schäden an Motorwicklungen und an Wicklungs¬temperatursensoren verursachen.

[0005] Zur Reduktion der Gleichtaktspannungen zeigt die DE 10 2007 008 765 A1 die Verwen¬dung eines Induktiv-Kapazitiv-Filters zwischen Umrichterausgang und Motorwicklung. DieRückkopplung erfolgt über eine Leitung mit Dämpfungswiderstand der auf den Sternpunkt vondrei Kondensatoren führt, welche mit den Eingangsanschlüssen des Umrichters verbundensind. Die Schaltung sieht weiters zusätzliche Kondensatoren an den Ausgangsanschlüssen desUmrichters vor. Nachteilig ist, dass der gezeigte Filter nicht ab einem bestimmten Grenzwertbegrenzt und somit nur fallweise aktiv ist, sondern zur Reduktion während des gesamten Be¬triebs aktiviert ist, wodurch eine entsprechende Verlustleistung während des gesamten Betriebsentsteht.

[0006] Weiters führt der Platzbedarf für die Bauteile zu einer entsprechend großen Schalt¬schrankkonstruktion und ist für Nachrüstungen schlecht geeignet.

[0007] Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, eine Begrenzung derGleichtaktspannung bei geringem Raumbedarf und einfacher Nachrüstbarkeit zu ermöglichen.

[0008] Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Gleichspannungszwi¬schenkreis eine erste Diode mit einer Durchlassrichtung und eine in Serie geschaltete zweiteDiode mit gleicher 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 zwischen ersterDiode und zweiter Diode über zumindest einen Kondensator mit der Masse verbunden ist. Dieserlaubt tatsächlich nur bei Überschreitungsgefahr eine Begrenzung jener Gleichtaktspannun¬gen, welche zwischen positivem Strang des Gleichspannungszwischenkreises und Masse bzw.negativem Strang des Gleichspannungszwischenkreises und Masse abfallen. Die Ober- bzw.Untergrenze, welche durch die Dimensionierung der beiden Dioden bestimmt werden, stelltdabei der positive bzw. negative Wert der Zwischenkreisspannung dar.

[0009] Eine Diode weist dabei bekanntermaßen einen n-dotierten Bereich als Kathode undeinen p- dotierten Bereich als Anode auf. Als Durchlassrichtung wird eine Verschaltung be¬zeichnet, bei welcher die Anode am positiven Potential und die Kathode am negativen Potential angeschlossen ist.

[0010] In vorteilhafter Weise sind eine Anode der ersten Diode mit dem negativen Strang undeine Kathode der zweiten Diode mit dem positiven Strang des Gleichspannungszwischenkrei-ses verbunden. Die beiden in Serie geschalteten Dioden werden damit in Sperrrichtung betrie¬ben.

[0011] Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass vor dem Gleichspannungszwischenkreisjede der drei Phasen eines eingangsseitig am Umrichtersystem anliegenden Drehstromnetzesüber jeweils zumindest einen Rückführkondensator mit der Masse verbunden ist.

[0012] Dadurch kann die erfindungsgemäße Schaltung auch für bekannte TT (Terre Terre) undIT (Isole Terre) Netze genutzt werden, wobei auch für TN (Terre Neutre) Netze die elektromag¬netische Verträglichkeit verbessert wird. Bei TT-Netzen wird ein Trafosternpunkt über das Erd¬reich mit einem Anlagenerder und somit mit der Umrichtermasse zur Erdung verbunden. Bei IT-Netzen ist keine gemeinsame Erdung vorgesehen. Bei TN-Netzen ist, im Gegensatz zu TT- undIT-Systemen, eine gemeinsame Erdung vorgesehen an welcher der Sternpunkt des Transfor¬mators und der Umrichter über die PE-Leitung (zur Erdung vorgesehener Schutzleiter) ange¬schlossen sind.

[0013] Die gegenständliche Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren 1bis 4 näher erläutert, die beispielhaft, schematisch und nicht einschränkend eine vorteilhafteAusgestaltung der Erfindung zeigt. Dabei zeigt [0014] Fig.1 einen Ausschnitt aus einem indirekten Umrichtersystem mit Gleichspannungs¬ zwischenkreis nach Stand der Technik, [0015] Fig.2 Spannungsverläufe im Gleichspannungszwischenkreis bei einem positiven

Spannungssprung, [0016] Fig.3 Spannungsverläufe im Gleichspannungszwischenkreis bei einem negativen

Spannungssprung, [0017] Fig.4 einen Ausschnitt aus einem indirekten Umrichtersystem mit Gleichspannungs¬ zwischenkreis mit dem erfindungsgemäßen Gleichtaktfilter.

[0018] Figur 1 zeigt einen indirekten Umrichter mit Gleichspannung im Zwischenkreis, beste¬hend aus einem Dreiphasengleichrichter bzw. dem Netzumrichter 11, einem Gleichspannungs¬zwischenkreis 1 und einem ausgangsseitigen Wechselrichter bzw. dem Maschinenumrichter 12.Der Vorteil der indirekten Umrichter besteht in einer weitgehenden Entkopplung des Ausgangesvom Eingang über den Gleichspannungszwischenkreis 1.

[0019] Der Gleichspannungszwischenkreis 1 ist also in bekannter Weise zwischen dem ein¬gangsseitigen Dreiphasengleichrichter bzw. dem Netzumrichter 11 und dem ausgangsseitigenWechselrichter bzw. dem Maschinenumrichter 12 angeordnet. Derartige Umrichtersystemefinden zum Antrieb einer Drehstrom- bzw. Dreiphasenwechselstrommaschine 10 vielfacheAnwendung. Der dargestellte Zwischenkreiskondensator 13, welcher den negativen Strang 5mit dem positiven Strang 6 des Gleichspannungszwischenkreises 1 verbindet, dient bekann¬termaßen zur energetischen Kopplung auf eine gemeinsame Gleichspannungsebene bzw. zurGlättung der Gleichspannung im Gleichspannungszwischenkreis.

[0020] 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.

[0021] Figur 3 zeigt in ganz analoger Weise, Spannungsverläufe im Gleichspannungszwi¬schenkreis 1 bei einem negativen Spannungssprung.

[0022] Sowohl bei Figur 2 als auch in Figur 3 ist erkennbar, dass je nach positiven oder negati¬ven Spannungssprung, die Zwischenkreisspannung UZk über- oder unterschritten wird. Ziel istes jedoch, derartige Über- oder Unterschreitungen zu vermeiden und das Spannungsniveau ander Drehstrom- bzw. Dreiphasenwechselstrommaschine 10 auf die Zwischenkreisspannung UZk zu begrenzen.

[0023] Figur 4 zeigt in schematischer Form und in Anlehnung an Figur 1 das Blockschaltbildeines Umrichtersystems 2 für eine Drehstrom- bzw. Dreiphasenwechselstrommaschine 10 ineiner erfindungsgemäßen und vorteilhaften Ausgestaltung.

[0024] Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf den bereits im Zusammenhang mit Figur 1genannten Gleichspannungszwischenkreis 1.

[0025] Wie in Figur 4 erkennbar sind im Gleichspannungszwischenkreis 1 eines indirektenUmrichtersystems 2 für eine Drehstrom- bzw. Dreiphasenwechselstrommaschine 10 eine ersteDiode 3 mit einer Durchlassrichtung und eine in Serie geschaltete zweite Diode 4 mit gleicherDurchlassrichtung wie die erste Diode 3 vorgesehen. Die Dioden 3, 4 weisen dabei in bekannterWeise n-dotierte Bereiche als Kathoden und p-dotierte Bereiche als Anoden auf.

[0026] Die Durchlassrichtung bezeichnet eine Verschaltung, bei der die Anode mit einem positi¬ven Strang 6 und die Kathode mit einem negativen Strang 5 verbunden ist. Im in Figur 4 darge-stellten Ausführungsbeispiel ist die Anode der ersten Diode 3 mit dem negativen Strang 5 desGleichspannungszwischenkreises 1 und die Kathode der zweiten Diode 4 mit dem positivenStrang 6 des Gleichspannungszwischenkreises 1 verbunden.

[0027] 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 7 zwi¬schen erster Diode 3 und zweiter Diode 4 ist über einen Kondensator 8 mit der Masse 9 ver¬bunden. Die beiden in Serie geschalteten Dioden 3, 4 sind so in den Gleichspannungszwi¬schenkreis 1 angeordnet, dass die Anode der ersten Diode 3 mit dem negativen Strang 5 unddie Kathode der zweiten Diode 4 mit dem positiven Strang 6 des Gleichspannungszwischen¬kreises 1 verbunden sind. Die beiden in Serie geschalteten Dioden 3, 4 werden aufgrund ihrerEinbaulage im Gleichspannungszwischenkreis 1 in Sperrrichtung betrieben.

[0028] Die dargestellte Schaltung stellt infolge der beiden Dioden 3 und 4 eine Begrenzungs¬schaltung dar und ist daher nur beim Überschreiten bzw. Unterschreiten einer Zwischenkreis¬spannung UZK aktiv und verursacht daher keine zusätzliche Verlustleistung im Normalbetrieb.

[0029] Die in der Figur 4 eingezeichneten Gleichtaktspannungen U1 und U2 werden in folgen¬der Weise auf die Zwischenkreisspannung +/- UZk begrenzt:

Begrenzung 1: -UZk < U1 < 0V

Begrenzung 2: 0V < U2 < UZK

[0030] 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 unter Begren¬zung 2 angeführte Bereich sagt aus, dass die Spannung U2 zwar größer oder gleich Null seindarf, jedoch den Wert +UZK nicht überschreitet. Bei Über- oder Unterschreitung der Zwischen¬kreisspannung UZK setzt, durch die geeignete Auswahl der beiden Dioden 3 und 4, ein Strom¬fluss über den Kondensator 8 gegen Masse 9 ein. Bei der Auswahl, bzw. Dimensionierung derbeiden Dioden 3 und 4 ist zu beachten, bei dem es am eingangsseitigen Dreiphasengleichrich¬ter bzw. dem Netzumrichter 11 und dem ausgangsseitigen Wechselrichter bzw. dem Maschi¬nenumrichter 12 zu einem gleichzeitigen Schaltvorgang kommt. In diesem Fall kann es zuerheblichen Spitzenströmen kommen, da das bereits erwähnte schwingfähige System doppeltangeregt wird. Die Höhe der entsprechenden Spitzenströme ist unter anderem von der Sum¬menamplitude der anregenden Spannung abhängig. Weiters hat die Dimensionierung der demNetzumrichter 11 üblicherweise vorgeschaltenen Hochsetzerdrossel 17 und der ggf. vorgese¬henen Rückführkondensatoren 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.

[0031] Der Kondensator 8 entkoppelt den Gleichspannungszwischenkreis von der Masse undwirkt bei hohen Frequenzen bekanntlich wie ein Kurzschluss. Kommt es an den bzw. an einer der beiden Dioden 3, 4 zu einem Kurzschluss, wirkt der Kondensator 8 strombegrenzend. BeiVerzicht auf den Kondensator 8 würde bei einer defekten Diode 3, 4 ein Kurzschlussstrom vonden drei Phasen u, v, w zum bereits erwähnten Trafosternpunkt fließen und ggf. den Netzstrom¬richter 11 zerstören.

[0032] Auf diese Weise begrenzt die erfindungsgemäße Schaltung die GleichtaktspannungenU1 und 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.

[0033] Wie bereits erwähnt, zeigt Figur 4 eine vorteilhafte Ausgestaltung, bei welcher vor demGleichspannungszwischenkreis 1 jede der drei Phasen u, v, w eines eingangsseitig am Um¬richtersystem anliegenden Drehstromnetzes, über jeweils zumindest einen Rückführkondensa¬tor 14, 15, 16 mit der Masse 9 verbunden ist. Die auftretenden Überspannungen Ux, also jeneSpannungsanteile, welche +UZk überschreiten oder -UZK unterschreiten, werden an das Um¬richtersystem eingangsseitig über die Rückführkondensator 14, 15, 16 rückgeführt.

[0034] Der Vorteil der Rückführkondensatoren 14, 15 und 16 ergibt sich im Zusammenhang mitdem jeweils genutzten Drehstromnetz zur Energieversorgung. In Bezug auf die Energieversor¬gung, wird in bekannter Weise zwischen TN (Terre Neutre), TT (Terre Terre) und IT (IsoleTerre) Netzen unterschieden.

[0035] Werden die Rückführkondensatoren 14, 15, 16 immer eingesetzt, ist keine weitere Netz¬betrachtung notwendig und daher eine einfache Integration möglich. Dies erlaubt es, die erfin¬dungsgemäße Schaltung auch für bekannte TT (Terre Terre) und IT (Isole Terre) Netze zunutzen.

[0036] Bei TT- und IT-Netzen ist keine gemeinsame Erdung vorgesehen. Aus diesem Grundgibt es auch keine gemeinsame Verbindung der Erdungen welche eine zuvor erwähnte Rück¬führung der Überspannung Ux erlauben würde. Wie erwähnt wäre ein Abbau der zuvor erwähn¬ten Überspannungen Ux über die jeweiligen getrennten Erdungen möglich. Da jedoch derenEigenschaften stark von Verlegung der Leitungen und deren Länge abhängig ist, kann bezüg¬lich der Zeiten innerhalb derer ein Ausgleich bzw. Abbau der Überspannung Ux erfolgt keinegenaue Aussage getroffen werden. Durch die Verwendung der Rückführkondensatoren 14, 15,16 ist jedoch eine eindeutige Verbindung deren Länge und Eigenschaften bekannt ist vorhan¬den. Dies erlaubt einen entsprechend definierten Abbau bzw. Ausgleich der Überspannung Ux.

[0037] 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, und 16würde der Ausgleichsstrom über den Sternpunkt des Transformators rückgeführt werden. Dabeihandelt es sich um eine definierte und in ihren Eigenschaften bekannte Verbindung. Ihre Nut¬zung kann zu Problemen hinsichtlich der elektromagnetischen Verträglichkeit, also zur gegen¬seitigen Beeinflussung verschiedener Geräte durch elektromagnetische Effekte, führen. Ausdiesem Grund ist auch bei TN-Netzen die Nutzung der Rückführkondensatoren 14, 15, 16 vonVorteil.

[0038] In diesem Zusammenhang sei erwähnt, dass bei einer Schaltung, wie sie beispielsweisein Figur 1 dargestellt ist, Kondensatoren in der Anordnung der Rückführkondensatoren 14, 15,und 16 in Figur 4 bereits vorgesehen sein können.

[0039] Deren Aufgabe besteht üblicherweise darin, die elektromagnetische Verträglichkeit(EMV) des Schaltkreises zu verbessern. Dabei ist das Ziel, dass elektrische Anlagen oderGeräte einander nicht durch ungewollte elektrische, magnetische oder elektromagnetischeEffekte negativ beeinträchtigen. Insbesondere Umrichter erzeugen aufgrund der Pulsweitenmo¬dulation Störungen, welche angrenzende Geräte entsprechend beeinflussen. Für die hochfre¬quenten Schwingungen stellen die Kondensatoren einen Kurzschluss zur Erde dar, weshalb sieentsprechend abgeleitet bzw. gedämpft werden.

[0040] Üblicherweise liegt die Dimensionierung derartige Kondensatoren, zur Verbesserung derelektromagnetischen Verträglichkeit im Bereich >10pF. Diese Größe bzw. Dimensionierung istfür die Übertragung bzw. Rückführung der Überspannung Ux völlig ausreichend. Ein Nachrüs¬ten mit den Rückführkondensatoren 14, 15, und 16 ist daher nicht notwendig und es ergibt sicheine vorteilhafte Doppelnutzung bereits vorhandener Bauteile.

[0041] Aufgrund der geringen Anzahl an notwendigen Bauteilen ist der Platzbedarf bei gleich¬zeitiger hoher Integrierbarkeit in bestehende Schaltungen entsprechend gering. Ein weitererVorteil besteht darin, dass eine derartige Gleichtaktfilterlösung unabhängig von einer Versor¬gungsspannung, Taktfrequenz und Höhe der Zwischenkreisspannung UZk einsetzbar ist.

[0042] Durch diese Vorteile ergibt sich somit eine optimale Nachrüstbarkeit bestehender Sys¬teme.

Claims (3)

1. Patentansprüche 1. Schaltung zur Reduzierung von Gleichtaktspannungen in indirekten Umrichtersystemen miteinem Gleichspannungszwischenkreis (1) für Drehstrom- bzw. Dreiphasenwechselstrom¬maschinen (10), dadurch gekennzeichnet, dass 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, dass über die beiden inSerie geschalteten Dioden (3, 4) ein negativer Strang (5) des Gleichspannungskreises (1)mit einem positiven Strang (6) des Gleichspannungszwischenkreises (1) verbunden ist unddass ein Punkt (7) zwischen erster Diode (3) und zweiter Diode (4) über zumindest einenKondensator (8) mit der Masse (9) verbunden ist.
2. 2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anode der ersten Diode (3) mit dem negativen Strang (5) und eine Kathode der zweiten Diode (4) mit dem positivenStrang (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 einen Rückführ¬kondensator (14, 15, 16) mit der Masse (9) verbunden ist. Hierzu 2 Blatt Zeichnungen