AT518371A1 - Circuit arrangement for a frequency converter - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für einen Frequenzumrichter bestehend aus einem passiven, netzseitigen EMV-Filter und einem aktiven Teil. Der aktive Teil weist die Funktionalität eines Stromzwischenkreisumrichters (CSI) auf und besteht aus: a) drei Wechselspannungskondensatoren (C1, C2, C3) in Sternschaltung oder drei Wechselspannungskondensatoren (C12, C13, C23) in Dreieckschaltung am Eingang, b) drei Wechselspannungskondensatoren (CU, CV, CW) in Sternschaltung oder drei Wechselspannungskondensatoren (CWV, CWU, CVU) in Dreieckschaltung am Ausgang, c) einer Gleichstromzwischenkreisdrossel (D) mit vier Anschlüssen und d) vier Dreifachumschaltern (S1, S2, S3,S4) die entsprechend die Kondensatoren mit der Drossel (D) verbinden.The invention relates to a circuit arrangement for a frequency converter consisting of a passive, network-side EMC filter and an active part. The active part has the functionality of a current source inverter (CSI) and consists of: a) three AC capacitors (C1, C2, C3) in star connection or three AC capacitors (C12, C13, C23) in delta connection at the input, b) three AC capacitors (CU , CV, CW) in a star connection or three AC capacitors (CWV, CWU, CVU) in delta connection at the output, c) a DC link reactor (D) with four terminals and d) four triple switches (S1, S2, S3, S4) corresponding to the capacitors connect to the throttle (D).
Description
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung für einen Frequenzumrichter bestehend aus einem passiven, netzseitigen EMV-Filter und einem aktiven Teil.The invention relates to a circuit arrangement for a frequency converter consisting of a passive, network-side EMC filter and an active part.
Zum Stand der Technik zählen 3-phasige, passive EMV- Filter, die jedoch nur bedingt parallelschaltbar sind. Bekannt sind auch aktive, parallelschaltbare EMV-Filter wie beispielsweise aus der US 2014/01843315 A1. In diesem Fall ist es ein Netzteil eines Spannungszwischenkreisumrichters, das parallelschaltbar ist.The state of the art includes 3-phase, passive EMC filters, which, however, are only partially connected in parallel. Active, parallel switchable EMC filters are also known, for example from US 2014/01843315 A1. In this case, it is a power supply unit of a voltage source inverter which can be connected in parallel.
Weiters gibt es statische Frequenzumrichter, die eine konstante Netzfrequenz oder Netzspannung in eine variable Ausgangsfrequenz oder Ausgangsspannung umformen können.There are also static frequency converters that can transform a constant line frequency or line voltage into a variable output frequency or output voltage.
Seit langem sind Stromzwischenkreisumrichter (CSI= Current Source Inverter) in Thyristortechnik mit rechteckförmigen Netzströmen und Spannungsspitzen am Ausgang bekannt, die die Motorwicklungen belasten. Ein CSI ist prinzipiell 4-quadrantenfähig und treibt eine elektrische Maschine nicht nur motorisch an, sondern speist beispielsweise beim Absenken von Lasten bei Kränen, wenn die Maschine zum Generator wird, die entstehende Energie ins Versorgungsnetz zurück.For a long time, current source inverters (CSI) in thyristor technology with rectangular mains currents and voltage spikes at the output have been known, which load the motor windings. A CSI is in principle 4-quadrant capable and drives an electric machine not only by motor, but feeds, for example, when lowering loads in cranes when the machine is a generator, the resulting energy back into the supply network.
Aus der EP 0886371 A1, wie auch der DE 1972616 A1 und der US 6078162 ist bekannt, dass mittels Thyristoren und Gate-turn-off Thyristoren und geeigneter Steuerung ein CSI parallelschaltbar ist.From EP 0886371 A1, as well as DE 1972616 A1 and US 6078162, it is known that a CSI can be connected in parallel by means of thyristors and gate turn-off thyristors and suitable control.
Bekannt sind hier auch Schaltungsanordnungen aus Fachbüchern und wissenschaftlichen Abhandlungen, die statt der Thyristoren IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistoren) vorschlagen.Also known are circuitry from textbooks and scientific papers that propose IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) instead of the thyristors.
Ein CSI weist eine massige Zwischenkreisdrossel als Energiespeicher auf, die leichter und preiswerter gestaltet werden kann, wenn die Nichtlinearität desA CSI has a massive DC reactor as an energy storage, which can be made lighter and cheaper, if the nonlinearity of the
Eisenkerns ausgenützt und die Ausführung als Sättigungs- oder Isthmus-Drossel vorgesehen ist.Iron core exploited and the execution is provided as a saturation or Isthmus throttle.
Trotzdem ist diese Ausführung schwer und teuer und wurde nicht zuletzt deswegen durch den Spannungszwischenkreisumrichter (VSI= Voltage Source Inverter) weitgehend abgelöst. Ein VSI weist als Energiespeicher einen Zwischenkreiskondensator auf, wobei ein leichter, billiger Elektrolytkondensator verwendet werden kann. Ein derartiger Kondensator hat aber eine begrenzte Lebensdauer. Aus der US 6 275 393 B1 ist ein VSI mit einer Ladeschaltung für den Zwischenkreiskondensator bekannt.Nevertheless, this design is difficult and expensive and has not been largely replaced by the voltage source inverter (VSI = Voltage Source Inverter). A VSI has an intermediate circuit capacitor as an energy store, wherein a lighter, cheaper electrolytic capacitor can be used. However, such a capacitor has a limited life. US Pat. No. 6,275,393 B1 discloses a VSI with a charging circuit for the DC link capacitor.
In seiner Standardausführung hat der VSI netzseitig eine Drehstrombrücke aus sechs bipolaren, preiswerten und verlustarmen Bauteilen, die den Zwischenkreiskondensator aufladen. Motorseitig gibt es sechs schnellschaltende Bauteile, derzeit IGBTs, mit integrierten, parallelen Freilaufdioden in Drehstrombrückenschaltung, die die weitgehend konstante Spannung des Zwischenkreiskondensators derart moduliert an die Motorwicklungen legen, dass dort eine einstellbare Frequenz und Spannung entsteht. Die Netzströme sind auch hier nicht sinusförmig und müssen für sensible Netze mittels externer EMV- Filter verbessert werden.In its standard version, the VSI has a three-phase bridge on the mains side consisting of six bipolar, low-cost and low-loss components that charge the DC link capacitor. On the motor side, there are six fast-switching components, currently IGBTs, with integrated, parallel freewheeling diodes in three-phase bridge circuit, which modulates the largely constant voltage of the DC link capacitor to the motor windings in such a way that an adjustable frequency and voltage is generated there. The mains currents are also not sinusoidal and must be improved for sensitive networks by means of external EMC filters.
Sehr von Nachteil sind die Ausgangsspannungen: sie sind rechteckförmig, mit der Amplitude der Zwischenkreisspannung, und führen - besonders bei längeren Motorleitungen - durch Reflexionen zu Spannungsüberhöhungen, welche die Motorwicklungen zerstören können. Auch hier sind oft zusätzliche, externe Motor-Filter vonnöten. Diese sind in unterschiedlichen Ausführungen am Markt verfügbar.Very disadvantageous are the output voltages: they are rectangular, with the amplitude of the DC link voltage, and lead - especially with longer motor cables - by reflections to voltage overshoots, which can destroy the motor windings. Again, additional external motor filters are often needed. These are available in different versions on the market.
Bei sehr langen Motorleitungen müssen aufwändige „Sinus- Motor- Filter“ eingesetzt werden, die aus der rechteckförmigen Ausgangsspannung eine quasi sinusförmige machen. Diese erzeugen zwar zwischen den Motorphasen eine weitgehend sinusförmige Spannung, aber nicht gegen Erdpotential.For very long motor cables, elaborate "sine-motor filters" must be used which make the rectangular output voltage quasi-sinusoidal. Although these generate a largely sinusoidal voltage between the motor phases, but not against ground potential.
In dieser Ausführung ist der VSI nicht 4-quadrantenfähig.In this embodiment, the VSI is not 4-quadrant capable.
Ist die 4-Qadrantenfähigkeit unabdingbar, so schaltet man üblicherweise statt der bipolaren Drehstrombrücke eine Schaltung mit der Struktur eines Motorwechselrichters zwischen Zwischenkreiskondensator und Eingangsklemmen. Zwischen diesen und dem Netz muss ein aufwändiges, elektrisches Filter geschaltet werden, um die Rechteckspannung vom Netz fernzuhalten. Aus der US 2014/0184315 A1 ist eine derartige Schaltungsanordnung bekannt.If the 4-Qadrantenfähigkeit is indispensable, it usually switches instead of the bipolar three-phase bridge, a circuit with the structure of a motor inverter between the DC link capacitor and input terminals. Between these and the network, a complex, electric filter must be switched to keep the square-wave voltage from the mains. From US 2014/0184315 A1 such a circuit arrangement is known.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung für einen Frequenzumrichter zu schaffen, die einerseits die oben dargelegten Nachteile vermeidet und die anderseits die Herstellung, mit wirtschaftlich beschaffbaren Bauteilen, eines 4-quadrantenfähigen Stromzwischenkreisumrichters in einer kompakten Einheit ermöglicht.The object of the invention is to provide a circuit arrangement for a frequency converter, on the one hand avoids the disadvantages set out above and on the other hand, the production, with economically procurable components, a 4-quadrant capable Stromzwischenkreisumrichters in a compact unit.
Die Aufgabe wird durch die Erfindung gelöst.The object is achieved by the invention.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass der aktive Teil die Funktionalität eines Stromzwischenkreisumrichters (CSI) aufweist und aus: a) drei Wechselspannungskondensatoren in Sternschaltung oder drei Wechselspannungskondensatoren in Dreieckschaltung am Eingang, b) drei Wechselspannungskondensatoren in Sternschaltung oder drei Wechselspannungskondensatoren in Dreieckschaltung am Ausgang, c) einer Gleichstromzwischenkreisdrossel mit vier Anschlüssen und d) vier Dreifachumschaltern die entsprechend die Kondensatoren mit der Drossel verbinden, besteht. Mit der Erfindung ist es erstmals möglich, eine kompakte Schaltungsanordnung herzustellen, die insbesondere nur etwa 30 % des Platzbedarfs im Schaltschrank gegenüber äquivalenten Schaltungsanordnungen des Standes der Technik und auch nur ca. 20 % des Verdrahtungsaufwandes im Vergleich zum Stand der Technik benötigt.The circuit arrangement according to the invention is characterized in that the active part has the functionality of a current intermediate-circuit converter (CSI) and consists of: a) three AC capacitors in star connection or three AC capacitors in delta connection at the input, b) three AC capacitors in star connection or three AC capacitors in delta connection at the output, c) a four-terminal DC reactor and d) four triple-throw switches connecting the capacitors to the reactor respectively. With the invention, it is possible for the first time to produce a compact circuit arrangement which requires in particular only about 30% of the space required in the control cabinet over equivalent circuit arrangements of the prior art and also only about 20% of the wiring effort compared to the prior art.
Zum Vergleich darf nochmals aufgezeigt werden, dass eine Lösung gemäß dem derzeitigen Stand der Technik zwei übliche Spannungszwischenkreisumrichter VSI, ein schweres Netzfilter und ein ebenso schweres Sinusmotorfilter, das zwar zwischen den Phasen aber nicht gegen Erdpotential sinusförmige Spannungen erzeugt, umfassen würde.By way of comparison, it may again be shown that a solution according to the current state of the art would include two common voltage source inverters VSI, a heavy line filter and an equally heavy sine motor filter which generates sinusoidal voltages between the phases but not against earth potential.
Mit der Erfindung wird somit eine parallelschaltbare Schaltungsanordnung geschaffen, die in einer kompakten Anordnung vereinigt ist. Die kompakte Anordnung ist umgeben von einem hochfrequenzdichten Gehäuse, das, wie bei EMV- Filtern üblich, flächig mit PE (Protection Earth= Schutzleiter) verbunden ist.With the invention, a parallel switchable circuit arrangement is thus created, which is combined in a compact arrangement. The compact arrangement is surrounded by a high-frequency-tight housing, which, as usual with EMC filters, is connected to PE (Protection Earth).
Nach einer Weiterbildung der Erfindung sind die Wechselspannungskondensatoren durch Parallelschaltung mehrerer Kondensatoren aufgebaut. Dadurch können am Markt preisgünstige, übliche Bauteile beschafft werden, die eine wirtschaftliche Herstellung gewährleisten.According to a development of the invention, the AC capacitors are constructed by connecting several capacitors in parallel. As a result, inexpensive, conventional components can be procured on the market, which ensure economic production.
Auch Sonder- und Einzelausführungen sind durch deren Wirtschaftlichkeit möglich. Es besteht auch die Möglichkeit, selbstheilende Kondensatoren einzusetzen. Die derzeit üblichen zum Stand der Technik verwendeten Kondensatoren weisen nur eine begrenzte Lebensdauer auf.Special and individual versions are also possible due to their cost effectiveness. It is also possible to use self-healing capacitors. The current conventional capacitors used in the prior art have only a limited life.
Gemäß einem besonderen Merkmal der Erfindung ist die Gleichstromdrossel a) aus zwei magnetisch gekoppelten Spulen mit vier Anschlüssen aufgebaut und b) weist eine definierte Streu Induktivität auf, die eine Gleichtaktunterdrückung zwischen Eingang und Ausgang sicherstellt, c) besteht ihr magnetischer Kern aus mittelfrequenztauglichem Sintermetall (Pulver: z.B.: Sendust, High Flux, MPP) und d) ist als Sättigungs- oder Isthmusdrossel ausgeführt, wobei e) die Wicklungen aus anodisierten Aluminiumfolien bestehen, die zugleich Leiter und die Lagenisolation bilden. Eine derartige Drossel gewährleistet die wirtschaftliche Herstellung des Frequenzumrichters. Weiters ist durch die hohe Schaltfrequenz, beispielsweise 100 kHz, die Drossel um einen Faktor 330 kleiner und leichter als beim CSI mit Thyristoren.According to a particular feature of the invention, the DC reactor a) is composed of two magnetically coupled coils with four terminals and b) has a defined leakage inductance, which ensures a common mode rejection between input and output, c) consists of its magnetic core of medium frequency sintered metal (powder : eg Sendust, High Flux, MPP) and d) is designed as a saturation or Isthmusdrossel, where e) the windings of anodized aluminum foils are made, which also form conductors and the layer insulation. Such a throttle ensures the economic production of the frequency converter. Furthermore, the high switching frequency, for example, 100 kHz, the inductor by a factor of 330 smaller and lighter than the CSI with thyristors.
Nach einem weiteren, alternativen Merkmal der Erfindung ist ein passiver und ein symmetrisch aktiver Teil vorgesehen, wobei die Schaltungsanordnung parallelschaltbar ist und die Funktionen: a) EMV- Filter für sinusförmige Netzströme, b) 4-Quadranten-Frequenzumrichter und c) Sinus- Motor-Filter für sinusförmige Motorspannungen zwischen den Phasen und auch gegen Erdpotential erfüllt und in einer kompakten Anordnung vereinigt ist, die von einem hochfrequenzdichten Gehäuse umgeben ist. Durch die erfindungsgemäße Möglichkeit der Parallelschaltbarkeit ist der immense Vorteil gegeben, dass mit nur zwei Baugrößen, beispielsweise 11 kW und 22 kW eine Umrichterreihe bis 110 kW dargestellt werden kann. Das Potential der Einsparung an Entwicklungs-, Validierungs- und Zertifizierungskosten ist dadurch enorm hoch.According to a further, alternative feature of the invention, a passive and a symmetrically active part is provided, wherein the circuit arrangement can be connected in parallel and the functions: a) EMC filters for sinusoidal mains currents, b) 4-quadrant frequency converters and c) sine-motor Filter for sinusoidal motor voltages between the phases and against ground potential met and is combined in a compact arrangement, which is surrounded by a high-frequency-tight housing. Due to the possibility of parallel connection according to the invention, the immense advantage is given that with only two sizes, for example 11 kW and 22 kW, an inverter series up to 110 kW can be represented. The potential of saving on development, validation and certification costs is therefore enormously high.
Gemäß einem besonderen, alternativen Merkmal der Erfindung ist ein passiver und ein asymmetrischer aktiver Teil vorgesehen, wobei die Schaltungsanordnung parallelschaltbar ist und die Funktionen: a) EMV- Filter für sinusförmige Netzströme und b) 1-Quadranten-Frequenzumrichter mit einer Spannungsquelle am Ausgang erfüllt und in einer kompakten Anordnung vereinigt ist, die von einem hochfrequenzdichten Gehäuse umgeben ist. Durch diese erfindungsgemäße Merkmalskombination ist es möglich, den kompaktesten Solarumrichter am Markt anzubieten.According to a particular, alternative feature of the invention, a passive and an asymmetric active part is provided, wherein the circuit arrangement can be connected in parallel and the functions: a) EMC filter for sinusoidal mains currents and b) 1-quadrant frequency converter with a voltage source at the output and is combined in a compact arrangement, which is surrounded by a high-frequency-tight housing. This feature combination according to the invention makes it possible to offer the most compact solar inverter on the market.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist ein asymmetrischen aktiver Teil vorgesehen, wobei die Schaltungsanordnung parallelschaltbar ist und die Funktionen: a) 1-Quadranten-Frequenzumrichter mit einer Spannungsquelle am Eingang und b) Sinus- Motor-Filter- Funktion für sinusförmige Motorspannungen zwischen den Phasen aber auch gegen Erdpotential erfüllt und in einer kompakten Anordnung vereinigt ist. Wie ja bekannt, benötigen Tiefbohrpumpen Motorleitungen von einigen Kilometer Länge und ein „echtes“ Sinusmotorfilter. Mit der vorliegenden Erfindung ist dies möglich.According to a development of the invention an asymmetrical active part is provided, wherein the circuit arrangement is parallel switchable and the functions: a) 1-quadrant frequency converter with a voltage source at the input and b) sine motor filter function for sinusoidal motor voltages between the phases but also met against ground potential and united in a compact arrangement. As is well known, deep hole pumps require motor cables several kilometers in length and a "true" sine motor filter. This is possible with the present invention.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung wird, abhängig von der Polung der Spannungsquelle, diese geladen oder speist Energie ins Netz. Dadurch wird das Einsparungspotential noch weiter erhöht.According to one embodiment of the invention, depending on the polarity of the voltage source, this charged or feeds energy into the network. This further increases the savings potential.
Nach einem ganz besonderen Merkmal der Erfindung weist der Dreifachumschalter nachstehende konstruktive Anordnung auf: a. ) bei den in Stern geschalteten Wechselspannungskondensatoren ist der Sternpunkt mit dem Bezugspotential der Steuer- und Regeleinheit verbunden und die Messung der Spannung erfolgt mittels Spannungsteilern aus Widerständen, wobei diese auch zur Entladung der Kondensatoren dienen, und/oder b. ) die drei Serienschaltungen aus Schottky- Dioden undJ-FETs in „Wide bandgap“ Technologie wie beispielsweise: Silicon Carbide (SiC) bilden die die drei rückwärts nicht leitenden Dioden elektronischen Schalter, und/oder c. ) drei voneinander galvanisch getrennte Kühlkörper aus Aluminium sind für jeden der drei Schalter vorgesehen, und/oder d. ) die Kathoden der Dioden und die Drains der J-FETs sind über deren Kühlflächen elektrisch durch ihre Kühlkörper verbunden, und/oder e. ) die Beilage von Leitblättchen, beispielsweise aus Graphit, ist zwischen Kühlkörper und Dioden und J-FETs vorgesehen, um die elektrische und thermische Leitfähigkeit zwischen Kühlkörper und Dioden und J-FETs zu verbessern, und/oder f. ) die drei J-FETs werden über die Gatesignale angesteuert, wodurch der Drosselanschluss zyklisch mit den Wechselspannungskondensatoren verbunden wird, so dass der Drosselstrom zyklisch zwischen den Wechselspannungskondensatoren kommutiert, und/oder g. ) ein Aufbau aus Mehrfachmultilayer Leiterplatten, oder bei größeren Leistungen parallelen Blechen mit Isolationslagen zwischen den Blechen, verringert die wirksame Kommutierungsinduktivität, und/oder h. ) die galvanische Trennung der Stromversorgung der Gate- Treiber von GND wird mittels Planartransformatoren ausgeführt, deren Primärwicklung mit einem Mittelfrequenzgenerator, vorzugsweise nahe GND, verbunden ist und deren Sekundärwicklung die Gate- Treiber elektrisch versorgt, und/oder i.) die Wicklungen der Planartransformatoren werden durch spiralförmige Leiterbahnen auf und innerhalb der verwendeten Multilayerleiterplatte erzeugt und dort sind Ferritfolien an der Ober- und Unterseite der Leiterplatte angebracht. Der Vorteil liegt vor allem darin, dass bei einer 4-fach-Multilayer-Leiterplatte die Wicklungen der Transformatoren gratis sind.According to a very special feature of the invention, the triple-throw switch has the following structural arrangement: a. ) in the star-connected AC capacitors, the neutral point is connected to the reference potential of the control unit and the measurement of the voltage by means of voltage dividers of resistors, which also serve to discharge the capacitors, and / or b. ) the three series circuits of Schottky diodes and J-FETs in "wide bandgap" technology, such as: silicon carbide (SiC) form the three reverse non-conductive diodes electronic switches, and / or c. ) Three mutually galvanically isolated aluminum heat sink are provided for each of the three switches, and / or d. ) the cathodes of the diodes and the drains of the J-FETs are electrically connected through their cooling surfaces through their heat sinks, and / or e. ) the supplement of conductive vanes, for example of graphite, is provided between heat sinks and diodes and J-FETs in order to improve the electrical and thermal conductivity between heat sinks and diodes and J-FETs, and / or f. ) the three J-FETs are driven via the gate signals, whereby the reactor connection is cyclically connected to the AC capacitors, so that the inductor current cyclically commutates between the AC capacitors, and / or g. ) a construction of multiple multilayer printed circuit boards, or parallel plates with insulation layers between the sheets, reduces the effective commutation inductance, and / or h. ) the galvanic isolation of the power supply of the gate driver of GND is carried out by planar transformers whose primary winding is connected to a middle frequency generator, preferably near GND, and whose secondary winding electrically supplies the gate drivers, and / or i.) the windings of the planar transformers produced by spiral tracks on and within the multilayer printed circuit board used and there are ferrite films attached to the top and bottom of the circuit board. The main advantage is that with a 4-way multilayer printed circuit board, the windings of the transformers are free.
Die Erfindung wird an Hand von Ausführungsbeispielen, die in der Zeichnung dargestellt sind, näher erläutert.The invention will be explained in more detail with reference to exemplary embodiments, which are illustrated in the drawing.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 eine Schaltungsanordnung für einen Frequenzumrichter,1 shows a circuit arrangement for a frequency converter,
Fig. 2a eine Schaltungsanordnung mit der Energie ins Netz und Fig. 2b eine Schaltungsanordnung mit der Energie aus dem Netz eine Spannungsquelle geladet wird;Fig. 2a shows a circuit arrangement with the energy into the network and Fig. 2b shows a circuit arrangement with the energy from the mains a voltage source is charged;
Fig. 3a eine Schaltungsanordnung für ein E-Auto undFig. 3a shows a circuit arrangement for an e-car and
Fig. 3b eine Schaltungsanordnung wo ein Motor im Generatorbetrieb arbeitet und Fig. 4 eine konstruktive Anordnung.Fig. 3b shows a circuit arrangement where a motor operates in the generator mode and Fig. 4 shows a structural arrangement.
Gemäß der Fig. 1 ist eine Schaltungsanordnung gezeigt, die parallelschaltbar ist und die Funktionen: EMV- Filter für sinusförmige Netzströme, 4-Quadranten-Frequenzumrichter mit der Funktionalität eines CSI und Sinus- Motorfilter für sinusförmige Motorspannungen erfüllt und in einer kompakten Anordnung vereinigt ist. Sie ist umgeben von einem hochfrequenzdichten Gehäuse, das, wie bei EMV- Filtern üblich, flächig mit PE (Protection Earth= Schutzleiter 6) verbunden ist.Referring to Fig. 1, there is shown a circuit arrangement which is capable of being coupled in parallel and which fulfills the functions: sinusoidal-mode EMC filter, 4-quadrant frequency converter with the functionality of a CSI and sinusoidal motor voltage sine motor filter and is combined in a compact arrangement. It is surrounded by a high-frequency-tight housing, which, as usual with EMC filters, is connected to PE (Protection Earth 6).
Der passive Teil 1 ist der netzseitige Teil eines herkömmlichen EMV- Filters:The passive part 1 is the network side part of a conventional EMC filter:
Der passive Teil 1 besteht aus drei Kondensatoren Cx1, Cx2, CX3, in Sternschaltung und einem Kondensator Cy, verbunden mit dem Sternpunkt der Kondensatoren Cxi, Cx2, Cx3, und einem Schalter Sy, der den Kondensator Cy mit dem Schutzleiter 6 verbindet, falls der Nullleiter des Drehstromnetzes L1, L2, L3 mit dem Schutzleiter 6 verbunden ist. Wie ja bekannt, ist bei ungeerdeten Netzen offen. Weiters besteht der passive aus einer dreiphasigen Drosselspule DL.The passive part 1 consists of three capacitors Cx1, Cx2, CX3, in star connection and a capacitor Cy, connected to the star point of the capacitors Cxi, Cx2, Cx3, and a switch Sy, which connects the capacitor Cy to the protective conductor 6, if the Neutral of the three-phase network L1, L2, L3 is connected to the protective conductor 6. As known, is open at ungrounded networks. Furthermore, the passive consists of a three-phase inductor DL.
Der aktive Teil 2 ist eine symmetrische Anordnung mit der Funktion eines Stromzwischenkreisumrichters (CSI) bestehend aus: 1. ) Drei Eingangskondensatoren C3, C2, C1 in Sternschaltung oder C12, C13, C23 in Dreieckschaltung, wobei jene auch durch Parallelschaltung mehrerer Wechselspannungskondensatoren aufgebaut sein können. 2. ) Einer Gleichstromzwischenkreisdrossel D, als Energiespeicher, durch die immer nur Ströme mit iD> 0 A fließen.The active part 2 is a symmetrical arrangement with the function of a current intermediate-circuit converter (CSI) consisting of: 1.) Three input capacitors C3, C2, C1 in star connection or C12, C13, C23 in delta connection, which can also be constructed by connecting several AC capacitors in parallel , 2.) A DC intermediate circuit choke D, as energy storage, through which only currents with iD> 0 A flow.
Aufgebaut ist sie aus zwei magnetisch gekoppelten Spulen mit einer definierten Streuinduktivität, die eine Gleichtaktunterdrückung zwischen Eingang und Ausgang sicherstellt. Sie hat daher vier Anschlüsse. - Ihr magnetischer Kern besteht aus mittelfrequenztauglichem Sintermetall (Pulver: z.B.: Sendust, High Flux, MPP) und ist als Sättigungs- oder Isthmusdrossel ausgeführt. - die Wicklung besteht aus anodisierten Aluminiumfolien, die zugleich Leiter und Lagenisolation bilden und den Wickelraum des Pulverkerns gut ausnützen. 3. ) 3 Ausgangskondensatoren CW, CV, CU in Sternschaltung oder CWV, CWU, CVU in Dreieckschaltung, wobei jene auch durch Parallelschaltung mehrerer Wechselspannungskondensatoren aufgebaut sein können. 4. ) Einer Matrix aus vier Dreifachumschaltern S1, S2, S3 und S4 zwischen den Kondensatoren und der Zwischenkreisdrossel. 5. ) einer Steuer- und Regeleinheit 3, wo die Messwerte der Spannungen aller Kondensatoren und die des Drosselstroms iD verarbeitet und durch geeignete Schalterstellungen von S1, S2, S3 und S4 erreicht wird, dass: a. ) sinusförmige Eingangsströme iL1, il_2 und iL3 entstehen, b. ) ein definierter, beispielsweise der Durchgangsleistung proportionaler Strom iD fließt, wodurch die Parallelschaltbarkeit von Geräten auch unterschiedlicher Nennleistung sichergestellt ist und c. ) sinusförmige Ausgangsspannungen einstellbarer Frequenz und Amplitude zwischen U,V und W erzeugt werden.It is composed of two magnetically coupled coils with a defined leakage inductance, which ensures common mode rejection between input and output. It therefore has four connections. - Its magnetic core consists of medium-frequency suitable sintered metal (powder: for example: Sendust, High Flux, MPP) and is designed as a saturation or Isthmusdrossel. - The winding consists of anodized aluminum foils, which also form conductors and layer insulation and make good use of the winding space of the powder core. 3.) 3 output capacitors CW, CV, CU in star connection or CWV, CWU, CVU in delta connection, whereby those can be constructed by parallel connection of several AC capacitors. 4.) A matrix of four triple switches S1, S2, S3 and S4 between the capacitors and the DC reactor. 5.) a control and regulation unit 3, where the measured values of the voltages of all capacitors and that of the inductor current iD are processed and achieved by suitable switch positions of S1, S2, S3 and S4, that: a. ) sinusoidal input currents iL1, il_2 and iL3 arise, b. ) a defined, for example, the passage power proportional current iD flows, whereby the parallel connection of devices of different rated power is ensured and c. ) sinusoidal output voltages of adjustable frequency and amplitude between U, V and W are generated.
Wie beim CSI mit Thyristoren, kann auch hier Energie ins Netz rückgespeist werden, wenn der Motor zum Generator wird. Die beschriebene Anordnung ist daher d. ) 4-quadrantenfähig.Like the CSI with thyristors, energy can be fed back into the grid when the motor becomes a generator. The described arrangement is therefore d. ) 4-quadrant capable.
Da durch die Gleichstromzwischenkreisdrossel D nur in einer Richtung Strom fließen soll, sind für die Schalter S1 bis S4 rückwärts nichtleitende Bauelemente ideal. Thyristoren hatten diese Eigenschaft und wurden im herkömmlichen CSI eingesetzt.Since current is intended to flow through the DC intermediate-circuit choke D only in one direction, non-conductive components are ideal for the switches S1 to S4 backward. Thyristors had this feature and were used in conventional CSI.
Diese Erfindung braucht aber schnellere, rückwärts nichtleitende Bauteile, die derzeit am Bauteilmarkt schwer oder nicht verfügbar sind.However, this invention needs faster, reverse non-conductive components that are currently difficult or unavailable in the component market.
Derzeit muss man sich mit einer Serienschaltung aus Diode und rückwärts leitenden Bauteilen behelfen. Das sind beispielsweise Schottkydioden und J-FETs (Junction Field Effect Tansistors, normally-on) beide in „Wide bandgap“ Technologie wie z.B.: SiC (Silicon Carbide). Dies, weil die Schaltfrequenz relativ hoch sein soll, beispielsweise 100kFlz, um die Kapazitätswerte der Kondensatoren und die notwendige Induktivität der Stromzwischenkreisdrossel möglichst klein zu halten.Currently, you have to make do with a series circuit of diode and backward conductive components. These are, for example, Schottky diodes and J-FETs (junction field effect transistors, normally-on) both in "wide bandgap" technology such as SiC (Silicon Carbide). This is because the switching frequency should be relatively high, for example 100 kFlz, in order to keep the capacitance values of the capacitors and the necessary inductance of the current intermediate circuit choke as small as possible.
Gemäß der Fig. 2a und 2b ist der 1-Quadrantenbetrieb gezeigt, wobei ein passiver und ein asymmetrischer aktiver Teil vorgesehen ist, wobei die Schaltungsanordnung parallelschaltbar ist und die Funktionen: a) EMV- Filter für sinusförmige Netzströme, b) 1-Quadranten-Frequenzumrichter und in einer kompakten Anordnung vereinigt ist, die von einem hochfrequenzdichten Gehäuse umgeben ist und die Gleichstromdrossel (D) a) aus zwei magnetisch gekoppelten Spulen mit vier Anschlüssen aufgebaut ist und b) eine definierte Streu Induktivität aufweist, die eine Gleichtaktunterdrückung zwischen Eingang und Ausgang sicherstellt, c) ihr magnetischer Kern aus mittelfrequenztauglichem Sintermetall (Pulver: z.B.: Sendust, High Flux, MPP) besteht und d) als Sättigungs- oder Isthmusdrossel ausgeführt ist, wobei e) die Wicklungen aus anodisierten Aluminiumfolien bestehen, die zugleich Leiter und die Lagenisolation bilden.Referring to Figures 2a and 2b, the 1-quadrant operation is shown with a passive and an asymmetric active part, the circuitry being switchable in parallel and having the functions: a) EMC filters for sinusoidal power supplies, b) 1-quadrant frequency converters and is combined in a compact arrangement surrounded by a high-frequency-tight housing and the DC reactor (D) a) is constructed of two magnetically coupled coils with four terminals and b) has a defined leakage inductance, which ensures a common mode rejection between input and output , c) their magnetic core consists of medium-frequency sintered metal (powder: eg Sendust, High Flux, MPP) and d) is designed as a saturation or Isthmusdrossel, where e) the windings of anodized aluminum foil, which form both conductors and the layer insulation ,
Die Schaltungsanordnung ist selbsterklärend und die Bezugszeichen entsprechend den Bauteilen in Fig. 1.The circuit arrangement is self-explanatory and the reference numerals correspond to the components in FIG. 1.
Wenn nur aus einer Spannungsquelle, beispielsweise einem Akku oder einer Solarzelle Energie ins Netz gespeist werden soll, ist dies im 1-Quadrantenbetrieb möglich.If only from a voltage source, such as a battery or a solar cell energy to be fed into the grid, this is possible in 1-quadrant operation.
Die Fig. 2b zeigt eine Anordnung, die eine Spannungsquelle, beispielsweise einen Akku eines E-Autos, der aus dem Netz geladen wird. Dazu ist im Gegensatz zu Fig. 2a die Spannungsquelle umgepolt.Fig. 2b shows an arrangement which is a voltage source, such as a battery of an electric car, which is loaded from the network. For this purpose, in contrast to Fig. 2a, the voltage source is reversed.
Gemäß der Fig. 3a und 3b ist der 1-Quadrantenbetrieb gezeigt, wobei nur ein asymmetrischer aktiver Teil vorgesehen ist, wobei die Schaltungsanordnung parallelschaltbar ist und die Funktionen: a) 1-Quadranten-Frequenzumrichter mit einer Spannungsquelle am Eingang und b) einer Sinus- Motor-Filter- Funktion für sinusförmige Motorspannungen zwischen den Phasen aber auch gegen Erdpotential erfüllt und in einer kompakten Anordnung vereinigt ist.According to FIGS. 3a and 3b, the one-quadrant operation is shown with only one asymmetric active part being provided, wherein the circuit arrangement can be connected in parallel and the functions: a) 1-quadrant frequency converter with a voltage source at the input and b) a sine wave Motor filter function for sinusoidal motor voltages between the phases but also against ground potential fulfilled and united in a compact arrangement.
Die Fig. 3a zeigt eine Anordnung, die von einer Spannungsquelle, beispielsweise einem Akku oder einer Brennstoffzelle, einen Motor, beispielsweise in einem E-Auto antreibt.FIG. 3a shows an arrangement which drives a motor, for example in an e-car, from a voltage source, for example a rechargeable battery or a fuel cell.
Die Fig. 3b zeigt eine Anordnung, wo ein Motor, beispielsweise in einem E-Auto beim Bremsen oder Bergabfahren, im Generatorbetrieb Energie in eine umgepolte Spannungsquelle, beispielsweise einen Akku zurückspeist.Fig. 3b shows an arrangement where a motor, for example, in an electric car when braking or downhill, in generator mode energy back into a reversed voltage source, such as a battery.
Jede Schaltungsanordnung ist selbsterklärend und die Bezugszeichen entsprechend den Bauteilen in Fig. 1.Each circuit arrangement is self-explanatory and the reference numerals correspond to the components in FIG. 1.
Gemäß der Fig. 4 ist die konstruktive Anordnung dargelegt:According to Fig. 4, the structural arrangement is set forth:
Die Fig.4 zeigt beispielsweise einen der 4 Dreifachumschalter S1, S2, S3, S4 aus Fig. 1, die alle gleichartig aufgebaut sind, mit realen Bauteilen in deren erfindungsgemäßer, konstruktiver Anordnung:4 shows, for example, one of the four triple-throw switches S1, S2, S3, S4 from FIG. 1, which are all of a similar design, with real components in their inventive, constructive arrangement:
Die Wechselspannungskondensatoren C1, C2, C3 sind hier in Stern geschaltet; der Sternpunkt ist mit dem Bezugspotential GND der Steuer- und Regeleinheit 3 verbunden.The AC capacitors C1, C2, C3 are connected in star here; the neutral point is connected to the reference potential GND of the control and regulation unit 3.
Die Messung von uC1, uC2 und uC3 erfolgt mittels Spannungsteilern aus Widerständen. Diese dienen auch zur Entladung der Kondensatoren.The measurement of uC1, uC2 and uC3 is done by means of voltage dividers from resistors. These also serve to discharge the capacitors.
Die Messung des Stromes durch die Gleichstromzwischenkreisdrossel D erfolgt mittels eines Stromwandlers außerhalb von S1.The measurement of the current through the DC intermediate circuit choke D by means of a current transformer outside of S1.
Die drei Serienschaltungen aus Schottky- Dioden D1, D2, D3 und J-FETs F1, F2, F3 bilden die 3 rückwärts nicht leitenden, elektronischen Schalter von S1.The three series circuits of Schottky diodes D1, D2, D3 and J-FETs F1, F2, F3 form the 3 backward non-conducting electronic switches of S1.
Vorgesehen sind drei voneinander galvanisch getrennte Kühlkörper KK1, KK2, KK3 aus Aluminium. Für jeden der drei Schalter ist ein eigener Kühlkörper KK1, KK2, KK3 vorgesehen.Three galvanically isolated heat sinks KK1, KK2, KK3 made of aluminum are provided. For each of the three switches a separate heat sink KK1, KK2, KK3 is provided.
Die Kathoden der Dioden und die Drains der J-FETs sind über deren Kühlflächen elektrisch durch ihre Kühlkörper verbunden.The cathodes of the diodes and the drains of the J-FETs are electrically connected via their cooling surfaces through their heat sinks.
Die Beilage von Leitblättchen, beispielsweise aus Graphit zwischen dem Kühlkörper KK1, KK2, KK3 und den Kühlflächen der Dioden und J-FETs verbessert die elektrische und thermische Leitfähigkeit zwischen dem Kühlkörper KK1, KK2, KK3 und Dioden und J-FETs.The supplement of guide vanes, for example of graphite, between the heat sink KK1, KK2, KK3 and the cooling surfaces of the diodes and J-FETs improves the electrical and thermal conductivity between the heat sink KK1, KK2, KK3 and diodes and J-FETs.
Die Wurzel des Dreifach Umschalters S1 bilden hier die drei Sourcen der J-FETs, wobei jene mit einem der vier Drosselanschlüsse verbunden ist.The root of the triple switch S1 here form the three sources of the J-FETs, which is connected to one of the four throttle ports.
Die drei J-FETs werden über die Gatesignale G11, G12, G13 angesteuert, wodurch der Drosselanschluss zyklisch mit C1, C2, C3 verbunden wird.The three J-FETs are driven via the gate signals G11, G12, G13, whereby the throttle terminal is cyclically connected to C1, C2, C3.
Dadurch kommutiert der Drosselstrom iD zyklisch zwischen C1, C2, C3.As a result, the inductor current iD commutes cyclically between C1, C2, C3.
Die Steuerung ist so ausgeführt, dass immer mindestens einer der 3 J-FETs eingeschaltet ist, damit der Drosselstrom iD niemals unterbrochen wird.The control is designed so that always at least one of the 3 J-FETs is switched on, so that the inductor current iD is never interrupted.
Ein Aufbau als Mehrfachmultilayer-Leiterplatte oder bei größeren Leistungen parallelen Blechen mit Isolationslagen zwischen den Blechen, verringert die wirksame Kommutierungsinduktivität, was höhere Schaltfrequenzen ermöglicht.A multi-layered printed circuit board design or, for larger powers, parallel sheets with insulation layers between the sheets, reduces the effective commutation inductance, allowing for higher switching frequencies.
Die Steuer- und Regeleinheit 3 und die Gates der 3 J-FETs sind galvanisch getrennt. Das kann mittels verfügbarer Bauelemente in den Gate-Treibern erfolgen.The control unit 3 and the gates of the 3 J-FETs are galvanically isolated. This can be done by means of available components in the gate drivers.
Die Stromversorgung der Gate-Treiber muss ebenfalls galvanisch von GND getrennt sein. Das kann mittels Planartransformatoren erreicht werden, deren Primärwicklung mit einem Mittelfrequenzgenerator, nahe GND, verbunden ist und deren Sekundärwicklung die Gate- Treiber elektrisch versorgt.The power supply to the gate drivers must also be galvanically isolated from GND. This can be achieved by means of planar transformers whose primary winding is connected to a mid-frequency generator, near GND, and whose secondary winding electrically supplies the gate drivers.
Die Wicklungen der Planartransformatoren werden durch spiralförmige Leiterbahnen in und auf der verwendeten Multilayerleiterplatte realisiert. Über und unter den spiralförmigen Leiterbahnen verbessern Ferritfolien an der Ober- und Unterseite der Leiterplatte die Effizienz der Planartransformatoren und verringern Störstrahlungen.The windings of the planar transformers are realized by spiral-shaped conductor tracks in and on the multilayer printed circuit board used. Above and below the spiral tracks, ferrite foils on the top and bottom of the board improve the efficiency of the planar transformers and reduce noise.
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