DE10044869A1

DE10044869A1 - Filterschaltungsanordnung für eine Stromrichterschaltung

Info

Publication number: DE10044869A1
Application number: DE10044869A
Authority: DE
Inventors: Gernot Enzensberger; Markus Joerg; Gerald Hilpert; Stefan Umbricht
Original assignee: DaimlerChrysler Rail Systems GmbH
Current assignee: Bombardier Transportation GmbH
Priority date: 2000-09-12
Filing date: 2000-09-12
Publication date: 2002-04-04
Also published as: JP2004509592A; WO2002023705A1; EP1317792A1

Abstract

Es wird eine Filterschaltungsanordnung für eine einphasig oder dreiphasig ausgeführte Stromrichterschaltung (7) zur Begrenzung der Steilheit der Schaltspannung der Stromrichterschaltung (7) bei Potentialwechseln angegeben, die jeweils mindestens eine Induktivität (2) an Wechselspannungsanschlüssen (1) der Stromrichterschaltung (7) aufweist, wobei an jedem an der Induktivität (2) vorgesehenen Induktivitätsanschluss (3) eine elektrische Last (6) sowie eine spannungsbegrenzende Einrichtung (4) angeschlossen sind und zudem zwischen den Induktivitätsanschlüssen (3) jeweils ein Filterkondensator (5) vorgesehen ist. Darüber hinaus sind bei der Filterschaltungsanordnung die Induktivität (2) und der Filterkondensator (5) derart gewählt, dass die Resonanzfrequenz (f¶res¶) der Filterschaltungsanordnung wesentlich größer ist als die Schaltfrequenz (f¶S¶) der Leistungshalbleiterschalter der Stromrichterschaltung (7).

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Leistungselektronik. Sie geht aus von einer Filterschaltungsanordnung für eine Stromrichterschaltung gemäss dem Oberbegriff des unab hängigen Anspruchs.

Stand der Technik

Stromrichterschaltungen, insbesondere mit einem einphasigen oder dreiphasigen Wech selspannungsausgang, die aus abschaltbaren Leistungshalbleiterschaltern, wie beispielsweise Bipolartransistoren mit isoliert angeordneter Gatelektrode, aufgebaut sind, benötigen zur Be grenzung der Steilheit bei Potentialwechseln der zwischen Wechselspannungsanschlüssen der Stromrichterschaltung anliegenden Schaltspannung Filterschaltungsanordnungen. Eine solche Begrenzung der Steilheit der Schaltspannung bei Potentialwechseln ist insbesondere bei an den Wechselspannungsausgang der Stromrichterschaltung angeschlossenen elektrischen La sten wie Transformatoren oder Elektromotoren notwendig, da ansonsten unsymmetrische Be anspruchungen der Wicklungsisolationen in den Transformatoren oder Elektromotoren auftreten können und es bei Anschluss eines Elektromotors zudem zu Lagerschäden kommen kann.

Eine für die Reduzierung von Resonanzschwingungen in einer Leitung geeignete Filterschal tungsanordnung ist in der EP 0 473 192 B2 gezeigt. Darin ist an den Wechselspannungsan schlüssen einer dreiphasig ausgeführten Stromrichterschaltung jeweils eine Induktivität der Filterschaltungsanordnung angeschlossen. Zudem ist zwischen jedem Anschluss der einzel nen Induktivitäten und den beiden Gleichspannungsanschlüssen der Stromrichterschaltung jeweils ein Widerstand mit einer Diode angeschlossen. Der Widerstand mit der Diode zwi schen den jeweiligen Induktivitätsanschlüssen und den beiden Gleichspannungsanschlüssen dient der Ausgangsstrombegrenzung während Schaltvorgängen der Stromrichterschaltung bei Anschluss einer elektrischen Last, insbesondere eines über eine mit einem Leitungsbelag be haftete lange Leitung gespeisten Motors.

Problematisch bei einer derartigen Filterschaltungsanordnung nach der EP 0 473 192 B2 ist, dass zur Begrenzung des Ausgangsstromes der Stromrichterschaltung bei Schaltvorgängen für die Induktivitäten der Filterschaltungsanordnung extrem grosse Werte gegenüber der Leitungsinduktivität der Leitung gewählt werden müssen, um eine befriedigende Begrenzung des Stromes erreichen zu können. Diese Induktivitätenwahl führt jedoch zu drastischen Mate rialkosten, einer Gewichtserhöhung und einem hohen Platzbedarf.

Weiterhin erlaubt die Filterschaltungsanordnung keine flexible Ankopplung an eine elektri sche Last, da die Filterbauelemente, insbesondere die Induktivitäten in Abhängigkeit der an zuschliessenden Leitung ausgewählt und ausgelegt werden müssen. Die Filterschaltungsan ordnung eignet sich zwar bei exakter Auslegung zur Unterdrückung von Resonanzschwin gungen in einer Leitung. Sie ist jedoch beispielsweise für eine Begrenzung der Steilheit der Schaltspannung bei Potentialwechseln, die zur Minderung der elektrischen und mechanischen Beanspruchungen der Komponenten der anzuschliessenden elektrischen Last unerlässlich ist, bei einer Ankopplung an unterschiedliche Lasten ungeeignet, da sie von den durch die Last vorgegeben Randbedingungen abhängig ist.

Darstellung der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Filterschaltungsanordnung für eine aus Leistungs halbleiterschaltern aufgebauten Stromrichterschaltung anzugeben, die die Steilheit der Schaltspannung der Stromrichterschaltung bei Potentialwechseln begrenzt, lastunabhängig ausgelegt werden kann und sehr einfach und mit wenigen Bauelementen realisiert ist. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs gelöst. In den Unteransprü chen sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung angegeben.

Die erfindungsgemässe Filterschaltungsanordnung für die einphasig oder dreiphasig ausge führte Stromrichterschaltung weist jeweils mindestens eine Induktivität an Wechselspan nungsanschlüssen der Stromrichterschaltung auf, wobei an jedem an der Induktivität vorgese henen Induktivitätsanschluss eine elektrische Last angeschlossen ist. Erfindungsgemäss ist ferner an jedem Induktivitätsanschluss eine spannungsbegrenzende Einrichtung angeschlos sen und zudem ist vorteilhaft zwischen den Induktivitätsanschlüssen jeweils ein Filterkon densator vorgesehen. Der Filterkondensator zusammen mit der Induktivität dient vorteilhaft der Begrenzung der Steilheit der Schaltspannung, insbesondere bei Potentialwechseln. Dar über hinaus sind bei der Filterschaltungsanordnung erfindungsgemäss die Induktivität und der Filterkondensator derart gewählt, dass die Resonanzfrequenz der Filterschaltungsanordnung wesentlich grösser ist, als die Schaltfrequenz der Leistungshalbleiterschalter der Strom richterschaltung. Dadurch lässt sich die Steilheit der Schaltspannung auf eine bestimmte Grö sse einstellen beziehungsweise begrenzen. Mechanische und elektrische Beanspruchungen einer an die Filterschaltungsanordnung, insbesondere an die Induktivitätsanschlüsse ange schlossenen elektrischen Last können so in gewünschter Weise reduziert werden, wobei auf eine lastabhängige aufwendige Auslegung der Induktivität und des Filterkondensators ver zichtet werden kann. Die spannungsbegrenzende Einrichtung gewährleistet zudem, dass mögliche, bei der Begrenzung der Steilheit der Schaltspannung bei Potentialwechseln auftre tende unzulässige Überspannungswerte in der Schaltspannung weitestgehend minimiert wer den.

Weiterhin werden eventuell auftretende hochfrequente Schwingungen in der Schaltspannung, nie durch die Auslegung des Filterkondensators und der Induktivität hervorgerufen werden, durch die an jedem Induktivitätsanschluss vorgesehene spannungsbegrenzende Einrichtung gedämpft, so dass mittels dieser Dämpfung die hochfrequenten Schwingungen vorteilhaft von der elektrischen Last abgehalten werden und eine weitere Reduzierung der mechanischen und elektrischen Beanspruchungen erreicht wird. Die Filterschaltung ermöglicht somit zudem ei ne verbesserte Betriebssicherheit der angeschlossenen elektrischen Lasten und weiterer eventuell stromrichterausgangsseitig beteiligter Beschaltungen.

Insgesamt stellt die erfindungsgemässe Filterschaltungsanordnung ein besonders einfache und kostengünstige Lösung dar, da sie mit wenigen Bauelementen auskommt und demnach ein fach und mit geringem zeitlichen Aufwand realisiert werden kann.

Diese und weitere Aufgaben, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung offensichtlich.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Es zeigen:

Fig. 1 eine erste erfindungsgemässe Ausführungsform einer Filterschal tungsanordnung für eine dreiphasige Stromrichterschaltung,

Fig. 2 eine zweite erfindungsgemässe Ausführungsform einer Filterschal tungsanordnung für eine dreiphasige Stromrichterschaltung,

Fig. 3 eine dritte erfindungsgemässe Ausführungsform einer Filterschal tungsanordnung für eine dreiphasige Stromrichterschaltung und

Fig. 4 eine vierte erfindungsgemässe Ausführungsform einer Filterschal tungsanordnung für eine dreiphasige Stromrichterschaltung.

Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Wege zur Ausführung der Erfindung

In Fig. 1 ist eine erste Ausführungsform einer Filterschaltungsanordnung für eine dreiphasige Stromrichterschaltung 7 dargestellt. Die Stromrichterschaltung 7 ist aus Leistungshalbleiter schaltern aufgebaut, die insbesondere als Bipolartransistoren mit isoliert angeordneter Ga teelektrode ausgeführt sind. An Gleichspannungsanschlüssen 8 der Stromrichterschaltung 7 ist ein gängiger Gleichspannungszwischenkreis mit einem Zwischenkreiskondensator vorge sehen, der als Energiespeicher dient. Die Stromrichterschaltung 7 weist an ihrem dreiphasigen Wechselspannungsausgang Wechselspannungsanschlüsse 1 auf, an die jeweils mindestens eine Induktivität 2 angeschlossen ist. Zwischen den Wechselspannungsanschlüssen 1 liegt zudem die Schaltspannung der Stromrichterschaltung 7 an, die der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigt ist. Ferner weist jede Induktivität 2 gemäss Fig. 1 an ihrer Lastseite einen In duktivitätsanschluss 3 auf, an den eine gängige elektrische Last 6, wie beispielsweise ein Transformator oder ein elektrischer Motor, angeschlossen ist.

Zur Begrenzung der Steilheit der Schaltspannung, insbesondere der Schaltflanken der Schaltspannung bei Potentialwechseln, ist erfindungsgemäss gemäss Fig. 1 und gemäss wei teren erfindungsgemässen Ausführungsformen der Filterschaltungsanordnung in den Fig. 2 bis Fig. 4 zwischen den Induktivitätsanschlüssen 3 jeweils ein Filterkondensator 5 vorgese hen, der jeweils zwei Induktivitätsanschlüsse 3 verbindet. Dieser Filterkondensator 5 bildet zusammen mit der Induktivität 2 einen Resonanzkreis, der durch seine Filterwirkung vorteil haft die Steilheit der Schaltflanken der Schaltspannung in gewünschtem Masse begrenzt. Die Induktivität 2 und der Filterkondensator 5 sind erfindungsgemäss derart ausgewählt, dass die Resonanzfrequenz f_res der Filterschaltungsanordnung wesentlich grösser ist, als die Schaltfrequenz f_S der Leistungshalbleiterschalter der Stromrichterschaltung 7, wobei die Resonanzfre quenz f_res vorzugsweise in der Grössenordnung der 500-fachen Schaltfrequenz f_S liegt.

Alternativ ist es ebenfalls möglich, die Induktivitäten 2 und die Filterkondensatoren 5 als Sternschaltung zu realisieren, bei der die Filterkondensatoren 5 mit einem Anschluss mit den Induktivitätsanschlüssen 3 der Induktivitäten 2 verbunden sind und der andere Anschluss aller Filterkondensatoren 5 miteinander verbunden ist.

Dadurch, dass die Induktivität 2 und der Filterkondensator 5 in der vorstehend beschriebenen Weise ausgelegt werden, ist eine Einstellung beziehungsweise eine Begrenzung der Steilheit der Schaltspannung bei Potentialwechseln auf eine bestimmte Grösse möglich. Durch die Be grenzung der Steilheit der Schaltspannung bei Potentialwechseln werden elektrische Bean spruchungen beispielsweise von Isolationswicklungen eines als elektrische Last 6 ausgebil deten Transformators oder elektrischen Motors reduziert. Darüber hinaus werden die mecha nischen Beanspruchungen, insbesondere bei einem als elektrische Last 6 an die Induktivitäts anschlüsse 3 angeschlossenen elektrischen Motor beispielsweise in den Motorlagern und der Motorwelle ebenfalls herabgesetzt. Weiterhin ist die Auslegung der Induktivität und des Kondensators mit Vorteil lastunabhängig, so dass auf eine an die elektrische Last angepasste aufwendige und damit teuere Auslegung verzichtet werden kann.

Nach den erfindungsgemässen Ausführungsformen der Filterschaltungsanordnung gemäss den Fig. 1 bis Fig. 4 ist eine an jedem Induktivitätsanschluss 3 angeschlossene spannungsbe grenzende Einrichtung 4 vorgesehen. Diese spannungsbegrenzende Einrichtung 4 stellt si cher, dass mögliche bei der Begrenzung der Steilheit der Schaltspannung bei Potentialwech seln auftretende unzulässige Überspannungswerte in der Schaltspannung auf eine Minimum reduziert werden. Darüber hinaus werden eventuell auftretende hochfrequente Schwingungen in der Schaltspannung, die durch die Auslegung des Filterkondensators 5 und der Induktivität 2 auftreten können, durch die spannungsbegrenzende Einrichtung 4 gedämpft, so dass derar tige hochfrequente Schwingungen vorteilhaft von der elektrischen Last abgehalten werden. Dadurch kann eine weitere Reduzierung der mechanischen und elektrischen Beanspruchun gen erzielt werden.

Erfindungsgemäss weist die spannungsbegrenzende Einrichtung 4 gemäss Fig. 1 mindestens einen Varistor auf, wobei vorteilhaft jeweils ein Varistor zwischen den Induktivitätsanschlüs sen 3 vorgesehen ist, der jeweils zwei Induktivitätsanschlüsse 3 verbindet. Der Einsatz des Varistors als spannungsbegrenzende Einrichtung 4 hat den Vorteil, dass auf eine aufwendige spannungsbegrenzende Beschaltung der Induktivitätsanschlüsse 3 mit einer Vielzahl an Bau elementen verzichtet werden kann.

In Fig. 2 ist eine zweite erfindungsgemässe Ausführungsform der Filterschaltungsanordnung dargestellt. Darin ist die bereits in Fig. 1 beschriebene Stromrichterschaltung 7 gezeigt, an die an den Wechselspannungsanschlüssen 1 jeweils mindestens eine Induktivität 2 in vorstehend beschriebener Weise angeschlossen ist. Ferner ist der Filterkondensator 5 und die elektrische Last in beschriebener Weise angeordnet. Die spannungsbegrenzende Einrichtung 4 gemäss Fig. 2 weist im Gegensatz zu der in Fig. 1 gezeigten erfindungsgemäss mindestens zwei Dioden mit jeweils einem zu jeder Diode in Reihe geschalteten Widerstand auf. Die span nungsbegrenzende Einrichtung 4, insbesondere die Dioden mit den in Reihe geschalteten Wi derständen sind dabei mit den Gleichspannungsanschlüssen 8 der Stromrichterschaltung 7 verbunden. Der Vorteil der mit den Dioden mit in Reihe geschalteten Widerständen ausgebil deten spannungsbegrenzenden Einrichtung 4 besteht darin, dass durch geeignete Wahl des zur Diode in Reihe geschalteten Widerstands der Verlauf der Minimierung von Überspannungs werten der Schaltspannung bei der Begrenzung der Steilheit der Schaltspannung bei Poten tialwechseln an vorgegebene Anforderungen der Stromrichterschaltung angepasst werden kann. So ist es beispielsweise möglich, den Widerstand derart zu wählen, dass kein oder nur sehr geringes Überschwingen in der gedämpften und in ihrer Steilheit begrenzten Schaltspan nung auftritt. Mögliche Überspannungswerte werden somit von der angeschlossenen elektri schen Last 6 ferngehalten.

Die in Fig. 3 dargestellte dritte Ausführungsform der Filterschaltungsanordnung unterscheidet sich gegenüber der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform dadurch, dass die spannungsbegren zende Einrichtung 4 mindestens zwei über zwei Widerstände mit den Gleichspannungsan schlüssen 8 der Stromrichterschaltung 7 verbundene Dioden aufweist. Neben den bereits genannten Vorteilen der ersten und zweiten Ausführungsform der Filterschaltungsanordnung, insbesondere der Ausbildung der spannungsbegrenzenden Einrichtung 4, liegt ein zusätzli cher Vorteil der gemäss Fig. 3 ausgebildeten spannungsbegrenzenden Einrichtung 4 darin, dass der zu jeder Diode in Reihe geschaltete Widerstand der spannungsbegrenzenden Ein richtung 4 gemäss Fig. 2 eingespart werden kann, woraus sich eine wesentliche Kostenreduk tion und eine Gewichts- und Platzersparnis, insbesondere bei einer dreiphasigen Strom richterschaltung ergibt.

In Fig. 4 ist eine vierte erfindungsgemäss Ausführungsform der Filterschaltungsanordnung gezeigt. Diese Ausführungsform unterschiedet sich von den vorstehend beschriebenen Aus führungsformen der Filterschaltungsanordnung gemäss Fig. 1 bis Fig. 3 dadurch, dass die spannungsbegrenzende Einrichtung 4 einen in Reihe zu jedem Filterkondensator 5 geschalte ten Widerstand aufweist. Die spannungsbegrenzende Einrichtung 4, insbesondere der in Rei he zu jedem Filterkondensator 5 geschaltete Widerstand hat den Vorteil, dass durch geeignete Wahl des Widerstands die Charakteristik der Minimierung von Überspannungswerten der Schaltspannung bei der Begrenzung der Steilheit der Schaltspannung bei Potentialwechseln an vorgegebene Anforderungen der Stromrichterschaltung angepasst werden kann und gleich zeitig eine minimale Anzahl an Bauelementen verwendet wird. Der Widerstand kann derart gewählt werden, dass kein oder nur sehr geringes Überschwingen in der gedämpften und in ihrer Steilheit begrenzten Schaltspannung auftritt. Überspannungswerte, die eventuell auftre ten können, werden dadurch vorteilhaft von der angeschlossenen elektrischen Last 6 abge halten.

Insgesamt ist die erfindungsgemässe Filterschaltungsanordnung gemäss Fig. 1 bis Fig. 4 sehr einfach und mit wenigen Elementen aufgebaut und kann sowohl für die beschriebene drei phasige Stromrichterschaltung 7 gemäss den Fig. 1 bis Fig. 4 als auch für eine einphasige Stromrichterschaltung mit einem einphasigen Wechselspannungsausgang zur Begrenzung der Steilheit der Schaltspannung bei Potentialwechseln eingesetzt werden. Die Filterschaltungs anordnung stellt somit eine sehr einfache, flexible und kostengünstige Lösung dar.

Claims

1. Filterschaltungsanordnung für eine aus Leistungshalbleiterschaltern aufgebaute Strom richterschaltung (7) mit jeweils mindestens einer an Wechselspannungsanschlüssen (1) der Stromrichterschaltung (7) angeschlossenen Induktivität (2), wobei jede Induktivität (2) an der Lastseite einen Induktivitätsanschluss (3) aufweist, an den eine elektrische Last (6) angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass
an jedem Induktivitätsanschluss (3) eine spannungsbegrenzende Einrichtung (4) ange schlossen ist und
zwischen den Induktivitätsanschlüssen (3) jeweils ein Filterkondensator (5) vorgesehen ist,
wobei die Induktivität (2) und der Filterkondensator (5) derart gewählt sind, dass die Re sonanzfrequenz (f_res) der Filterschaltungsanordnung wesentlich grösser ist, als die Schalt frequenz (f_S) der Leistungshalbleiterschalter der Stromrichterschaltung (7).

2. Filterschaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Induktivitäten (2) und Filterkondensatoren (5) als Sternschaltung verschaltet sind, wobei mit jedem Induktivitätsanschluss (3) jeweils ein Filterkondensator (5) mit einem An schluss verbunden ist, während der andere Anschluss jedes Filterkondensators (5) mit den anderen Anschlüssen der anderen Filterkondensatoren (5) verbunden ist.

3. Filterschaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonanzfrequenz (f_res) in der Grössenordnung der 500-fachen Schaltfrequenz (f_S) liegt.

4. Filterschaltungsanordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die spannungsbegrenzende Einrichtung (4) mindestens einen Varistor aufweist.

5. Filterschaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils ein Varistor zwischen den Induktivitätsanschlüssen (1) vorgesehen ist.

6. Filterschaltungsanordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die spannungsbegrenzende Einrichtung (4) mindestens zwei Dioden mit jeweils einem zu jeder Diode in Reihe geschalteten Widerstand aufweist, wobei die spannungsbegrenzende Einrichtung (4) mit Gleichspannungsanschlüssen (8) der Stromrichterschaltung (7) verbunden ist.

7. Filterschaltungsanordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die spannungsbegrenzende Einrichtung (4) mindestens zwei Dioden aufweist, wobei die Dioden über zwei Widerstände mit Gleichspannungsanschlüssen (8) der Stromrichter schaltung (7) verbunden sind.

8. Filterschaltungsanordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die spannungsbegrenzende Einrichtung (4) einen in Reihe zu jedem Filterkondensator (5) geschalteten Widerstand aufweist.