DE102004051129A1

DE102004051129A1 - Throttle, in particular for operation in a frequency converter system, and frequency converter system

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Publication number: DE102004051129A1
Application number: DE200410051129
Authority: DE
Inventors: Tobias Hofmann; Dirk Dipl.-Ing. Janssen; Marco Dipl.-Ing. Niemann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: MDEXX GMBH, 28199 BREMEN, DE
Priority date: 2004-10-18
Filing date: 2004-10-18
Publication date: 2006-04-20
Also published as: WO2006042778A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Drossel, insbesondere zum Betrieb in einem Frequenzumrichtersystem (1) mit einer elektrischen Maschine (5) und einem Frequenzumrichter (2) zum Betrieb der elektrischen Maschine. Die Drossel (3) weist eine Drosselschale (18) auf, innerhalb welcher eine Wicklung (15) angeordnet ist, die an eine Versorgungsspannung (V1, V2) anlegbar ist. Ein Drosselkern (10) ist von der Wicklung (15) umgeben. Zumindest Teile der Drosselschale (18) und/oder des Drosselkerns (10) weisen ein Material (14) aus Pulververbundwerkstoff auf. Weiterhin weisen zumindest Teile der Drosselschale (18) und/oder des Drosselkerns (10) einen ferromagnetischen Werkstoff (11) auf, der derart beschaffen ist, dass die Induktivität der Drossel (3) abhängig von einer Frequenz der Versorgungsspannung (V1, V2) veränderlich ist. Mit der Erfindung kann ein einfacher Aufbau einer Drossel realisiert werden, deren effektive Induktivität im hohen Frequenzbereich veränderbar ist. Dadurch können sich Amplituden von Eigenschwingungen des Frequenzumrichtersystems nicht mehr so stark ausbilden.The invention relates to a throttle, in particular for operation in a frequency converter system (1) with an electrical machine (5) and a frequency converter (2) for operating the electric machine. The throttle (3) has a throttle shell (18), within which a winding (15) is arranged, which can be applied to a supply voltage (V1, V2). A choke core (10) is surrounded by the winding (15). At least parts of the throttle shell (18) and / or the throttle core (10) have a material (14) made of powder composite material. Furthermore, at least parts of the throttle shell (18) and / or the throttle core (10) on a ferromagnetic material (11), which is such that the inductance of the inductor (3) depending on a frequency of the supply voltage (V1, V2) variable is. With the invention, a simple construction of a throttle can be realized, the effective inductance is variable in the high frequency range. As a result, amplitudes of natural oscillations of the frequency converter system can no longer develop as strongly.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Drossel, insbesondere zum Betrieb in einem Frequenzumrichtersystem mit einer elektrischen Maschine und einem Frequenzumrichter zum Betrieb der elektrischen Maschine, sowie ein Frequenzumrichtersystem mit einer derartigen Drossel.The The present invention relates to a throttle, in particular for operation in a frequency converter system with an electric machine and a frequency converter for operating the electric machine, and a frequency converter system with such a choke.

Frequenzumrichtersysteme dienen beispielsweise zum Betrieb von elektrischen Maschinen mit variabler Speisefrequenz. Ein Frequenzumrichtersystem ermöglicht es, etwa einen elektrischen Motor, z.B. eine Drehfeldmaschine, mit variabler Drehzahl zu betreiben, indem das starre Netz durch ein elektronisch erzeugtes, frequenzvariables und amplitudenvariables Netz zur Speisung der elektrischen Maschine ersetzt wird. Eine Entkopplung des starren Netzes einerseits und der elektrischen Maschine andererseits erfolgt beispielsweise über einen Frequenzumrichter mit Spannungszwischenkreis.Frequenzumrichtersysteme serve for example for the operation of electrical machines with variable feed frequency. A frequency converter system makes it possible such as an electric motor, e.g. a rotary field machine, with variable To operate speed by moving the rigid network through an electronic generated, frequency-variable and amplitude-variable network for feeding the electric machine is replaced. A decoupling of the rigid network on the one hand and the electrical machine on the other hand, for example, via a Frequency converter with voltage intermediate circuit.

Ein derartiges Frequenzumrichtersystem speist mittels einer geregelten Einspeisung einen Zwischenkreiskondensator über einen Eingangsstromrichter, der beispielsweise als Pulsumrichter ausgeführt ist. Aus der Gleichspannung des Spannungszwischenkreises formt ein Wechselrichter wiederum ein Drehspannungssystem, wobei die Ausgangsspannung im Gegensatz zur sinusförmigen Spannung eines Drehstromgenerators aufgrund der elektronischen Erzeugung über eine Brückenschaltung nicht den Verlauf einer idealen Sinusschwingung, sondern neben der Grundschwingung auch Oberwellen aufweist.One Such frequency converter system feeds by means of a regulated Infeed a link capacitor via an input converter, which is designed for example as a pulse converter. From the DC voltage of the voltage intermediate circuit forms an inverter again Three-phase voltage system, the output voltage in contrast to sinusoidal voltage an alternator due to the electronic generation via a bridge circuit not the course of an ideal sinusoid, but next to the Basic vibration also has harmonics.

Neben den beschriebenen Elementen einer solchen Anordnung muss weiterhin berücksichtigt werden, dass beispielsweise parasitäre Kapazitäten auftreten, welche die Entstehung von Systemschwingungen in einem solchen Frequenzumrichtersystem begünstigen. So weisen beispielsweise der Eingangsstromrichter, der Wechselrichter und die elektrische Maschine jeweils Ableitkapazitäten gegen Erde auf. Als Folge davon können sich Resonanzfrequenzen im Frequenzumrichtersystem ausbilden, hervorgerufen durch Eigenschwingungen der parasitären kapazitiven Systeme. Da die Ausgangsspannung des Frequenzumrichtersystems zum Betrieb der elektrischen Maschine aufgrund der elektronischen Erzeugung über eine Brückenschaltung nicht den Verlauf einer idealen Sinusschwingung aufweist, sondern neben der Grundschwingung auch Oberwellen enthält, können die kapazitiven Systeme mit ihrer Eigenfrequenz angeregt werden, so dass sich insgesamt vergleichsweise hohe Spannungsüberhöhungen ausbilden können, welche die Isolation der angeschlossenen elektrischen Maschine zerstören können. Beim Betrieb einer Maschine in Sternschaltung treten die Spannungsüberhöhungen insbesondere im Bereich des Sternpunktes auf, der üblicherweise nicht gezielt auf Spannungsbelastungen ertüchtigt wird. Insbesondere wenn die Systemschwingung des Frequenzumrichtersystems in der Nähe einer Maschineneigenfrequenz liegt, kann das Isolationssystem gegen Erde überlastet werden und einen frühzeitigen Ausfall der Maschine zur Folge haben, wenn am Sternpunkt der elektrischen Maschine resonanzbedingt sehr hohe Spannungsüberhöhungen auftreten.Next the described elements of such an arrangement must continue be taken into account that, for example, parasitic Capacities occur which promote the formation of system oscillations in such a frequency converter system. For example, the input converter, the inverter and the electric machine each Ableitkapazitäten to earth on. As a result, you can resonant frequencies form in the frequency converter system, caused due to natural oscillations of the parasitic capacitive systems. There the output voltage of the frequency converter system for operating the electric machine due to electronic generation via a bridge circuit does not show the course of an ideal sinusoidal oscillation, but rather In addition to the fundamental vibration also contains harmonics, the capacitive systems be stimulated with their natural frequency, so that in total form comparatively high voltage peaks can, which can destroy the insulation of the connected electric machine. At the Operation of a machine in star connection, the voltage overshoots occur in particular Range of the star point, which is usually not targeted is trained on stress loads. Especially if the system vibration of the frequency converter system near a natural machine frequency, the isolation system against Earth overloaded be an early one Failure of the machine result when at the neutral point of the electric Due to the resonance of the machine, very high voltage overshoots occur.

Eine Möglichkeit zur Bedämpfung solcher resonanzbedingter Spannungsüberhöhungen an den Klemmen einer elektrischen Maschine sieht vor, zwischen den Wechselrichter des Frequenzumrichters und die elektrischen Anschlüsse der elektrischen Maschine eine Drossel zu schalten, die aufgrund ihrer Indukti vität die Oberschwingungen der Versorgungsspannung der elektrischen Maschine dämpft. Ein Lösungsansatz sieht dabei vor, eine solche Drossel ähnlich zu einem Transformator mit einer Primärwicklung und einer Sekundärwicklung zu versehen, wobei der Wechselrichter des Frequenzumrichters und die elektrische Maschine mit der Primärwicklung verbunden sind. Die Sekundärwicklungen einer solchen Drossel werden zueinander in Reihe verschaltet und mit einem ohmschen Widerstand abgeschlossen. Eine solche Verschaltung der Sekundärwicklungen hat dabei die Aufgabe, unsymmetrische Ströme zwischen den Phasen auszukoppeln und über den externen Widerstand in Wärme umzusetzen. Damit kann die der Drossel nachgeschaltete elektrische Maschine vor unsymmetrischen Strömen geschützt werden.A possibility for damping such resonance - induced voltage peaks at the terminals of a electric machine provides, between the inverter of the Frequency converter and the electrical connections of the electric machine to switch a choke, the virtuosity due to their Indukti the supply voltage of the electric machine dampens. One approach At the same time, such a choke looks similar to a transformer with a primary winding and a secondary winding to be provided, the inverter of the frequency converter and the electric machine are connected to the primary winding. The secondary windings Such a throttle are connected to each other in series and with completed an ohmic resistance. Such an interconnection the secondary windings has The task is to decouple unbalanced currents between the phases and over the external resistance in heat implement. Thus, the throttle downstream electrical Machine in front of unbalanced currents protected become.

In DE 100 64 213 A1 ist ein Frequenzumrichtersystem mit einer Dämpfungseinrichtung beschrieben mit einer passiven, statischen Impedanz zur Bedämpfung unerwünschter Resonanzschwingungen in einem durch eine eingangsseitige Induktivität und parasitäre verteilte Kapazitäten gebildeten Schwingkreis. Das Frequenzumrichtersystem weist einen Filter, eine eingangsseitige Induktivität, insbesondere eine Netzeingangsdrossel, und einen Umrichter mit einem Eingangsstromrichter und einem Wechselrichter zum Betrieb einer elektrischen Maschine auf. Das Frequenzumrichtersystem weist darüber hinaus eine Dämpfungseinrichtung zur Dämpfung des Schwingkreises mit den unerwünschten Systemschwingungen auf. Insbesondere ist die eingangsseitige Induktivität als Vier-Schenkel-Drossel ausgebildet, wobei die drei Netzphasen jeweils mit einem Schenkel der Vier-Schenkel-Drossel und gemeinsam mit dem vierten Schenkel der Vier-Schenkel-Drossel verbunden sind. Das Dämpfungselement ist hingegen nur mit dem vierten Schenkel verbunden. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die eingangsseitige Induktivität als Drei-Schenkel-Drossel ausgebildet und die Netzphasen sind jeweils mit einem Schenkel der Drossel verbunden. Über Zusatzwicklungen, die auf jeden einzelnen Schenkel der Drei-Schenkel-Drossel aufgebracht werden und in Reihe geschaltet sind, wird ein ohmscher Widerstand in die eingangsseitige Induktivität eintransformiert.In DE 100 64 213 A1 is a frequency converter system with a damping device described with a passive, static impedance for damping unwanted resonant vibrations in a resonant circuit formed by an input-side inductance and parasitic distributed capacitances. The frequency converter system has a filter, an input-side inductor, in particular a mains input choke, and a converter with an input converter and an inverter for operating an electrical machine. The frequency converter system also has a damping device for damping the resonant circuit with the unwanted system vibrations. In particular, the input-side inductance is designed as a four-leg throttle, wherein the three network phases are each connected to a leg of the four-leg throttle and together with the fourth leg of the four-leg throttle. The damping element, however, is connected only to the fourth leg. According to a further embodiment, the input-side inductance is designed as a three-leg throttle and the network phases are each with a leg of Throttle connected. Via auxiliary windings, which are applied to each individual leg of the three-limb throttle and are connected in series, an ohmic resistance is transformed into the input-side inductance.

In DE 100 59 332 A1 ist ein Verfahren zur Bedämpfung von Resonanzüberhöhungen bei einem an einem Umrichter mit Spannungszwischenkreis betriebenen elektrischen Motor durch transformatorisch eingekoppelten Dämpfungswiderstand beschrieben sowie ein korrespondierender elektrischer Motor. Durch Eintransformierung einer Impedanz, insbesondere am Eingang des Motors, wird resonanzbedingten Spannungsüberhöhungen am Motorsternpunkt vorgebeugt, wobei die Impedanz transformatorisch in alle drei Phasen des Motors eingekoppelt wird. Dies geschieht dadurch, dass jede Phase des Motors durch ein und denselben Magnetkern geführt wird, der entweder aufgrund seiner Materialeigenschaften ausreichend verlustbehaftet ist oder aber über eine Wicklung verfügt, die mit einer Impedanz elektrisch kurzgeschlossen ist. Indem alle Phasen durch einen Magnetkern geführt werden, werden nur die störenden Gleichtaktvorgänge im Hinblick auf die Systemschwingungen des Motors bedämpft.In DE 100 59 332 A1 is a method for damping resonance peaks in an electric motor operated on a converter with voltage intermediate circuit described by transformer-coupled damping resistor and a corresponding electric motor. By transforming an impedance, in particular at the input of the motor, resonance-induced voltage peaks at the motor star point is prevented, wherein the impedance is transformer coupled into all three phases of the motor. This is done by passing each phase of the motor through one and the same magnetic core, which is either sufficiently lossy due to its material properties or has a winding that is electrically shorted to an impedance. By passing all phases through a magnetic core, only the interfering common mode events with respect to the system vibrations of the motor are damped.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Drossel, insbesondere zum Betrieb in einem Frequenzumrichtersystem, anzugeben, durch die es ermöglicht ist, eine frequenzbedingte Abhängigkeit der Induktivität der Drossel im Hinblick auf das Dämpfen von Resonanzüberhöhungen im Spannungssystem zu verbessern. Weiterhin ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein entsprechendes Frequenzumrichtersystem anzugeben.Of the present invention is based on the object, a throttle, in particular for operation in a frequency converter system, through which it makes possible is a frequency dependent dependency the inductance the throttle with regard to damping resonance peaks in the To improve the voltage system. Furthermore, it is the task of the present invention Invention to provide a corresponding frequency converter system.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Drossel gemäß Patentanspruch 1 sowie durch ein Frequenzumrichtersystem gemäß Patentanspruch 10.These Task is solved by a throttle according to claim 1 and by a frequency converter system according to claim 10.

Die Drossel gemäß der Erfindung weist eine Drosselschale auf, innerhalb welcher eine Wicklung angeordnet ist, an die eine Versorgungsspannung des Frequenzumrichtersystems angelegt wird. Weiterhin weist die Drossel einen Drosselkern auf, der von der Wicklung umgeben ist. Erfindungsgemäß sind zumindest Teile der Drosselschale und/oder des Drosselkerns mit einem Material aus Pulververbundwerkstoff versehen, und zumindest Teile der Drosselschale und/oder des Drosselkerns weiterhin mit einem ferromagnetischen Werkstoff, der derart beschaffen ist, dass die Induktivität der Drossel abhängig von einer Frequenz der Versorgungsspannung veränderlich ist. Damit kann eine Veränderung der effektiven Induktivität der Drossel im hohen Frequenzbereich bewirkt werden, so dass eine mögliche Eigenschwingung des Systems bei unbekannter Systemkapazität zu höheren Frequenzen verschoben wird. Dadurch wird die Wahrscheinlichkeit eines Resonanzfalles durch Anregung mit der Eigenfrequenz des Systems stark vermindert. Die frequenzabhängige Induktivität wird hierbei über die erfindungsgemäße Materialkombination innerhalb der Drossel gesteuert. Hierbei können Pulververbundwerkstoffe mit den verschiedensten ferromagnetischen Stoffen in einem Produkt vereint werden. Erfindungsgemäß wird eine erhöhte Dämpfung von Spannungsoberschwingungen nicht durch das Auskoppeln von unsymmetrischen Strömen, sondern über eine Verlusterhöhung infolge der in der Drossel vorgesehenen Materialien erreicht. Damit können Oberschwingungen in ihrer Höhe und Frequenz reduziert werden.The Throttle according to the invention has a throttle shell, disposed within which a winding is to the one supply voltage of the frequency converter system is created. Furthermore, the throttle has a throttle core, which is surrounded by the winding. According to the invention, at least parts of Throttle shell and / or the throttle core with a material made of powder composite material provided, and at least parts of the throttle shell and / or the throttle core continue with a ferromagnetic material, the so procured is that the inductance the throttle dependent of a frequency of the supply voltage is variable. This can be a change the effective inductance the choke in the high frequency range can be effected, so that a possible Natural vibration of the system with unknown system capacity to higher frequencies is moved. This will increase the likelihood of a resonance case greatly reduced by excitation with the natural frequency of the system. The frequency-dependent inductance is over here the material combination according to the invention controlled within the throttle. This powder composite materials with the most varied ferromagnetic substances in one product be united. According to the invention is a increased damping of voltage harmonics not by the coupling of unbalanced Stream, but about a loss increase achieved as a result of the materials provided in the throttle. In order to can Harmonics in their height and frequency are reduced.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der ferromagnetische Werkstoff derart beschaffen, dass eine Verlusterhöhung in einem breitbandigen Frequenzbereich der Versorgungsspannung bewirkt ist zur Reduzierung von Oberschwingungen in ihrer Höhe und Frequenz. Insbesondere wird eine Verlusterhöhung in einem gegenüber der Frequenz der Versorgungsspannung hohen Frequenzbereich bewirkt. Durch die Veränderung der Induktivität im hohen Frequenzbereich kann sich die Amplitude der Eigenschwingung nicht mehr so stark ausbilden. Eine nachhaltige Schwächung der Maschinenisolation durch hohe Spannungsentwicklung wird somit verhindert. Im Einsatz mit gepulsten Spannungsquellen werden neben der Reduzierung der Spannungsamplituden auch prägnante Umladeströme parasitärer Systemkapazitäten erheblich gemindert, so dass dadurch eine erhöhte Sicherheit für das Gesamtsystem erzielt wird.According to one advantageous embodiment of the Invention is the ferromagnetic material such that a loss increase effected in a broadband frequency range of the supply voltage is to reduce harmonics in their height and frequency. In particular, a loss increase in one compared to Frequency of the supply voltage high frequency range causes. By the change the inductance in the high frequency range, the amplitude of the natural vibration do not train so much anymore. A lasting weakening of the Machine insulation by high voltage development is thus prevented. In use with pulsed voltage sources are in addition to the reduction the voltage amplitudes also succinct discharge currents parasitic system capacity considerably reduced, so that increased safety for the entire system is achieved.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der ferromagnetische Werkstoff zumindest in Teilen des Drosselkerns angeordnet. Beispielsweise weist der Drosselkern einen so genannten Schnittbandkern oder Ringbandkern auf, der den ferromagnetischen Werkstoff enthält.According to one embodiment The invention is the ferromagnetic material at least in parts arranged the throttle core. For example, the choke core a so-called Schnittbandkern or ring band core, the contains ferromagnetic material.

In einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist der ferromagnetische Werkstoff zumindest in Teilen der Drosselschale angeordnet. Beispielsweise ist der ferromagnetische Werkstoff in einem Ring der Drosselschale, insbesondere einem Mittelring der Drosselschale, angeordnet. Der ferromagnetische Werkstoff kann auch in einem Schalenkern angeordnet werden.In another embodiment The invention is the ferromagnetic material at least in parts the throttle shell arranged. For example, the ferromagnetic Material in a ring of the throttle shell, in particular a center ring the throttle shell, arranged. The ferromagnetic material can can also be arranged in a pot core.

Insbesondere für den Einsatz in einem dreiphasigen Frequenzumrichtersystem ist die Drossel als Drei-Phasen-Drossel ausgebildet, die drei Wicklungen in jeweils einer Drosselschale aufweist, die jeweils einen Drosselkern umgeben. Zumindest Teile jeder Drosselschale und/oder jedes Drosselkerns weisen ein Material aus Pulververbundwerkstoff auf, gleichzeitig weisen zumindest Teile jeder Drosselschale und/oder jedes Drosselkerns einen ferromagnetischen Werkstoff in der oben beschriebenen Beschaffenheit auf. Eine solche Drossel zeichnet sich im Gegensatz zu den Drosseln des oben genannten Stands der Technik durch einen einfachen Aufbau aus, da nur Veränderungen an den Materialeigenschaften der Drossel vorgenommen werden müssen. Die erfindungsgemäße Drossel ist außerdem universell einsetzbar und erlaubt einen Austausch bisheriger Lösungen, auch im Feldeinsatz.In particular, for use in a three-phase frequency converter system, the throttle is designed as a three-phase throttle, which has three windings in each case a throttle shell, each surrounding a throttle core. At least parts of each throttle shell and / or each throttle core have a material made of powder composite, at least have at least parts of each throttle shell and / or each throttle core on a ferromagnetic material in the nature described above. Such a throttle is characterized in contrast to the chokes of the above-mentioned prior art by a simple structure, since only changes to the material properties of the throttle must be made. The throttle according to the invention is also universally applicable and allows an exchange of previous solutions, even in field use.

Die erfindungsgemäße Drossel, insbesondere die beschriebene Drei-Phasen-Drossel, wird bevorzugt in einem Frequenzumrichtersystem mit einem eingangsseitigen Umrichter vorgesehen, der einen Eingangsstromrichter und einen Wechselrichter zum Betrieb einer elektrischen Maschine umfasst. Hierbei ist die Drossel zwischen den Wechselrichter und die elektrische Maschine geschaltet, um über eine Verlusterhöhung im höheren Frequenzbereich die Oberschwingungen des Wechselrichters zur Einspeisung in die elektrische Maschine in ihrer Höhe und Frequenz zu reduzieren.The throttle according to the invention, in particular the described three-phase choke is preferred in a frequency converter system with an input side inverter provided, an input power converter and an inverter for Operation of an electrical machine includes. Here is the throttle switched between the inverter and the electric machine, about one loss increase in the higher Frequency range The harmonics of the inverter for feeding to reduce in height and frequency in the electric machine.

Weitere vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.Further advantageous embodiments and further developments of the invention are specified in subclaims.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der in der Zeichnung dargestellten Figuren näher erläutert. Es zeigen:The Invention will be described below with reference to the drawing Figures closer explained. Show it:

1 ein Frequenzumrichtersystem mit einem eingangsseitigen Umrichter, einer elektrischen Maschine als Last und einer zwischengeschalteten Drossel, 1 a frequency converter system with an input-side converter, an electrical machine as a load and an intermediate throttle,

2 ein detaillierteres Schaltbild eines Umrichters nach 1, 2 a more detailed circuit diagram of an inverter after 1 .

3 eine Verschaltung einer Drossel nach dem Stand der Technik, 3 an interconnection of a throttle according to the prior art,

4 eine perspektivische Schnittdarstellung einer Drossel gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, 4 a perspective sectional view of a throttle according to an embodiment of the invention,

5 eine Schnittdarstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Drossel, bei der beide Drosselhälften auseinandergeklappt und nebeneinander dargestellt sind, 5 a sectional view of an embodiment of a throttle according to the invention, in which both throttle halves are unfolded and shown side by side,

6 eine weitere perspektivische Schnittdarstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Drossel, 6 a further perspective sectional view of an embodiment of the throttle according to the invention,

7 einen beispielhaften Verlauf einer Motorklemmenspannung bei Verwendung unterschiedlicher Drosseltypen, 7 an exemplary course of a motor terminal voltage when using different throttle types,

8 eine Detailansicht eines Spannungsverlaufs nach 7. 8th a detailed view of a voltage curve after 7 ,

In 1 ist ein Frequenzumrichtersystem 1 dargestellt, mit dem eine elektrische Maschine 5 beispielsweise in Form einer dreiphasigen Asynchronmaschine als Last betrieben wird. Zur Speisung der Asynchronmaschine 5 wird ein elektronisch erzeugtes, frequenzvariables und amplitudenvariables Netz an den Klemmen U, V, W erzeugt. Die Speisespannung für die elektrische Maschine 5 wird durch einen Frequenzumrichter 2 bereitgestellt, dessen Aufbau anhand von 2 noch näher erläutert wird. Am Ausgang des Frequenzumrichters 2 ist eine Drossel 3 angeschlossen, welche die Wicklungen 3-1, 3-2 und 3-3 für jeweils eine Phase des Drehstromnetzes aufweist. Die Drossel 3 ist über die elektrische Leitung 4 mit den Klemmen U, V, W der Maschine 5 verbunden. An dem Frequenzumrichter 2 wird eine Versorgungsspannung V1 bereitgestellt, am Ausgang der Drossel 3 eine Versorgungsspannung V2.In 1 is a frequency converter system 1 illustrated with which an electric machine 5 For example, in the form of a three-phase asynchronous machine is operated as a load. For feeding the asynchronous machine 5 An electronically generated, frequency-variable and amplitude-variable network at the terminals U, V, W is generated. The supply voltage for the electric machine 5 is through a frequency converter 2 provided, whose construction is based on 2 will be explained in more detail. At the output of the frequency converter 2 is a throttle 3 connected, which the windings 3-1 . 3-2 and 3-3 for each one phase of the three-phase network. The throttle 3 is via the electrical line 4 with the terminals U, V, W of the machine 5 connected. At the frequency converter 2 a supply voltage V1 is provided at the output of the choke 3 a supply voltage V2.

In 2 ist detaillierteres Schaltbild eines Frequenzumrichters 2 nach 1 gezeigt. Der Umrichter 2 weist im Wesentlichen drei Baugruppen auf. An den netzseitigen Klemmen U1a, V1a, W1a ist ein Eingangsstromrichter 21 angeschlossen, der beispielsweise durch Schalten seiner Schaltelemente geregelt betrieben wird, um einen Strom in den Energiespeicher im Zwischenkreis 23 in Form eines Kondensators bei einem Spannungszwischenkreis oder einer Drossel bei einem Stromzwischenkreis zu treiben. Ein Wechselrichter 22 ist mit dem Zwischenkreis 23 verbunden, um die Maschine 5 über die Klemmen U2a, V2a, W2a mit einem variablen Drehstromnetz zu versorgen. Der Wechselrichter 22 enthält beispielsweise eine Drehstrom-Brückenschaltung mit sechs schaltenden Bauelementen, beispielsweise IGBT-Transistoren, welche die Gleichspannung des Zwischenkreises 23 in ein Drehspannungssystem umsetzt. Der Wechselrichter 22 ist nach der Verschaltung gemäß 1 ausgangsseitig über die Drossel 3 und eine Leitung 4 mit einem Schutzleiter und einer Schirmung mit der Maschine 5 verbunden.In 2 is a more detailed circuit diagram of a frequency converter 2 to 1 shown. The inverter 2 has essentially three modules. At the network-side terminals U1a, V1a, W1a is an input power converter 21 connected, which is operated regulated, for example, by switching its switching elements to a current in the energy storage in the DC link 23 to drive in the form of a capacitor at a voltage intermediate circuit or a choke at a current intermediate circuit. An inverter 22 is with the DC link 23 connected to the machine 5 to supply via the terminals U2a, V2a, W2a with a variable three-phase network. The inverter 22 includes, for example, a three-phase bridge circuit with six switching devices, such as IGBT transistors, which are the DC voltage of the DC link 23 converts into a three-phase voltage system. The inverter 22 is according to the interconnection according to 1 on the output side via the choke 3 and a line 4 with a protective conductor and a shielding with the machine 5 connected.

Neben den beschriebenen Elementen einer solchen Anordnung muss weiterhin berücksichtigt werden, dass parasitäre Kapazitäten auftreten, welche die Entstehung von Systemschwingungen in einem solchen Umrichtersystem begünstigen. So weisen beispielsweise der Eingangsstromrichter 21, der Wechselrichter 22 und die Maschine 5 jeweils Ableitkapazitäten gegen Erde auf. Daneben treten zusätzlich eine Kapazität der Leitung 4 gegen den Schutzleiter und eine Kapazität der Leitung 4 gegen die geerdete Schirmung auf.In addition to the described elements of such an arrangement must also be considered that parasitic capacitances occur, which favor the formation of system oscillations in such a converter system. For example, the input converter 21 , the inverter 22 and the machine 5 each discharge capacitance to earth. In addition, there is an additional capacity of the line 4 against the protective conductor and a capacity of the line 4 against the grounded shield.

Der Wechselrichter 22 formt aus der Gleichspannung des Zwischenkreises 23 ein Drehspannungssystem, wobei die Ausgangsspannung im Gegensatz zu einer idealen sinusförmigen Spannung aufgrund der elektronischen Erzeugung über eine Brückenschaltung nicht den Verlauf einer idealen Sinusschwingung, sondern neben der Grundschwingung auch Oberwellen aufweist. Bedingt durch die kapazitive Last des Systems können sich resonanzbedingte Schwingungen der Versorgungsspannung ausbilden, was zu gefährlichen Spannungsüberhöhungen an der Maschine 5 führen kann, welche die Isolation der Maschine zerstören können.The inverter 22 forms out of the same voltage of the DC link 23 a three-phase voltage system, wherein the output voltage, in contrast to an ideal sinusoidal voltage due to the electronic generation via a bridge circuit not the course of an ideal sinusoidal oscillation, but in addition to the fundamental and harmonic waves. Due to the capacitive load of the system, resonance-induced oscillations of the supply voltage can form, leading to dangerous voltage peaks on the machine 5 which can destroy the isolation of the machine.

In 3 ist eine Verschaltung einer Drossel 6 gezeigt, wie sie bisher zur Bedämpfung der oben genannten Oberschwingungen in einem Frequenzumrichtersystem gemäß 1 eingesetzt wurde. Die Drossel 6 weist Primärwicklungen 6-1, 6-2 und 6-3 auf, die bei einem Aufbau gemäß 1 analog zu den Wicklungen 3-1, 3-2, 3-3 der Drossel 3 gemäß 1 zwischen den Wechselrichter 22 und die elektrische Maschine 5 geschaltet werden. Hierbei liegt jeweils eine Phase des Drehstromnetzes an einer der Wicklungen 6-1, 6-2 und 6-3 an. Weiterhin sind bei der Drossel 6 gemäß 3 Sekundärwicklungen 6-11, 6-12 und 6-13 vorgesehen, die in Reihe geschaltet sind und mit einem externen ohmschen Widerstand 6-4 abgeschlossen sind. Die sekundären Wicklungen 6-11, 6-12, 6-13 haben die Aufgabe, unsymmetrische Ströme zwischen den einzelnen Phasen auszukoppeln und über den Widerstand 6-4 in Wärme umzusetzen. Damit wird die Maschine 5, die den Primärwicklungen 6-1, 6-2, 6-3 der Drossel 6 nachgeschaltet ist, vor unsymmetrischen Strömen geschützt.In 3 is an interconnection of a throttle 6 shown as previously for damping the above harmonics in a frequency converter system according to 1 was used. The throttle 6 has primary windings 6-1 . 6-2 and 6-3 on, in a construction according to 1 analogous to the windings 3-1 . 3-2 . 3-3 the throttle 3 according to 1 between the inverters 22 and the electric machine 5 be switched. In each case one phase of the three-phase network is located on one of the windings 6-1 . 6-2 and 6-3 at. Furthermore, the throttle 6 according to 3 secondary windings 6-11 . 6-12 and 6-13 which are connected in series and with an external ohmic resistance 6-4 Are completed. The secondary windings 6-11 . 6-12 . 6-13 have the task of coupling unbalanced currents between the individual phases and the resistance 6-4 to convert into heat. This will be the machine 5 that the primary windings 6-1 . 6-2 . 6-3 the throttle 6 downstream, protected against unbalanced currents.

In 4 ist eine perspektivische Schnittdarstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Drossel gezeigt, wie sie in einem Frequenzumrichtersystem 1 gemäß 1 als Drossel 3 zum Einsatz kommen kann. Eine weitere Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Drossel ist in 5 gezeigt, wobei nach dieser Darstellung beide Drosselhälften auseinandergeklappt und nebeneinander dargestellt sind. Die Drossel 3 gemäß 4 und 5 weist eine Drosselschale 18 auf, innerhalb welcher eine Wicklung 15 angeordnet ist, beispielsweise in Form der Primärwicklung 3-1 gemäß 1. Diese wird an die Versorgungsspannung V1, die durch den Wechselrichter 22 des Umrichters 2 erzeugt wird, angelegt. Weiterhin ist ein Drosselkern 10 vorgesehen, der von der Wicklung 15 umgeben ist. Zur Herstellung der Drosselschale 18 wurde im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Pulververbundwerkstoff 14 in eine Schalenform gepresst. Innerhalb des Schalenkerns 12 aus Pulververbundwerkstoff 14 wird die runde Wicklung 15 platziert. Im Anschluss daran wird die Wicklung 15 mit Vergussmasse 16 vergossen. Eine Isolation 13 dient zur Herstellung der Spannungsfestigkeit. Die Wicklung 15 ist beispielsweise durch lackierte Kupferleiter ausgeführt. Im zusammengeklappten Zustand bilden die beiden Drosselhälften 31 und 32 einen von drei Zylindern einer dreiphasigen Drossel. Eine solche Drossel weist entsprechend drei Wicklungen in jeweils einer Drosselschale auf, die jeweils einen Drosselkern umgeben. Jeder der dadurch gebildeten Zylinder der Drei-Phasen-Drossel ist in gleicher Weise aufgebaut wie die dargestellte Ausführungsform nach 5.In 4 is a perspective sectional view of an embodiment of a throttle according to the invention, as shown in a frequency converter system 1 according to 1 as a throttle 3 can be used. Another sectional view of a throttle according to the invention is in 5 shown, wherein after this illustration, both throttle halves are unfolded and shown side by side. The throttle 3 according to 4 and 5 has a throttle shell 18 on, within which a winding 15 is arranged, for example in the form of the primary winding 3-1 according to 1 , This is connected to the supply voltage V1 through the inverter 22 of the inverter 2 is created, created. Furthermore, a throttle core 10 provided by the winding 15 is surrounded. For the production of the throttle shell 18 was in the present embodiment, a powder composite material 14 pressed into a bowl shape. Inside the shell core 12 made of powder composite material 14 will be the round winding 15 placed. Following this is the winding 15 with potting compound 16 shed. An isolation 13 is used to produce the dielectric strength. The winding 15 is executed for example by painted copper conductors. In the folded state form the two throttle halves 31 and 32 one of three cylinders of a three-phase choke. Such a throttle has correspondingly three windings in each case a throttle shell, each surrounding a throttle core. Each of the three-phase reactor formed thereby is constructed in the same manner as the illustrated embodiment 5 ,

Wie insbesondere anhand von 4 ersichtlich, weist der Drosselkern 10 einen Schnittbandkern oder Ringbandkern 11 auf, der einen ferromagnetischen Werkstoff enthält. Der fer romagnetische Werkstoff des Schnittbandkerns 11 ist dabei derart beschaffen, dass die Induktivität der Drossel 3 abhängig von einer Frequenz der Versorgungsspannung V1 des Frequenzumrichtersystems veränderlich ist. Insbesondere wird dadurch eine Verlustleistung in einem breitbandigen Frequenzbereich der Versorgungsspannung V1 zur Reduzierung von Oberschwingungen in ihrer Höhe und Frequenz bewirkt. Die Verlusterhöhung findet dabei bevorzugt in einem gegenüber der Frequenz der Versorgungsspannung V1 hohen Frequenzbereich statt.As in particular by means of 4 can be seen, the throttle core 10 a cut strip core or ring strip core 11 on, which contains a ferromagnetic material. The ferromagnetic material of the cutting tape core 11 is such that the inductance of the throttle 3 is variable depending on a frequency of the supply voltage V1 of the frequency converter system. In particular, this causes a power loss in a broadband frequency range of the supply voltage V1 for the reduction of harmonics in their height and frequency. The loss increase preferably takes place in a frequency range which is high compared to the frequency of the supply voltage V1.

Gemäß den Ausführungsformen einer Drossel nach 4 und 5 ist, wie beschrieben, der ferromagnetische Werkstoff in Teilen des Drosselkerns 10, genauer gesagt im Schnittbandkern 11 enthalten. Weiterhin können ferromagnetische Werkstoffe auch in Teilen der Drosselschale 18, etwa im Schalenkern 12, angeordnet werden. Weiterhin können ferromagnetische Werkstoffe auch in einem Ring der Drosselschale, insbesondere einem Mittelring, angeordnet werden. Dies ist anhand von 6 näher dargestellt, die eine weitere perspektivische Schnittdarstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Drossel zeigt. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist über dem Schalenkern 12 ein Mittelring 17 angeordnet, in dem der ferromagnetische Werkstoff zusätzlich oder alternativ angeordnet werden kann.According to the embodiments of a throttle according to 4 and 5 is, as described, the ferromagnetic material in parts of the inductor core 10 , more precisely in the cutting tape core 11 contain. Furthermore, ferromagnetic materials can also be used in parts of the throttle shell 18 , for example, in the pot kernel 12 , to be ordered. Furthermore, ferromagnetic materials can also be arranged in a ring of the throttle shell, in particular a center ring. This is based on 6 shown in more detail, which shows a further perspective sectional view of an embodiment of a throttle according to the invention. According to this embodiment, over the shell core 12 a middle ring 17 arranged in which the ferromagnetic material can be additionally or alternatively arranged.

Die erfindungsgemäße Drossel, wie anhand von 4 bis 6 näher erläutert, zeichnet sich gegenüber einer Drossel nach 3 durch einen vergleichsweise einfachen Aufbau aus, da nur Veränderungen an Materialeigenschaften notwendig sind. Es können Pulververbundwerkstoffe mit den verschiedensten ferromagnetischen Stoffen in einer Drossel vereint werden. Dabei wird das Mischungsverhältnis des Pulververbundwerkstoffes nicht verändert, sondern es wird je nach Anwendung der ferro magnetische Werkstoff mehr oder weniger mit eingebracht. Die bevorzugte Lösung, nach der der ferromagnetische Werkstoff in einem Schnittbandkern angeordnet wird, ist dabei nur ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel. Denkbar sind auch die Verwendung anderer Ferrite, Bleche, Scheiben oder Magnete aus den unterschiedlichsten magnetischen Werkstoffen. Ziel ist dabei in allen Fällen eine Verlusterhöhung innerhalb der Drossel infolge des Einbringens von breitbandigen Materialien. Damit können Oberschwingungen in ihrer Höhe und Frequenz reduziert werden.The throttle according to the invention, as based on 4 to 6 explained in more detail, is distinguished from a throttle 3 by a comparatively simple structure, since only changes in material properties are necessary. It can be combined powder composite materials with a variety of ferromagnetic substances in a throttle. The mixing ratio of the powder composite material is not changed, but it is more or less introduced depending on the application of ferro magnetic material. The preferred solution according to which the ferromagnetic material is arranged in a ribbon core, is only one preferred embodiment. Also conceivable are the use of other ferrites, sheets, disks or magnets from the un various magnetic materials. The aim is in all cases a loss increase within the throttle due to the introduction of broadband materials. This allows harmonics to be reduced in height and frequency.

Um die Wirkung einer erfindungsgemäßen Drossel bei der Anwendung innerhalb eines Frequenzumrichtersystems gemäß 1 zu verdeutlichen, sind in den 7 und 8 jeweilige Spannungsverläufe einer Motorklemmenspannung für unterschiedliche Drosseltypen gezeigt. Hierbei zeigt 8 eine Detailansicht eines Spannungsverlaufs aus 7. Die gezeigten Spannungsverläufe sind Ergebnisse messtechnischer Untersuchungen von Auswirkungen von Pulververbundwerkstoffen in Kombination mit Schnittbandkernen innerhalb einer Drei-Phasen-Drossel bei pulsgesteuerten Anwendungen. Die induktiven Komponenten werden an einem Umrichter 2 mit motorischer Last 5 und einer geschirmten Leitung 4, wie anhand von 1 dargestellt, als Ausgangsdrossel 3 betrieben. Es werden dabei insbesondere die Konstellationen einer so genannten HFD-Drossel mit Abschlusswiderstand (3, Verlauf der Spannung UVW1) und einer Drossel mit Pulververbund und Schnittbandkern aufweisend einen ferromagnetischen Werkstoff (Spannungsverlauf UVW2) untersucht. Bei den durchgeführten Versuchen wurde eine Zwischenkreisspannung des Umrichters 2 von 400 V gewählt. Die Taktfrequenz des Wechselrichters 22 beträgt ft = 4 kHz. Als geschirmte Leitung 4 wird eine Leitung mit einer Länge von 200 m mit einem Querschnitt von 4 × 10 mm² gewählt. Als Last wird eine leer laufende Asynchronmaschine 5 mit einer Nennleistung von 75 kW verwendet.To the effect of a throttle according to the invention when used within a frequency converter according to 1 to clarify, are in the 7 and 8th respective voltage waveforms of a motor terminal voltage for different types of throttles shown. This shows 8th a detailed view of a voltage waveform 7 , The voltage curves shown are the results of metrological investigations of the effects of powder composite materials in combination with ribbon cores within a three-phase reactor in pulse-controlled applications. The inductive components are connected to a converter 2 with motor load 5 and a shielded cable 4 as based on 1 shown as output choke 3 operated. In particular, the constellations of a so-called HFD choke with terminating resistor ( 3 , Course of the voltage UVW1) and a choke with powder composite and ribbon core having a ferromagnetic material (voltage waveform UVW2) examined. In the experiments carried out, a DC link voltage of the inverter 2 chosen from 400V. The clock frequency of the inverter 22 is ft = 4 kHz. As a shielded cable 4 a line with a length of 200 m with a cross section of 4 × 10 mm ^{2 is} chosen. The load is an idling asynchronous machine 5 used with a rated power of 75 kW.

Aus den gezeigten Spannungsverläufen zeigt sich, dass mit Hilfe der Drossel aus Pulverbundwerkstoff und Schnittbandkern mit ferromagnetischem Werkstoff die Oberschwingungen der Versorgungsspannung in ihrer Höhe reduziert werden können. Die Spannungsamplitude kann beispielsweise von 1105 V bei einer HFD-Drossel mit Abschlusswiderstand auf 930 V bei einer erfindungsgemäßen Drossel reduziert werden, die Frequenz der Oberschwingungen steigt hingegen von ca. 34 kHz auf ca. 55 kHz. Bei den genannten Werten handelt es sich jeweils um Werte bezogen auf die Spannung zwischen den Phasenleitern.Out shows the voltage curves shown itself, that with the help of the choke made of powder composite material and cutting tape core with ferromagnetic material, the harmonics of the supply voltage in their height can be reduced. The voltage amplitude can, for example, of 1105 V at a HFD choke with terminating resistor to 930 V in a choke according to the invention be reduced, the frequency of the harmonics, however, increases from about 34 kHz to about 55 kHz. The above values are Each value is based on the voltage between the phase conductors.

Claims

Throttle, in particular for operation in a frequency converter system ( 1 ) with an electric machine ( 5 ) and a frequency converter ( 2 ) for operating the electric machine ( 5 ), - with a throttle shell ( 18 ) within which a winding ( 15 ) is arranged, which can be applied to a supply voltage (V1, V2), - with a choke core ( 10 ), of the winding ( 15 ) is surrounded, - in the at least parts of the throttle shell ( 18 ) and / or the throttle core ( 10 ) a material ( 14 ) of powder composite material, - in which at least parts of the throttle shell ( 18 ) and / or the throttle core ( 10 ) a ferromagnetic material ( 11 ), which is such that the inductance of the choke ( 3 ) is variable depending on a frequency of the supply voltage (V1, V2).

Throttle according to Claim 1, characterized in that the ferromagnetic material ( 11 ) is such that a loss increase in a broadband frequency range of the supply voltage (V1, V2) for reducing harmonics in height and frequency is effected.

Throttle according to claim 2, characterized in that the supply voltage (V1, V2) has a defined frequency and the ferromagnetic material ( 11 ) is such that a loss increase in a contrast high frequency range for the reduction of harmonics in height and frequency is effected.

Throttle according to one of the preceding claims, characterized in that the ferromagnetic material ( 11 ) at least in parts of the throttle core ( 10 ) is arranged.

Throttle according to Claim 4, characterized in that the throttle core ( 10 ) a cutting tape core ( 11 ) or ring band core containing the ferromagnetic material.

Throttle according to one of the preceding claims, characterized in that the ferromagnetic material at least in parts of the throttle shell ( 18 ) is arranged.

Throttle according to claim 6, characterized in that the ferromagnetic material in a ring ( 17 ) of the throttle shell ( 18 ), in particular a middle ring ( 17 ) of the throttle shell, is arranged.

Throttle according to claim 6 or 7, characterized in that the ferromagnetic material in a shell core ( 12 ) is arranged.

Throttle according to one of the preceding claims, characterized in that - the throttle ( 3 ) is designed as a 3-phase choke, the three windings ( 3-1 . 3-2 . 3-3 ) in each case a throttle shell ( 18 ), each having a choke core ( 10 ), wherein at least parts of each throttle shell ( 18 ) and / or each throttle core ( 10 ) a material ( 14 ) of powder composite material, - in which at least parts of each throttle shell ( 18 ) and / or each throttle core ( 10 ) a ferromagnetic material ( 11 ) exhibit.

Frequency converter system ( 1 ) with an input-side converter ( 2 ) comprising an input converter ( 21 ) and an inverter ( 22 ) for operating an electrical machine ( 5 ) and with a throttle ( 3 ) according to one of the preceding claims, which is located between the inverters ( 22 ) and the electric machine ( 5 ) is switched.