DE102006036092A1

DE102006036092A1 - Sinusfilter

Info

Publication number: DE102006036092A1
Application number: DE200610036092
Authority: DE
Inventors: Franz Dr. Bauer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2006-08-02
Filing date: 2006-08-02
Publication date: 2008-02-07

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Sinusfilter (6) für einen wenigstens einen selbstgeführten Pulsstromrichter (2) aufweisenden Spannungszwischenkreis-Umrichter mit einer Drossel (14), einem Kondensator (16) und einem Widerstand (18) pro Phase, die als verlustbehafteter LC-Tiefpass verschaltet sind. Erfindungsgemäß ist jede Ausgangsklemme (20, 22, 24) des Sinusfilters (6) mit einer bezüglich eines positiven und negativen Zwischenkreispotentials (+DC, -DC) des Spannungszwischenkreis-Umrichters in Sperrrichtung geschalteten Dioden (D1, D2; D3, D4; D5, D6) versehen, deren Kathoden- und Anoden-Anschlüsse jeweils mit einem spannungsbegrenzenden Mittel verknüpft sind. Somit erhält man ein Sinusfilter, das vor auftretenden Überspannungen geschützt ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Sinusfilter gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein derartiges Sinusfilter ist aus der EP 0 682 402 A1 , insbesondere der 1 dieser europäischen Offenlegungsschrift, bekannt. Dieses Sinusfilter ist ein verlustbehafteter LC-Tiefpass.
Derartige Sinusfilter werden beispielsweise in Anwendungen mit Pulsumrichtern, d.h. Spannungszwischenkreis-Umrichter mit wenigstens einem selbstgeführten Pulsstromrichter, verwendet. Weist der Spannungszwischenkreis-Umrichter einen netzseitigen selbstgeführten Pulsstromrichter auf, so kann einerseits Energie in das speisende Netz zurückgespeist und andererseits ein reiner Wirkstrom aus dem speisenden Netz entnommen werden. Ein derartiger Spannungszwischenkreis-Umrichter weist zur Speisung einer Drehfeldmaschine lastseitig ebenfalls einen selbstgeführten Stromrichter auf. Mittels eines netzseitig eingesetzten Sinusfilters wird die elektromagnetische Verträglichkeits-Beeinflussung (EMV-Beeinflussung) gering gehalten, wogegen mittels eines lastseitigen eingesetzten Sinusfilters die Wicklungsbeanspruchung der Drehfeldmaschine gering gehalten wird.
In vielen der genannten Anwendungen kommt eine Regelung für den selbstgeführten Pulsstromrichter, wie z.B. eine Netzregelung bei rückspeisefähiger Netzeinspeisung oder eine feldorientierte Regelung bei Speisung einer Drehfeldmaschine, zum Einsatz. Kernbestandteil solcher Regelungen ist eine Stromregelung, die als Aufgabe hat, den tatsächlich fließenden Strom mit Hilfe einer Spannung als Stellgröße auf einen vorgegebenen Strom zu regeln. Dies kann beispielsweise mittels zweier orthogonaler Stromkomponenten in einem feststehenden oder rotierenden Koordinatensystem erfolgen.
Die für gewöhnlich verwendeten Sinusfilter haben oft nur eine geringe Dämpfung, da dämpfende Maßnahmen in der Regel mit der Erhöhung der Verluste einhergehen. Die geringe natürliche Dämpfung des Lastkreises (Sinusfilter mit Drehfeldmaschine bzw. Sinusfilter mit speisendem Netz) birgt die Gefahr in sich, dass das Sinusfilter aufschwingen kann. Dies kann durch verschiedene Mechanismen erfolgen:

– Das Sinusfilter bzw. der gesamte Leistungskreis kann im Zusammenspiel mit der oben genannten Regelung bis hin zur Instabilität entdämpft werden. Die Folge ist ein Ausschwingen des Filters mit Frequenzen nahe der Resonanzfrequenz des Lastkreises, was zu großen Spannungen an Kondensatoren des Filters und der Last führt.
– Infolge der geringen Dämpfung können durch Anregungen nahe der Resonanzfrequenz am Filter bzw. der Last gefährlich hohe Spannungen entstehen. Die Anregungen können etwa durch Harmonische, die z.B. durch entsprechendes Pulsen des Umrichters oder seine nichtlinearen Spannungsabfälle, durch Anregung aus der EMK des Motors oder auch durch entsprechende Harmonische im Netz verursacht werden.

In allen Fällen können je nach Auslegung für Kondensatoren oder Drehfeldmaschine bzw. Netzdrossel gefährlich hohe Spannungen entstehen, lange bevor Ströme fließen, die etwa zur Abschaltung des Pulsstromrichters infolge des Erreichens eines Grenzwertes führen. Erschwerend kommt hinzu, dass die mit nahe der Resonanz fließenden Ströme von einer Messeinrichtung des Pulsumrichters wegen ihrer hohen Frequenz nur teilweise oder gar nicht erfasst werden können. Kommt es zum Aufschwingen der Anordnung, bestehend aus speisendem Netz, netzseitiges Sinusfilter, Pulsumrichter, lastseitiges Sinusfilter, Drehfeldmaschine, so könnten in der Regel das Sinusfilter und/oder die Drehfeldmaschine bzw. die Netzdrossel zerstört werden.
Um dies zu verhindern, erfolgt die Dimensionierung der Regelung und der Dämpfung des Sinusfilters derart, dass eine Entdämpfung bzw. eine zu große Anregung vermieden wird. Dies kann durch eine entsprechende Parametrierung der Regelung und/oder entsprechende Dimensionierung der Widerstände (Dämpfungswiderstände) des Sinusfilters geschehen. Dabei müssen für ein robustes Verhalten entsprechende Reserven vorgesehen werden.
In der eingangs genannten EP-Offenlegungsschrift werden eventuell vorhandene Überspannungen auf den Leitungen zwischen Sinusfilter und Drehfeldmaschine mittels zusätzlicher Begrenzungsdioden, so genannten Clamping-Dioden, begrenzt. Jede Ausgangsklemme des Sinusfilters ist derart mit zwei Begrenzungsdioden verschaltet, dass diese bezüglich eines positiven und negativen Zwischenkreispotentials in Sperrrichtung verschaltet sind. Die Kathoden- bzw. die Anoden-Anschlüsse dieser Dioden sind jeweils mit einem positiven bzw. negativen Zwischenkreispotential elektrisch leitend verbunden. In diesen Dioden können bei Verwendung von Drosseln mit einer relativ kleinen Induktivität sehr hohe Schaltströme und damit auch hohe Verlustleistungen erzeugt werden.
Aus der DE 195 04 123 A1 ist ein gedämpftes und damit verlustbehaftetes Filter bekannt, bei dem zur Dämpfung von Überspannungen zusätzlich Varistoren als spannungsbegrenzende Elemente verwendet werden. Diese Varistoren sind jeweils elektrisch parallel zu den in Dreieck geschalteten und zu den in Stern geschalteten Kondensatoren geschaltet. Dieses Filter wird bei einem Pulsstromrichter als elektrischem Verbraucher verwendet. Diese Varistoren begrenzen zum einen in Dreieckschaltung hohe symmetrische Überspannungen und zum anderen in Sternschaltung hohe asymmetrische Überspannungen. Somit bildet die gleichzeitige Verwendung von Varistoren und RC-Gliedern sowohl in Dreieck- als auch in Sternschaltung einen wirksamen Schutz vor extrem hohen sowie niedrigen Überspannungen, solche mit großen und kleinen dU/dt, und vor asymmetrischen sowie symmetrischen Störungen.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, den Schutz eines Sinusfilters vor Überspannungen zu vereinfachen.
Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Sinusfilter mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 oder des Anspruchs 2 erfindungsgemäß gelöst.
Dadurch, dass jede Ausgangsklemme des Sinusfilters mit einer bezüglich des positiven und negativen Zwischenkreispotentials eines Spannungszwischenkreis-Umrichters in Sperrrichtung geschalteten Dioden versehen ist, deren Kathoden- und Anodenanschlüsse jeweils mit einem spannungsbegrenzenden Mittel verknüpft sind, wird die Energie einer auftretenden Überspannung zurück in den Spannungszwischenkreis des Spannungszwischenkreis-Umrichters gespeist. Durch diese Klemmschaltung wird eine Überspannung, die auf eine der vorhandenen Ausgangsleitungen auftritt, annähernd auf das positive bzw. negative Zwischenkreispotential geklemmt. Wird die Ansprechspannung der beiden spannungsbegrenzenden Mittel erreicht, ist eine entsprechende Ausgangsklemme des Sinusfilters mit dem positiven bzw. negativen Zwischenkreispotentials verbunden, wodurch die an dieser Ausgangsklemme auftretende Überspannung begrenzt wird. Gegenüber dem bekannten Filter ( DE 195 04 123 A1 ) wird die Anzahl der spannungsbegrenzenden Mittel sehr verringert.
Dadurch, dass wenigstens ein Kondensator des Sinusfilters mit einer Zustandserfassungseinrichtung mit ausgangsseitigem Grenzwertmelder versehen ist, erhält man bei Auftreten einer Überspannung am Ausgang des Grenzwertmelders ein Signal, vorzugsweise ein digitales Signal, das als Ausschaltsignal für den selbstgeführten Pulsstromrichter eines Spannungszwischenkreis-Umrichters verwendet wird. Dadurch greift das Sinusfilter aktiv in die Regelung des Pulsstromrichters ein, um sich dadurch vor der auftretenden Überspannung zu schützen. Sobald der Pulsstromrichter ausgeschaltet ist, beispielsweise mittels einer aktivierten Impulssperre, ist ein Teil der Ursache für das Auftreten von Überspannungen nicht mehr vorhanden, wodurch eine auftretende Überspannung begrenzt ist.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des Sinusfilters gemäß Anspruch 1 ist als spannungsbegrenzendes Mittel ein Varistor vorgesehen. Dadurch erhält man ein besonders preisgünstiges und aufwandsarmes Sinusfilter. Außerdem können bereits im Handel erhältliche Sinusfilter (verlustbehafteter LC-Tiefpass) mit einfachen Mitteln in ein erfindungsgemäßes Sinusfilter erweitert werden, ohne dass in das handelsübliche Sinusfilter eingegriffen werden muss.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Sinusfilters gemäß Anspruch 1 ist als spannungsbegrenzendes Mittel eine ein Zwischenkreispotential betragsmäßig erhöhende Gleichspannungsquelle vorgesehen. Dadurch kann die Ansprechspannung beliebig eingestellt werden und die sonst in den Varistoren entstehende Verlustleistung wird in den Zwischenkreis zurückgespeist. Dadurch kann das erfindungsgemäße Sinusfilter an jeden Spannungszwischenkreis-Umrichter ohne großen Aufwand angepasst werden. Außerdem kann dieses Sinusfilter auch auf jede von zeitlich aufeinander auftretenden Überspannungen eingreifen gegenüber der Ausführungsform mit den Varistoren.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform des Sinusfilters gemäß Anspruch 1 ist räumlich in unmittelbarer Nähe zu einem Varistor eine Temperaturmesseinrichtung mit nachgeschaltetem Grenzwertmelder vorgesehen. Mittels dieser Temperatureinrichtung wird die Temperatur des Varistors ermittelt. Sobald der Varistor anspricht, erzeugt dieser eine Verlustleistung, die von der am Varistor anstehenden Spannung und vom durch diesen Varistor fließenden Strom abhängt. Durch diese Verlustleistung steigt die Temperatur des Varistors an. Damit dieser Varistor wieder betriebsbereit ist, muss dessen Temperatur einen vorbestimmten Wert unterschreiten. Wird dieser nicht erreicht, ist die Schutzwirkung des Varistors nicht gegeben. Dieser Zustand wird mit der Temperatureinrichtung mit nachge schaltetem Grenzwertmelder erfasst, und dem Pulsumrichter mitgeteilt. Dieses Fehlersignal bewirkt die Aktivierung der Impulssperre, wodurch der Pulsumrichter abgeschaltet wird. Somit wird eine Überlastung des spannungsbegrenzenden Bauelementes verhindert, wodurch Folgeschäden wegen überlasteten Varistors vermieden werden.
Bei der vorteilhaften Ausführungsform der zweiten erfindungsgemäßen Lösung wird als Zustandsgröße eine an einem Kondensator des Sinusfilters anstehende Spannung verwendet. Mittels einer Augenblickerfassung kann ein Spitzenwert der Kondensatorspannung einfach ermittelt werden. Dieser ermittelte Spitzenwert der Kondensatorspannung wird mittels eines Grenzwertmelders mit einem vorbestimmten Grenzwert verglichen. Übersteigt der Spitzenwert der Kondensatorspannung diesen vorbestimmten Grenzwert, so steht am Ausgang dieses Grenzwertmelders ein Signal, insbesondere ein digitales Signal, an, das der Steuereinrichtung des Pulsstromrichters eines Spannungszwischenkreis-Umrichters zugeführt wird. Mittels dieses Überspannungssignals wird der Pulsstromrichter ausgeschaltet, in dem eine Impulssperre aktiviert wird. Mit dem Ausschalten des Pulsstromrichters des Spannungszwischenkreis-Umrichters ist der weitere Anstieg der Überspannung gestoppt.
Da das Ausschwingen aller Kondensatoren des Sinusfilters über mehrere Perioden der Ausgangsspannung dieses Sinusfilters erfolgt, genügt es, wenn nur eine Kondensatorspannung erfasst und ausgewertet wird. Für die Übertragung eines Überspannungssignals vom Sinusfilter zum Pulsstromrichter reicht eine "langsame" Übertragung aus, d.h., dieses Übertragungssignal, das ein Fehlersignal bzw. ein Alarmsignal ist, muss in einem Zeitbereich von wenigen Filterschwingungen übertragen sein. Die Erfassung des Spitzenwertes der zu erfassenden Kondensatorspannung sollte hingegen "schnell" erfolgen, d.h., dass diese Erfassung im Bereich von Bruchteilen einer Filterschwingung erfolgen muss.
Gegenüber der Zustandsgröße Kondensatorspannung kann auch die Zustandsgröße Kondensatorstrom als Maß für die Ermittlung einer Überspannung herangezogen werden. Gegenüber der Erfassung der Zustandsgröße Kondensatorspannung muss bei der Erfassung der Zustandsgröße Kondensatorstrom zunächst der resonantfrequente Stromanteil herausgefiltert werden, da in der Zustandsgröße Kondensatorstrom auch betriebsfrequente Stromanteile fließen. Der ermittelte resonantfrequente Stromanteil wird mittels eines Grenzwertmelders wieder mit einem vorbestimmten Grenzwert verglichen, wobei bei Überschreitung eines vorbestimmten Grenzwertes ein Signal, insbesondere ein digitales Signal, zur Verfügung steht, mit dem eine Impulssperre beim Pulsumrichter aktiviert wird.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der mehrere Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Sinusfilters schematisch veranschaulicht sind.
1 zeigt ein Ersatzschaltbild einer ersten Ausführungsform eines Sinusfilters nach der Erfindung, die
2 zeigt das Ersatzschaltbild einer vorteilhaften Ausführungsform des Sinusfilters nach 1, in der
3 ist eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sinusfilters dargestellt, in der
4 ist ein Ersatzschaltbild einer Spannungsquelle der zweiten Ausführungsform nach 2 dargestellt, die
5 zeigt ein Ersatzschaltbild einer dritten Ausführungsform eines Sinusfilters nach der Erfindung, wobei in der
6 eine Ausführungsform einer Zustandserfassungseinrichtung des Sinusfilters nach 5 veranschaulicht ist, und die
7 zeigt eine vierte Ausführungsform des Sinusfilters nach der Erfindung, wobei die
8 eine Ausführungsform einer Zustandserfassungseinrichtung des Sinusfilters nach 7 darstellt.
In der 1 ist eine erste Ausführungsform eines Sinusfilters nach der Erfindung schematisch dargestellt. In dieser Darstellung sind mit 2 ein selbstgeführter Pulsstromrichter eines Spannungszwischenkreis-Umrichters, mit 4 ein Zwischenkreiskondensator des Spannungszwischenkreis-Umrichters, mit 6 ein bekanntes Sinusfilter und mit 8 eine Drehfeldmaschine bezeichnet. Der selbstgeführte Pulsstromrichter 2 ist gleichspannungsseitig mittels zweier Stromschienen 10 und 12 mit dem Zwischenkreiskondensator 4 elektrisch leitend verbunden. Die Stromschiene 10 weist ein Zwischenkreispotential +DC, wogegen die Stromschiene 12 ein Zwischenkreispotential –DC aufweist. Am Zwischenkreiskondensator 4 steht eine Zwischenkreis-Gleichspannung UDC an. Bei diesem selbstgeführten Pulsstromrichter 2 handelt es sich bei dieser Darstellung um einen lastseitigen Pulsstromrichter eines Spannungszwischenkreis-Umrichters. Ist dieser Spannungszwischenkreis-Umrichter rückspeisefähig, so ist als netzseitiger Stromrichter dieses Spannungszwischenkreis-Umrichters ebenfalls ein selbstgeführter Pulsstromrichter vorgesehen.
Das bekannte Sinusfilter 6 in dieser Ausführungsform ist ein verlustbehafteter LC-Tiefpass. Ein derartiges Sinusfilter 6 ist wie eingangs bereits beschrieben aus der EP 0 682 402 A1 , insbesondere deren 1, bekannt. Wie die Bezeichnung "verlustbehafteter LC-Tiefpass" schon erkennen lässt, weist dieses Sinusfilter pro Phase eine Drossel 14, einen Kondensator 16 und einen Widerstand 18 auf, der auch als Dämpfungswiderstand bezeichnet wird. Im einfachsten Fall kann der Widerstand 18 auch den ohmschen Widerstand der Drossel 14 darstellen. Da als Last eine Drehfeldmaschine 8, beispielsweise ein Asynchronmotor oder auch ein fremderregter bzw. permanenterregter Synchronmotor, vorgesehen ist, weist dieses Sinusfilter drei Phasen auf. Diese Drehfeldmaschine 8 ist an den Ausgangsklemmen 20, 22 und 24 des Sinusfilters 6 angeschlossen. Mittels dieses Sinusfilters 6 wird die pulsweitenmodulierte Ausgangsspannung des selbstgeführten Pulsstromrichters 2 annähernd sinusförmig. Außerdem wird die Wicklungsbeanspruchung der Drehfeldmaschine 8 gering gehalten. In dieser Darstellung sind weitere Komponenten des Spannungszwischenkreis-Umrichters nicht explizit dargestellt. Zu diesen Komponenten zählt der netzseitige Stromrichter und eine Regelung des lastseitigen Stromrichters. Wie bereits erwähnt, weist ein solcher Spannungszwischenkreis-Umrichter als netzseitigen Stromrichter ebenfalls einen selbstgeführten Pulsstromrichter auf, wenn dieser Umrichter rückspeisefähig sein soll. Ein derartiger netzseitiger selbstgeführter Pulsstromrichter weist ebenfalls eine Regelung auf. Dieser netzseitige selbstgeführte Pulsstromrichter ist ebenfalls netzseitig mit einem Sinusfilter 6 verknüpft, mit dem die EMV-Beeinflussung gering gehalten wird. Damit die Verluste des Sinusfilters 6 nicht zu hoch sind, weisen die Dämpfungswiderstände 18 dieses Sinusfilters 6 nur einen geringen Wert auf. Mit Erhöhung der Dämpfung dieses Sinusfilters 6 erhöhen sich ebenfalls deren Verluste. Diese geringe Dämpfung des Lastkreises, bestehend aus Pulsstromrichter 2, Sinusfilter 6 und Drehfeldmaschine 8, birgt die Gefahr in sich, dass das Sinusfilter 6 aufschwingen kann, wie einleitend beschrieben.
Um dies zu verhindern, ist das Sinusfilter 6 erfindungsgemäß weitergebildet worden. Dazu ist jede Ausgangsklemme 20 bzw. 22 bzw. 24 des Sinusfilters 6 mit einer bezüglich eines positiven und negativen Zwischenkreispotentials +DC und –DC des Spannungszwischenkreis-Umrichters in Sperrrichtung geschalteteten Dioden D1, D2 bzw. D3, D4 bzw. D5, D6 versehen. Die Kathoden- und die Anoden-Anschlüsse dieser Dioden D1, D3, D5 und D2, D4, D6 sind jeweils mit einem spannungsbegrenzenden Mittel verknüpft. In dieser Ausführungsform gemäß 1 sind als spannungsbegrenzende Mittel jeweils ein Varistor 26 und 28 vorgesehen. Der Varistor 26, der mit einem Anschluss mit den Kathoden-Anschlüssen der Dioden D1, D3 und D5 elektrisch leitend verbunden ist, ist mit seinem zweiten Anschluss mit der Stromschiene 10, die das Zwischenkreispotential +DC aufweist, elektrisch leitend verbunden. Der zweite Varistor 28 ist einerseits mit den Anoden-Anschlüssen der Dioden D2, D4 und D6 und andererseits mit der Stromschiene 12 mit dem Zwi schenkreispotential –DC elektrisch leitend verbunden. Die Ansprechspannung dieser Varistoren 26 und 28 ist die Grenzspannung einer auftretenden Überspannung am Sinusfilter 6. Übersteigt diese Überspannung die Ansprechspannung dieser beiden Varistoren 26 und 28, so spricht der Varistor 26 bzw. 28 oder der Varistor 28 bzw. 26 an, wodurch die Überspannung nicht weiter ansteigen kann. Solange diese Überspannung größer der Ansprechspannung der Varistoren 26 und 28 ist, fließt ein Strom durch die Varistoren 26 und 28 in den Zwischenkreiskondensator 4. Dabei erwärmen sich der Varistoren 26 und 28. Da diese Spannungszeitflächen anstehender Überspannungen unterschiedlich sein können, erwärmen sich die Varistoren 26 und 28 von Fall zu Fall unterschiedlich. Erst wenn die Varistoren 26 und 28 wieder auf Betriebstemperatur sind, können diese ihre Schutzfunktionen wieder übernehmen. Die zur Spannungszeitfläche proportionale Energie wird in den Zwischenkreiskondensator 4 zurückgespeist und nicht nur in Wärme umgesetzt. Der Nachteil von Varistoren 26 und 28 ist, dass im unteren Schutzbereich unter 1000V aufgrund von Variationen immanenter Nichtlinearitäten eine ausreichende Begrenzung von Überspannung nicht sehr zuverlässig ist. Außerdem ist man auf die Staffelung der Ansprechspannungen von im Handel erhältlichen Varistoren angewiesen. D.h., dass eine gewünschte Begrenzung einer aufgetretenen Überspannung nicht immer möglich ist.
In einer vorteilhaften Ausführungsform dieses Sinusfilters 6 nach 1, dargestellt in der 2, ist räumlich in unmittelbarer Nähe zu einem der beiden Varistoren 26 und 28 eine Temperaturmesseinrichtung 30 mit nachgeschaltetem Grenzwertmelder 32 vorgesehen. In der 2 ist der Varistor 26 mit dieser Temperaturmesseinrichtung 30 versehen. Da die sich aufschwingende Überspannung sinusförmig ist, werden beide Varistoren 26 und 28 mit einer auftretenden Überspannung belastet. D.h., wenn diese auftretende Überspannung die Ansprechspannung des Varistors 26 bzw. 28 übersteigt, spricht entweder der Varistor 26 oder der Varistor 28 zunächst an. Der Varistor 28 bzw. 26 folgt zeitlich kurz danach. Aus die sen Gründen reicht es aus, wenn nur einer dieser beiden Varistoren 26 und 28 mit einer solchen Temperaturmesseinrichtung 30 versehen wird. Als Grenzwertmelder 32 wird im einfachsten Fall ein Komparator verwendet, der vorzugsweise gleichzeitig an seinem Ausgang ein digitales Signal S_OV erzeugt. Dieser Komparator ist mittels der Leitung 34 mit einem Steuereingang 36 des Pulsstromrichters 2 elektrisch leitend verbunden. Das digitale Signal S_OV aktiviert beim Pulsstromrichter 2 eine Impulssperre, sobald dieses digitale Signal S_OV vom Low-Zustand in den High-Zustand wechselt. Dadurch wird der Pulsstromrichter 2 abgeschaltet, so dass keine Überspannung mehr auftreten kann. Das digitale Signal S_OV wechselt seinen Zustand genau dann, wenn die Temperatur ϑ des Varistors 26 die vorbestimmte Grenztemperatur ϑ_GW übersteigt. Dies signalisiert, dass der Varistor 26 wegen Überlastung nicht seine Schutzfunktion ausüben kann. Damit wegen der überlasteten Varistoren 26 und 28 bei einer eventuell auftretenden Überspannung keine Folgeschäden auftreten können, wird der Pulsstromrichter 2 mittels der Impulssperre ausgeschaltet.
In der 3 ist eine zweite Ausführungsform des Sinusfilters 6 nach der Erfindung dargestellt. Bei dieser Ausführungsform sind als spannungsbegrenzendes Mittel jeweils einem ein Zwischenkreispotential betragsmäßig erhöhende Gleichspannungsquelle 38 vorgesehen. Eine Ausführungsform dieser Spannungsquelle 38 ist in der 4 näher dargestellt.
Gemäß diesem Ersatzschaltbild der 4 weist die Gleichspannungsquelle 38 zwei elektrisch in Reihe geschaltete abschaltbare Halbleiterschalter T1 und T2 und elektrisch in Reihe geschaltete Kondensatoren 40 und 42 auf. Die Reihenschaltung 44 der beiden abschaltbaren Halbleiterschalter T1 und T2 ist elektrisch parallel zur Reihenschaltung 46 der beiden Kondensatoren 40 und 42 geschaltet. Die Mittenanschlüsse 48 und 50 dieser beiden Reihenschaltungen 44 und 46 sind mittels einer Drossel 52 elektrisch leitend verbunden. Der Mittenanschluss 50 der Reihenschaltung 46 ist mittels ei ner Leitung 54 mit der Stromschiene 10 des Spannungszwischenkreises des Spannungszwischenkreis-Umrichters verbunden, die das Zwischenpotential +DC aufweist. Ein Verknüpfungspunkt 56 der beiden Reihenschaltungen 44 und 46 ist mittels einer Leitung 58 mit der Stromschiene 12 des Spannungszwischenkreises des Spannungszwischenkreis-Umrichters verknüpft, die das Zwischenkreispotential –DC aufweist. Ein oberer Verknüpfungspunkt 60 der beiden Reihenschaltungen 44 und 46 ist mittels einer Leitung 62 mit den Kathoden- bzw. Anoden-Anschlüssen der Dioden D1, D3, D5 bzw. D2, D4, D6 elektrisch leitend verbunden. In diesem Ersatzschaltbild sind als abschaltbare Halbleiterschalter T1 und T2 Insulated-Gate-Bipolar-Transistoren (IGBT) vorgesehen, die jeweils eine invers geschaltete Diode D7 und D8 aufweisen, die auch als Freilaufdioden bezeichnet werden. Über das Tastverhältnis der beiden abschaltbaren Halbleiterschalter T1 und T2 kann die am Kondensator 40 anliegende Spannung U_OV beliebig eingestellt werden. Diese Spannung U_OV ist weitgehend lastunabhängig. Die Spannung U_OV ist die Grenzspannung für eine auftretende Überspannung. Mit dieser Gleichspannungsquelle 38 kann das erfindungsgemäße Sinusfilter 6 an jeden beliebigen Pulsstromrichter angepasst werden. Außerdem wird im Vergleich zu den Varistoren 26 und 28 prinzipbedingt keine Leistung in Wärme umgesetzt.
In der 5 ist ein Ersatzschaltbild einer dritten Ausführungsform des Sinusfilters 6 nach der Erfindung dargestellt. Diese unterscheidet sich von der ersten bzw. zweiten Ausführungsform dadurch, dass diese einen aktiven Schutz darstellt. Dazu ist eine Zustandserfassungseinrichtung 64 vorgesehen, die eingangsseitig mit einer Ausgangsklemme 20 bzw. 22 bzw. 24 und einem Sternpunkt 66 der in Stern geschalteten Kondensatoren 16 verbunden ist. Ausgangsseitig ist diese Zustandserfassungseinrichtung 64 mit dem Steuereingang 36 des Pulsstromrichters 2 elektrisch leitend verbunden. Da das Aufschwingen einer Spannung an allen Kondensatoren 16 des Sinusfilters in mehreren Perioden erfolgt, genügt es, wenn die Spannung an einem dieser Kondensatoren 16 ausgewertet wird.
Weil die Spannung über mehrere Perioden sich aufschwingt, steht genügend Zeit für die Übertragung des Fehler- bzw. Alarmsignals S_OV zum Pulsumrichter zur Verfügung.
In der dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sinusfilters 6 ist als Zustandserfassungseinrichtung 64 eine Einrichtung zur Erfassung des Spitzenwertes der Spannung am Kondensator 16 vorgesehen. Ein Ersatzschaltbild einer derartigen Einrichtung zur Erfassung des Spitzenwertes ist in der 6 näher dargestellt. Eingangsseitig weist diese Einrichtung eine Entkopplungsdiode 68 und einen Speicherkondensator 70 auf. Elektrisch parallel zum Speicherkondensator 70 ist eine Reihenschaltung aus einem Strombegrenzungswiderstand 72 und einer Fotodiode eines Optokopplers 76 geschaltet. Der Fototransistor 78 dieses Optokopplers 76 ist elektrisch mit einem nachgeschalteten Grenzwertmelder 32 verbunden. Als Grenzwertmelder 32 wird hier ebenfalls wie bei der Ausführungsform gemäß 2 ein Komparator verwendet. Dieser Komparator vergleicht den ermittelten Spitzenwert der Spannung am Kondensator 16 mit einem vorbestimmten Grenzwert U_GW für eine auftretende Überspannung. Sobald diese auftretende Überspannung diesen Grenzwert U_GW übersteigt, wechselt das Fehler- bzw. Alarmsignal S_OV vom Low-Zustand in den High-Zustand. Dadurch wird im Pulsstromrichter 2 die Impulssperre aktiviert, wodurch sich dieser Pulsstromrichter 2 abschaltet. Dadurch kann die Überspannung nicht mehr ansteigen. Diese Einrichtung zur Erfassung eines Spitzenwertes der Spannung am Kondensator 16 ist so dimensioniert, dass der Spitzenwert in einem Zeitbereich, der ein Bruchteil einer Filterschwingung ist, erfasst wird.
In der vierten Ausführungsform des Sinusfilters 6 nach der Erfindung gemäß 7 ist als Zustandserfassungseinrichtung 64 eine Einrichtung zur Ermittlung eines Stromanteils mit Resonanzfrequenz f_res vorgesehen. Eingangsseitig ist diese Einrichtung mit einer Stromerfassungseinrichtung 80 und ausgangsseitig mit dem Steuereingang 36 des Pulsstromrichters 2 verknüpft. Die Stromerfassungseinrichtung 80 ist in einer Zu leitung zu einem der Kondensatoren 16 des Sinusfilters 6 angeordnet. Da der gemessene Kondensatorstrom neben einem Stromanteil mit Resonanzfrequenz f_res auch Stromanteile mit Betriebsfrequenzen aufweist, ist eine Einrichtung zur Ermittlung eines Stromanteils mit Resonanzfrequenz f_res erforderlich.
Ein Ersatzschaltbild der Zustandserfassungseinrichtung 64 der Ausführungsform des Sinusfilters 6 nach der 7 ist in der 8 schematisch veranschaulicht. Eingangsseitig weist diese Zustandserfassungseinrichtung 64 eine Einrichtung 82 zur Frequenzanalyse auf. Ausgangsseitig ist diese Einrichtung 82 mit einem potentialtrennenden I-U-Wandler 84 verknüpft. Diesem I-U-Wandler 84 ist wieder ein Grenzwertmelder 32 nachgeschaltet, der die stromproportionale Spannung U_fres mit einem vorbestimmten Spannungsgrenzwert U_GW vergleicht. Sobald die stromproportionale Spannung U_fres diesen vorbestimmten Spannungsgrenzwert U_GW übersteigt, wechselt das Fehler- bzw. Alarmsignal S_OV vom Low-Zustand in den High-Zustand. Damit wird wieder die Impulssperre im Pulsstromrichter 2 aktiviert, die die Abschaltung dieses Pulsstromrichters 2 zur Folge hat.
Diese erfindungsgemäße Schutzvorrichtung gegen Überspannungen kann bei jedem im Handel erhältlichen Sinusfilter nachträglich angeordnet werden. Nur bei der Ausführungsform nach 7 ist es erforderlich, in einem handelsüblichen Sinusfilter 6 eine Stromerfassungseinrichtung 80 zu integrieren. Durch diese erfindungsgemäße Weiterbildung eines bekannten Sinusfilters 6 erhält man ein erfindungsgemäßes Sinusfilter 6, das passiv bzw. aktiv gegen auftretende Überspannung geschützt wird. Dadurch kann die Dämpfung und damit die Verluste eines Sinusfilters minimiert werden.

Claims

Sinusfilter (6) für einen wenigstens einen selbstgeführten Pulsstromrichter (2) aufweisenden Spannungszwischenkreis-Umrichter mit einer Drossel (14), einem Kondensator (16) und einem Widerstand (18) pro Phase, die als verlustbehafteter LC-Tiefpass verschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, dass jede Ausgangsklemme (20, 22, 24) des Sinusfilters (6) mit einer bezüglich eines positiven und negativen Zwischenkreispotentials (+DC, –DC) des Spannungszwischenkreis-Umrichters in Sperrrichtung geschalteten Dioden (D1, D2; D3, D4; D5, D6) versehen ist, deren Kathoden- und Anoden-Anschlüsse jeweils mit einem spannungsbegrenzenden Mittel verknüpft sind.
Sinusfilter (6) für einen wenigstens einen selbstgeführten Pulsstromrichter (2) aufweisenden Spannungszwischenkreis-Umrichter mit einer Drossel (14), einem Kondensator (16) und einem Widerstand (18) pro Phase, die als verlustbehafteter LC-Tiefpass verschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Kondensator (16) mit einer Zustandserfassungseinrichtung (64) mit ausgangsseitigem Grenzwertmelder (32) versehen ist.
Sinusfilter (6) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als spannungsbegrenzendes Mittel ein Varistor (26, 28) vorgesehen ist.
Sinusfilter (6) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als spannungsbegrenzendes Mittel eine ein Zwischenkreispotential betragsmäßig erhöhende Gleichspannungsquelle (38) vorgesehen ist.
Sinusfilter (6) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass räumlich in unmittelbarer Nähe zu einem Varistor (26, 28) eine Temperaturmesseinrichtung (30) mit nachgeschaltetem Grenzwertmelder (32) vorgesehen ist.
Sinusfilter (6) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Zustandserfassungseinrichtung (64) eine Einrichtung zur Erfassung des Spitzenwertes an wenigstens einem Kondensator (16) des Sinusfilters (6) mit nachgeschaltetem Grenzwertmelder (32) vorgesehen ist.
Sinusfilter (6) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Zustandserfassungseinrichtung (64) eine Einrichtung (82) zur Ermittlung eines Stromanteils mit Resonanzfrequenz (f_res) mit nachgeschaltetem Grenzwertmelder (32) vorgesehen ist.
Sinusfilter (6) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichspannungsquelle (38) zwei elektrisch in Reihe geschaltete abschaltbare Halbleiterschalter (T1, T2) und zwei elektrisch in Reihe geschaltete Kondensatoren (40, 42) aufweist, dass diese beiden Reihenschaltungen (44, 46) elektrisch parallel geschaltet sind, dass die Mittenanschlüsse (48, 50) dieser beiden Reihenschaltungen (44, 46) mittels einer Drossel (52) elektrisch leitend verbunden sind und dass der Mittenanschluss (50) der beiden Kondensatoren (40, 42) mit einer Stromschiene (10) des Spannungszwischenkreises eines Spannungszwischenkreis-Umrichters verknüpft ist, ein unterer Verknüpfungspunkt (56) der beiden Reihenschaltungen (44, 46) mit einer zweiten Stromschiene (12) des Spannungszwischenkreises eines Spannungszwischenkreis-Umrichters verbunden ist und ein oberer Verknüpfungspunkt (60) der beiden Reihenschaltungen (44, 46) mit den Kathoden- bzw. Anoden-Anschlüssen der Dioden (D1, D3, D5; D2, D4, D6) verknüpft sind.