DE102007007920A1

DE102007007920A1 - Umrichter und Verfahren zum Betrieb

Info

Publication number: DE102007007920A1
Application number: DE200710007920
Authority: DE
Inventors: Michael Burger
Original assignee: SEW Eurodrive GmbH and Co KG
Current assignee: SEW Eurodrive GmbH and Co KG
Priority date: 2007-02-14
Filing date: 2007-02-14
Publication date: 2008-08-28

Abstract

Umrichter, umfassend - einen Gleichrichter zum Erzeugen einer unipolaren Zwischenkreisspannung aus einer dreiphasigen Netzspannung, insbesondere Drehspannung, - einen Zwischenkreiskondensator, der an der Zwischenkreisspannung angeschlossen ist, - eine Leistungsschalter umfassende Endstufe, von der aus ein Elektromotor, insbesondere ein Drehstrommotor, versorgbar ist, wobei dem Zwischenkreiskondensator ein Hilfszwischenkreis parallel geschaltet ist, der zumindest aus einer Reihenschaltung einer ersten Vorrichtung 3 und einem Hilfskondensator besteht, wobei der Hilfskondensator zumindest auch Teil einer Filteranordnung ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Umrichter und ein Verfahren zum Betrieb.
Umrichter, die

– einen Gleichrichter zum Erzeugen einer unipolaren Zwischenkreisspannung aus einer dreiphasigen Netzspannung, insbesondere Drehspannung,
– einen Zwischenkreiskondensator, der an der Zwischenkreisspannung angeschlossen ist, und
– eine Leistungsschalter umfassende Endstufe, von der aus ein Elektromotor, insbesondere ein Drehstrommotor, versorgbar ist,

Dabei werden als Zwischenkreiskondensatoren meist Elektrolytkondensatoren verwendet, die zum Puffern der Energie des Zwischenkreises und der Zwischenkreisspannung dienen. Nachteilig ist dabei, dass beim derzeitigen Stand der Technik die Kapazität des Zwischenkreiskondensators größer als funktional notwendig ist. Funktional notwendig ist dabei insbesondere eine ausreichende Glättung bei Betrieb mit Nennlast. Die Kapazität kann also beim Stand der Technik nicht nach funktionalen sondern muss nach bautechnischen Anforderungen, wie Lebensdauer und Strombelastbarkeit gewählt werden. Somit sind beim Stand der Technik Elektrolytkondensatoren gebräuchlich, die ein großes Bauvolumen beanspruchen, anfällig und kostspielig sind. Derartige Umrichter werden oft auch als Umrichter mit dickem Zwischenkreis bezeichnet.
Ein wesentlicher Nachteil bei der Verwendung solcher Umrichter mit dickem Zwischenkreis ist die hohe Netzrückwirkung und insbesondere auch die eingeschränkte Lebensdauer. Da die Lebensdauer abhängig ist von der Temperatur und der Leistungsentnahme, müssen je nach Anwendung entsprechend groß dimensionierte Kondensatoren gewählt werden. Dies führt dann zu einem größeren Wert von Nennkapazität, Bauvolumen, Netzrückwirkungen und zu hohen Kosten.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Umrichter möglichst kompakt und geschützt, insbesondere also mit verringerter Netzrückwirkung und höherer Lebensdauer, auszuführen und ihn in kostengünstiger Herstellungsweise weiterzubilden.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei dem Umrichter nach den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
Wichtige Merkmale bei dem Umrichter sind, dass er

– einen Gleichrichter zum Erzeugen einer unipolaren Zwischenkreisspannung aus einer dreiphasigen Netzspannung, insbesondere Drehspannung,
– einen Zwischenkreiskondensator, der an der Zwischenkreisspannung angeschlossen ist,
– eine Leistungsschalter umfassende Endstufe, von der aus ein Elektromotor, insbesondere ein Drehstrommotor, versorgbar ist,

Vorteilig ist dabei, dass der Hilfskondensator nicht nur zur Versorgung einer Signalelektronik, oder beispielsweise eines Schaltnetzteils zur Versorgung von Elektronik, verwendbar ist sondern zusätzlich auch zum Bedampfen von Schwingungen, die auch eine zu vermeidende Netzrückkopplung des Umrichters bewirken. Die erste Vorrichtung ist also auch als Ladeschaltung für den Hilfskondensator verwendbar. Außerdem ist die erste Vorrichtung für das Ableiten von beim Einschalten des Umrichters auftretenden Überspannungen verwendbar, wobei zugehörige Ströme zum Hilfskondensator geleitet werden. Der Hilfskondensator ist also bei der Erfindung für mehr als nur eine der Funktionen vorgesehen. Der Widerstandswert des ohmschen Widerstandes ist derart hoch vorgesehen, dass die Dämpfungsfunktion nicht die anderen genannten Funktionen stört.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Filteranordnung ein lineares Filter, insbesondere eine RC-Kombination. Vorteilig ist dabei, dass eine einfache Anordnung verwendbar ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Vorrichtung ein ohmscher Widerstand parallel beschaltet oder ein solcher von ihr umfasst. Vorteilig ist dabei, dass ein einziger zusätzlicher Widerstand eine verbesserte Bedämpfung bewirkbar macht.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der ohmsche Widerstand derart dimensioniert, dass das aus diesem ohmschen Widerstand und dem Hilfskondensator gebildete RC-Glied einen Tiefpass zum Bedampfen von Schwingungen bildet, insbesondere im Bereich von 0,5 bis 5 kHz. Vorteilig ist dabei, dass Schwingungen bedämpfbar sind, die insbesondere bei schlankem Zwischenkreiskondensator auftreten können.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Widerstand ein ohmscher Widerstand, wie beispielsweise Kohleschichtwiderstand, Metallschichtwiderstand oder Metalloxid-Schichtwiderstand, oder ein PTC-Widerstand ist. Von Vorteil ist bei dem ohmschen Widerstand, dass er kostengünstig ist, und bei dem PTC-Widerstand, dass er selbstschützend vorsehbar ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist zum Schutz gegen Überspannungen dem Zwischenkreiskondensator ein Schaltungsteil parallel zugeschaltet, das aus einem Spannungsteiler, insbesondere aus einem ohmschen, kapazitiven und/oder komplexen Spannungsteiler, besteht,
in dessen unterem Zweig ein Varistor angeordnet ist und dessen oberem Zweig ein Gasableiter parallel beschaltet angeordnet ist.
Vorteilig ist dabei, dass nur ein einziger Gasableiter notwendig ist, Gasableiter mit hoher Toleranz verwendbar sind und ein Löschen des Brennstromes des Gasableiters mittels des Varistors bewirkbar ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung beträgt die Zündspannung des Gasableiters weniger als die Hälfte der Schutzpegelspannung des Überspannungsschutzes. Vorteilig ist dabei, dass die hohen Toleranzabweichungen keinen störenden Ausfall auf die Abweichungen des Schutzpegels des Überspannungsschutzes bewirken.
Insbesondere sind sogar als Gasableiter Gasableiter verwendbar, die eine Herstellungstoleranz von 20% oder mehr aufweisen.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist dem Zwischenkreiskondensator ein Hilfszwischenkreis parallel geschaltet, der zumindest aus einer Reihenschaltung einer ersten Vorrichtung und einem Hilfskondensator besteht,
wobei die erste Vorrichtung derart gestaltet ist, dass sie

– einen Widerstandswert aus einem ersten Widerstandswertebereich zum Minimieren der Spitzenspannung am Zwischenkreiskondensator bei Spannungsanstiegen aufweist, solange die Zwischenkreisspannung Uz größer ist als die Spannung UzH am Hilfskondensator,
– einen Widerstandswert aus einem zweiten Widerstandswertebereich, der hochohmiger als der erste Widerstandswertebereich ist, aufweist, wenn die Differenz ΔU = (Uz – UzH) negativ wird, solange die Differenz nicht einen kritischen Wert erreicht und

Von Vorteil ist dabei, dass der Umrichter mit schlankem Zwischenkreis ausführbar ist. Dies bedeutet, dass der Zwischenkreiskondensator nur geringe Kapazität aufweisen muss und sogar als kostengünstiger und robuster Folienkondensator vorsehbar ist. Außerdem ist bei solchen Kondensatoren keine Polarität vorhanden, die Lebensdauer hoch und das benötigte Bauvolumen gering.
Ein dicker Zwischenkreiskondensator hat eine direkt am Netz liegende Kapazität, die größer ist als 5 μF pro Ampere Zwischenkreis-Nennstrom, mindestens jedoch 8000 V μF pro Zwischenkreis-Nennspannung Uz_Nenn in Volt, also mindestens
Bei der Erfindung ist ein Hilfszwischenkreis vorhanden, der beim Einschalten des Umrichters, also Verbinden mit dem Versorgungsnetz, auftretende Überspannungen reduzierbar macht. Denn, solange am Hilfskondensator des Hilfszwischenkreises keine Spannung anliegt, der Hilfskondensator also entladen ist, kann der Hilfskondensator Energie aufnehmen. Es fließt also beim Einschalten für kurze Zeit Strom zum Hilfszwischenkreis, da die erste Vorrichtung niedrige Widerstandswerte aufweist. Wird der Umrichter vom Versorgungsnetz abgetrennt, sinkt die Zwischenkreisspannung ab, bleibt der Hilfskondensator aber fürs Erste aufgeladen. Sein selbsttätiges Entladen würde eigentlich sehr lange dauern, insbesondere im Minutenbereich. Eine mit dem Hilfskondensator verbundene Verbraucherschaltung, wie ein Schaltnetzteil oder dergleichen, ist nicht vorhanden. Mit der erfindungsgemäßen ersten Vorrichtung jedoch ist ein Entladen dann ermöglicht, wenn die Zwischenkreisspannung die Spannung am Hilfskondensator um mehr als einen kritischen Wert unterschreitet, da dann die erste Vorrichtung von Widerstandswerten aus einem zweiten hochohmigen Widerstandswertebereich zu Widerstandswerten aus einem dritten niedrigohmigen Widerstandswertebereich übergeht.
Das Entladen des Hilfskondensators ist dann vollständig ermöglicht, solange die Zwischenkreisspannung unter dem Wert der Spannung am Hilfskondensator bleibt. Bleibt der Umrichter also abgeschaltet, wird der Hilfskondensator vollständig entladen. Wird der Umrichter jedoch während des Entladevorgangs wieder mit dem Versorgungsnetz verbunden, wird der Entladevorgang des Hilfskondensators gestoppt, sobald die Zwischenkreisspannung derart angestiegen ist, dass sie die aktuelle Spannung am Hilfskondensator erreicht und überschreitet.
Der beschriebene Entladevorgang des Hilfskondensators hat bei einer vorteiligen Ausführung eine Zeitkonstante von mehr als einem Zehntel einer Netzperiode und weniger als zweihundert Millisekunden. Besonders vorteilhaft ist diese Zeitkonstante größer als eine Netzperiode. Somit ist ein Wiedereinschalten nach Abschalten eines Umrichters sehr schnell möglich, insbesondere z. B. schon nach einer halben Sekunde, ohne dass Überspannungsspitzen die Bauteile des Umrichters gefährden könnten.
Der Hilfskondensator versorgt kein Schaltnetzteil und auch keinen entsprechenden Verbraucher.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung hat der Zwischenkreiskondensator eine direkt am Netz liegende Kapazität, die kleiner ist als
oder kleiner ist als 5 μF pro Ampere Zwischenkreis-Nennstrom, wobei U_{Z_Nenn} die Zwischenkreis-Nennspannung des Umrichters in Volt ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung hat der Zwischenkreiskondensator keine polare Vorzugsrichtung, also kein Elektrolytkondensator ist und also auch keine Polarität aufweist. Der Zwischenkreiskondensator ist also vorteiligerweise als robuster Folienkondensator ausführbar. Hingegen ist der Hilfskondensator vorteiligerweise als Elektrolytkondensator ausführbar.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Kapazitätswerte und der erste Wertebereich vorzugsweise derart gewählt, dass die Zeitkonstante des Aufladens für den Hilfskondensators bei den zugehörigen Spannungen zwischen einer halben Millisekunde und drei Millisekunden liegt.
Bevorzugt ist der Typ des Hilfskondensators, Kapazitätswerte und der zweite Wertebereich derart gewählt, dass die Zeitkonstante des Entladens für den Hilfskondensators bei den zugehörigen Spannungen größer als eine Minute ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weisen die Kapazitätswerte und der dritte Wertebereich derart gewählt ist, dass die Zeitkonstante des Entladens des Hilfskondensators bei den zugehörigen Spannungen kleiner als eine Sekunde ist. Somit ist vorteiligerweise ein schnelles Wiedereinschalten ermöglicht.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die erste Vorrichtung mindestens aus einer Reihenschaltung, umfassend zumindest eine Diode D21 und einen Widerstand R21 in Zusammenwirkung mit dem Serienwiderstand des Hilfszwischenkreiskondensators am Zwischenkreiskondensator C1, und einer zweiten Vorrichtung ausgeführt, die dieser Reihenschaltung parallel geschaltet ist. Vorteilig ist dabei, dass Spannungsüberhöhungen minimierbar sind.
Alternativ besteht die erste Vorrichtung mindestens aus einer Diode D21 und einer dazu parallel geschalteten zweiten Vorrichtung, wobei der Serienwiderstand des Hilfszwischenkreiskondensators zur Minimierung der Spannungsüberhöhung am Zwischenkreiskondensator C1 vorgesehen ist. Somit ist vorteiligerweise der vorgenannte Widerstand R21 einsparbar.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die zweite Vorrichtung einen Leistungsschalter und Steuermittel zum Ansteuern des Leistungsschalters, wobei die Steuermittel aus der Differenz ΔU = (Uz – UzH) versorgbar sind und abhängig von dieser Differenz den Leistungsschalter beeinflussen, insbesondere seine Steuerspannung erzeugen. Von Vorteil ist dabei, dass die Steuermittel keine zusätzliche Spannungsversorgung benötigen.
Vorzugsweise besteht die zweite Vorrichtung aus zwei parallel geschalteten Reihenschaltungen, wobei in einer der beiden Reihenschaltungen der Leistungsschalter angeordnet ist und in der anderen der beiden Reihenschaltungen die Steuermittel vorgesehen sind. Somit ist eine einfache und kostengünstige Schaltungsart ausführbar.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung umfassen die Steuermittel eine spannungsabhängige Impedanz zur Beeinflussung der Steuerspannung für den Leistungsschalter. Von Vorteil ist dabei, dass die Steuermittel kostengünstig ausführbar sind und wenige Bauteile notwendig sind.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die spannungsabhängige Impedanz zumindest einen Varistor und/oder eine Zenerdiode. Von Vorteil ist dabei, dass eine kostengünstige Realisierung der Steuermittel vorsehbar ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Leistungsschalter ein Thyristor und/oder die Steuermittel bilden eine Zündvorrichtung. Von Vorteil ist dabei, dass ein kostengünstiges Bauteil als Schalter verwendbar ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung versorgt der Hilfszwischenkreis kein Schaltnetzteil oder einen entsprechenden Verbraucher. Vorteiligerweise ist also die Versorgung des Steuerungsteils mittels eines externen Netzteils vorsehbar. Der Umrichter ist also aus einem solchen Netzteil versorgbar und es sind Kosten und Bauvolumen einsparbar sowie weitere Vorteile erreichbar.
Die wesentlichen Merkmale der Erfindung bei dem Verfahren sind, dass zum Betrieb des Umrichters, umfassend

– zum Minimieren der Spitzenspannung am Zwischenkreiskondensator bei Spannungsanstiegen mittels der ersten Vorrichtung der Hilfskondensator beladen wird, solange die Zwischenkreisspannung Uz größer ist als die Spannung UzH am Hilfskondensator,
– mittels der ersten Vorrichtung der Hilfskondensator vom Zwischenkreis abgekoppelt wird, wenn die Differenz ΔU = (Uz – UzH) negativ wird, solange die Differenz nicht einen kritischen Wert erreicht und
– mittels der ersten Vorrichtung der Hilfskondensator entladen wird, wenn die Differenz ΔU unter den kritischen Wert fällt.

Die Vorteile entsprechen den vorgenannten. Insbesondere ist somit ein schnelles Wiedereinschalten ermöglicht, insbesondere bei einem schlanken Zwischenkreis.
Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen.

1: Überspannungsschutz
2: Gleichrichter
3: Schaltungsteil
4: Endstufe
5: Steuerungsteil
6: Versorgungsnetz
21: Schaltungsteil
C1: Zwischenkreiskondensator
C2: Hilfskondensator
R21, R31, R33: Widerstände
R32: Varistor
D21: Diode
T31: Thyristor
M: Motor
41: Schaltungsteil
G: Gasableiter
V41: Varistor
R41: Widerstand
C41: Kondensator

Die Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert:
In der 1 ist ein erfindungsgemäßer Umrichter mit schlankem Zwischenkreis gezeigt.
Dabei ist das Versorgungsnetz 6 mit idealer Drehspannungs-Quelle gezeigt, der die Netzwiderstände und Netzinduktivitäten nachgeordnet sind. Der Umrichter weist einen netzseitigen Überspannungsschutz 1 auf. Der Gleichrichter 2 ist als dreiphasiger Brückengleichrichter ausgeführt und erzeugt die Zwischenkreisspannung (Uz+, Uz–).
Bei einer Netzspannung von ca. 500 Volt beträgt die Spitzenspannung ungefähr 700 Volt. Die Zwischenkreisspannung liegt am Zwischenkreiskondensator C1 an, der als Folienkondensator ausgeführt ist und im Vergleich zu Umrichtern mit dickem Zwischenkreis eine geringere Kapazität aufweist. Der Folienkondensator ist im Vergleich zu den Zwischenkreiskondensatoren eines Umrichters mit dickem Zwischenkreis vorteiligerweise kostengünstiger, benötigt ein geringeres Bauvolumen und weist eine höhere Lebensdauer auf.
Jedoch treten beim Einschalten des Umrichters infolge der Zusammenwirkung der Netzinduktivitäten und des Zwischenkreiskondensators kurzzeitig höhere Spannungen auf. Diese Überspannungen werden bei dem erfindungsgemäßen Umrichter aber vermindert, insbesondere mittels des Hilfskondensators und dem mit diesem in Reihe angeordneten Schaltungsteil 3. Somit sind alle Bauteile vor der Wirkung der Überspannungen geschützt Daher sind alle weiteren Bauteile, wie insbesondere die Endstufe, derart dimensionierbar, dass weniger Verluste auftreten und kostengünstigere Ausführungsarten wählbar sind.
Insbesondere beim Auftreten von Netz-Überspannungspulsen sind bei der Erfindung die bewirkten Stromspitzen kleiner als bei Verwendung eines dicken Zwischenkreises gemäß Stand der Technik. Bei der Erfindung, insbesondere also dem Umrichter mit schlankem Zwischenkreis, ist auch der Gleichrichter für geringeren Stoß-Strom auslegbar und eine Zwischenkreisdrossel ist nicht nötig.
Die Endstufe 4 umfasst Leistungsschalter zur Bildung eines Wechselrichters, wobei der Wechselrichter vom Steuerungsteil 5 pulsweitenmoduliert angesteuert wird. Der Wechselrichter ist im Wesentlichen aus drei Halbbrücken aufgebaut, die jeweils mindestens einen unteren und einen oberen Leistungshalbleiterschalter umfassen. Aus dieser Endstufe 4 ist der Drehstrommotor M versorgbar. Besonders vorteilhaft ist der erfindungsgemäße Umrichter bei Drehstrommotoren verwendbar.
Das Schaltungsteil 3 ist in einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform in der 2 näher dargestellt. Der Widerstand R21 dient zur Begrenzung des Ladestroms für den Hilfskondensator C2, wobei der Kapazitätswert C2 derart gewählt wird und der Widerstand R21 aus einem ersten Widerstandswertebereich derart gewählt wird, dass eine möglichst kleine Spannungsüberhöhung beim Einschalten auftritt. Dabei liegt die Zeitkonstante des Aufladens für den Hilfskondensators typisch zwischen einer halben Millisekunde und drei Millisekunden. Die Diode D21 entkoppelt den als Elektrolytkondensator ausgeführten Hilfskondensator C2 vom Netz während des Betriebs unter Last. Beim Einschalten hingegen ist R21 und C2 wirksam.
Das Schaltungsteil 21 ist in der 3 für das erste erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel gezeigt. Sobald die Zwischenkreisspannung Uz des Umrichters sich auf kleine Werte oder sogar Null Volt verringert, der Hilfskondensator C2 aber noch geladen ist und die Spannung UzH aufweist, steigt die Spannung am Varistor R32 an und erreicht unter Umständen derart hohe Werte, dass der Widerstandswert des Varistors von hochohmigen zu niederohmigen Werten übergeht. Die hochohmigen Werte des Varistors liegen dabei in einem zweiten Widerstandsbereich, insbesondere vorteiligerweise über ein Megaohm. Die niederen Werte sind aus einem dritten Widerstandswertebereich, der vorteiligerweise Werte zwischen 0 Ohm und 100 Kilo-Ohm umfasst. Dadurch bekommt der Thyristor T31 eine genügend hohe Steuerspannung und geht in den leitenden Zustand über. Somit ist nun ein schnelles Entladen des Hilfskondensators C2 über den Widerstand R31 ermöglicht, der die Zeitkonstante des Entladevorgangs wesentlich mitbestimmt. Der Widerstand R33 ist bei verschiedenen Ausführungsbeispielen verschieden dimensionierbar. Er kann sogar weggelassen werden. Mittels der Dimensionierung der Bauteile kann die für das Zünden des Thyristors benötigte Spannung beeinflusst werden.
Der Entladevorgang ist beendet, wenn die Spannungsdifferenz zwischen der Zwischenkreisspannung Uz und der Spannung UzH am Hilfskondensator Null erreicht.
Der Typ des Hilfskondensators, Kapazitätswerte und der zweite Wertebereich sind typischerweise derart, dass die Zeitkonstante des Entladens für den Hilfskondensators bei den zugehörigen Spannungen, also Spannungswerten von Uz und UzH, die noch nicht zum Zünden des Thyristors führen, größer als eine Minute ist.
Die Kapazitätswerte und der dritte Wertebereich sind derart gewählt, dass die Zeitkonstante des Entladens des Hilfskondensators bei den zugehörigen Spannungen deutlich kleiner als eine Sekunde ist.
Vorteilig ist bei der Erfindung insbesondere auch, dass der Zwischenkreiskondensator C1 funktional wählbar ist, also seine Kapazität entsprechend der elektrischen Strom- und Spannungsanforderungen auswählbar ist. Dies bedeutet insbesondere, dass die Lebensdauer diese Auswahl nicht einschränkt, da sie in jedem Fall genügend groß ist.
Weiter ist von Vorteil, dass die Netzrückwirkung und die Netzoberwellen gering sind. Weiter ist auch der auftretende Einschaltstrom gering. Die Lebensdauer ist im Wesentlichen unabhängig von der Belastung. Insbesondere ist die Lebensdauer typisch mindestens zehnmal größer als bei einem Umrichter mit dickem Zwischenkreis mit derselben Nennleistung bei gegebener Nennleistung und Temperatur.
Dem Fachmann ist klar, dass er die beschriebenen Bauelemente und Schaltungsteile auch durch andere Schaltungsteile und/oder Bauteile ersetzen kann, die in entsprechend ähnlicher Weise wirken.
Beispielsweise ist der Zwischenkreiskondensator durch eine Reihenschaltung oder Parallelschaltung oder durch eine komplexere Zusammenschaltungsart aus zwei oder mehreren Kondensatoren ersetzbar.
Entsprechendes gilt auch für jedes passive Bauelement. Ebenso können Leistungsschalter durch Reihen- oder Parallelschaltungen von mehreren solchen Schaltern ersetzt werden.
In 1 ist ein weiteres Schaltungsteil 41 gezeigt, das zwischen dem oberen und unteren Zwischenkreispotential angeordnet ist, also von der unipolaren Ausgangsspannung des Gleichrichters 2 versorgt ist.
In 4 ist eine erfindungsgemäße beispielhafte Ausführung dieses Schaltungsteils 41 gezeigt. Dabei ist ein Spannungsteiler gebildet, dessen unterer Zweig aus dem Varistor V41 besteht und dessen oberer Zweig einen Widerstand R41 umfasst. Da der Varistor V41 auch eine Kapazität aufweist, bildet diese mit dem Kondensator C41 einen kapazitiven Spannungsteiler. Für Anwendungen, bei denen dynamische Prozesse nicht wichtig sind, ist dieser Kondensator C41 auch einsparbar und somit nur der aus Varistor V41 und Widerstand R41 gebildete Spannungsteiler wirksam.
Somit sind die Bauteile derart dimensionierbar, dass auch bei der höchsten zu erwartenden Zwischenkreisspannung, also maximal zulässiger Wert der unipolaren Spannung, der Varistor keine zu große Wärme entwickelt. Der Gasableiter G ist dabei derart dimensioniert, dass er bis zu diesem Fall isolierend ist.
Erst nach Überschreiten der Schaltschwelle zündet der Gasableiter G. Dabei ist die Schaltschwelle durch die Dimensionierung der Bauteile in hoher Genauigkeit vorgebbar, obwohl die Zündspannung des Gasableiters G eine hohe Toleranz aufweist, beispielsweise von 10%, 20% oder mehr. Vorzugsweise wird die Schaltschwelle dabei derart gewählt, dass die erfindungsgemäße Schutzschaltung spätestens bei Erreichen des maximal zulässigen Wertes der unipolaren Ausgangsspannung des Gleichrichters 2 anspricht.
Nach dem Zünden des Gasableiters G leitet der Varistor die von der Überspannung verursachten Ströme ab. Nach Abbauen der Überspannung wird der Varistor hochohmiger und der Strom durch den Gasableiter versiegt. Somit wird der Gasableiter G gelöscht.
Vorteil bei der Ausführung nach 4 ist, dass ein Überspannungsschutz auf der DC Seite, also der Gleichspannungsseite oder Seite der unipolaren Spannung, erreichbar ist mittels eines Gasableiters. Obwohl der Gasableiter nur mit einer hohen Toleranz fertigbar ist, beispielsweise 20%, ist ein genügend genaues Festlegen der Schutzspannung erreichbar, da die Zündspannung des Gasableiters mittels der Reihenschaltung mit dem Varistor V41 klein dimensionierbar ist. Somit ist der zu den Toleranzabweichungen gehörende Absolutwert klein.
Außerdem ist im Gegensatz zu einer netzseitigen Anordnung des Überspannungsschutzes, wo drei Gasableiter notwendig sind, nur ein einziger Gasableiter notwendig.
Der Kondensator C41 ist bei einer vorteilhaften Ausgestaltung derart dimensioniert, dass vorteiligerweise der aus Varistor und Kondensator gebildete Spannungsteiler derart dimensioniert ist, dass für dynamische und für statische Vorgänge die Schaltschwelle dieselbe ist oder zumindest im Wesentlichen dieselbe.
Der Kondensator C41 ist hierzu beispielsweise mit einem Wert zwischen 0,5 nF und 3 nF dimensionierbar, wenn der Gleichrichter aus einem Drehstromversorgungsnetz gespeist ist und eingesetzt wird.
Bei dem Ausführungsbeispiel nach 1 gibt es Betriebszustände, in denen der Kondensator C2 im Wesentlichen leer oder voll geladen ist. Davon abhängig ist der Schaltungsteil 41 nach 4 besonders wirksam oder weniger wirksam als Überspannungsschutz.
Ein weiteres erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel ist dadurch erreicht, dass wiederum die Anordnung nach 1 vorgesehen wird, wobei das Schaltungsteil 41 weggelassen wird oder vorgesehen wird. Dabei wird allerdings in dem Schaltungsteil 3, das in 2 näher dargestellt wurde, das Schaltungsteil 21 als ohmscher Widerstand ausgeführt oder alternativ das Schaltungsteil 21 nach 3 ausgeführt, wobei ein ohmscher Widerstand parallel zum Schaltungsteil 21 zugeschaltet ist. Dabei wird der Widerstandswert des ohmschen Widerstandes derart dimensioniert und vorgesehen, dass der aus diesem ohmschen Widerstand und dem Hilfskondensator C2 gebildete Tiefpass zur Bedämpfung von Schwingungen im Bereich von etwa 500 Hz bis 5 kHz verwendbar ist. Somit ist vorteiligerweise der Zwischenkreiskondensator C1 schlank ausführbar und die dadurch verursachten Schwingungen sind in einfacher Weise bedämpfbar. Diese Schwingungen entstehen insbesondere auch bei Teillast, wobei bei schlankem Zwischenkreiskondensator relativ gesehen mehr Oberschwingungen im Spektrum der Zwischenkreisspannung bei höheren Frequenzen feststellbar sind als bei Dimensionierung des Zwischenkreiskondensators als dick. Insgesamt sind jedoch bei Dimensionierung mit dickem Zwischenkreiskondensator wesentlich mehr Oberschwingungen vorhanden. Dies ist besonders ausgeprägt bei tiefen Frequenzen. Weiterer Vorteil ist, dass aus dem Hilfskondensator C1 ein Schaltnetzteil zur Versorgung der Steuer- und/oder Signalelektronik speisbar ist. Die zusätzliche Verwendung in der Tiefpass-Bedämpfung erspart also Bauteile und ermöglicht eine kostengünstige Ausführung.
Durch die gleichspannungsseitige Bedämpfung von Schwingungen, insbesondere im kHz Bereich, sind die Netzrückkopplungen des Umrichters verringerbar. Die Realisierung des Tiefpasses durch ein einfaches RC-Glied ermöglicht eine einfache und kostengünstige Ausführung.
Bei der Dimensionierung ist auch wichtig, dass der ohmsche Widerstand hochohmiger, insbesondere mehr als das Doppelte höher, als der Widerstand R21 nach 3 ist.

Claims

Umrichter, umfassend – einen Gleichrichter zum Erzeugen einer unipolaren Zwischenkreisspannung aus einer dreiphasigen Netzspannung, insbesondere Drehspannung, – einen Zwischenkreiskondensator, der an der Zwischenkreisspannung angeschlossen ist, – eine Leistungsschalter umfassende Endstufe, von der aus ein Elektromotor, insbesondere ein Drehstrommotor, versorgbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass dem Zwischenkreiskondensator ein Hilfszwischenkreis parallel geschaltet ist, der zumindest aus einer Reihenschaltung einer ersten Vorrichtung 3 und einem Hilfskondensator besteht, wobei der Hilfskondensator zumindest auch Teil einer Filteranordndung ist.
Umrichter nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Filteranordnung eine RC-Kombination, also Kombination aus mindestens einem Widerstand und mindestens einem Kondensator, ist.
Umrichter nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Filteranordnung ein lineares Filter ist.
Umrichter nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorrichtung 3 ein Widerstand parallel beschaltet ist oder ein solcher von ihr umfasst ist oder die Vorrichtung 3 ist selbst als Widerstand ausgeführt.
Umrichter nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand derart dimensioniert ist, dass das aus diesem Widerstand und dem Hilfskondensator gebildete RC-Glied einen Tiefpass zum Bedampfen von Schwingungen bildet, insbesondere im Bereich von 0,5 bis 5 kHz.
Umrichter nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstand ein ohmscher Widerstand, wie beispielsweise Kohleschichtwiderstand, Metallschichtwiderstand oder Metalloxid-Schichtwiderstand, oder ein PTC-Widerstand ist.
Umrichter nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Vorrichtung 3 derart gestaltet ist, dass sie – einen Widerstandswert aus einem ersten Widerstandswertebereich zum Minimieren der Spitzenspannung am Zwischenkreiskondensator bei Spannungsanstiegen aufweist, solange die Zwischenkreisspannung Uz größer ist als die Spannung UzH am Hilfskondensator, – einen Widerstandswert aus einem zweiten Widerstandswertebereich, der hochohmiger als der erste Widerstandswertebereich ist, aufweist, wenn die Differenz ΔU = (Uz – UzH) negativ wird, solange die Differenz nicht einen kritischen Wert erreicht und – einen Widerstandswert aus einem dritten Widerstandswertebereich, der viel niederohmiger ist als der zweite Widerstandswertebereich, annimmt, wenn die Differenz ΔU unter den kritischen Wert fällt.
Umrichter nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenkreiskondensator eine direkt am Netz liegende Kapazität hat, die kleiner ist als
oder kleiner ist als 5 μF pro Ampere Zwischenkreis-Nennstrom, wobei U_{Z_Nenn} die Zwischenkreis-Nennspannung des Umrichters in Volt ist.
Umrichter nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenkreiskondensator keine polare Vorzugsrichtung hat, also kein Elektrolytkondensator ist und also auch keine Polarität aufweist.
Umrichter nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenkreiskondensator ein Folienkondensator ist.
Umrichter nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfskondensator ein Elektrolytkondensator ist.
Umrichter nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazitätswerte und der erste Wertebereich derart gewählt ist, dass die Zeitkonstante des Aufladens für den Hilfskondensators bei den zugehörigen Spannungen zwischen einer halben Millisekunde und drei Millisekunden liegt.
Umrichter nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Typ des Hilfskondensators, Kapazitätswerte und der zweite Wertebereich derart gewählt ist, dass die Zeitkonstante des Entladens für den Hilfskondensators bei den zugehörigen Spannungen größer als eine Minute ist.
Umrichter nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazitätswerte und der dritte Wertebereich derart gewählt ist, dass die Zeitkonstante des Entladens des Hilfskondensators bei den zugehörigen Spannungen kleiner als eine Sekunde ist.
Umrichter nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Vorrichtung mindestens aus einer Reihenschaltung, umfassend zumindest eine Diode D21 und einen Widerstand R21 in Zusammenwirkung mit dem Serienwiderstand des Hilfszwischenkreiskondensators zur Minimierung der Spannungsüberhöhung am Zwischenkreiskondensator C1, und einer zweiten Vorrichtung, die dieser Reihenschaltung parallel geschaltet ist.
Umrichter nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Vorrichtung mindestens aus einer Diode D21 und einer dazu parallel geschalteten zweiten Vorrichtung besteht, wobei der Serienwiderstand des Hilfszwischenkreiskondensators zur Minimierung der Spannungsüberhöhung am Zwischenkreiskondensator C1 vorgesehen ist.
Umrichter nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Vorrichtung einen Leistungsschalter und Steuermittel zum Ansteuern des Leistungsschalters umfasst, wobei die Steuermittel aus der Differenz ΔU = (Uz – UzH) versorgbar sind und abhängig von dieser Differenz den Leistungsschalter beeinflussen, insbesondere seine Steuerspannung erzeugen.
Umrichter nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Vorrichtung aus zwei parallel geschalteten Reihenschaltungen besteht, wobei in einer der beiden Reihenschaltungen der Leistungsschalter angeordnet ist und in der anderen der beiden Reihenschaltungen die Steuermittel vorgesehen sind.
Umrichter nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuermittel eine spannungsabhängige Impedanz umfassen zur Beeinflussung der Steuerspannung für den Leistungsschalter.
Umrichter nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die spannungsabhängige Impedanz zumindest einen Varistor und/oder eine Zenerdiode umfasst.
Umrichter nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungsschalter ein Thyristor ist und/oder die Steuermittel eine Zündvorrichtung sind.
Umrichter nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfszwischenkreis kein Schaltnetzteil oder einen entsprechenden Verbraucher versorgt.