DE102009031547B3

DE102009031547B3 - Verfahren zur Steuerung eines lastseitigen Stromrichters

Info

Publication number: DE102009031547B3
Application number: DE200910031547
Authority: DE
Inventors: Bernd Herrmann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2009-07-02
Filing date: 2009-07-02
Publication date: 2010-10-21
Anticipated expiration: 2029-07-03

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Steuerung eines lastseitigen Stromrichters (2) eines Spannungszwischenkreis-Umrichters, an dessen Ausgangsklemmen (16, 18, 20) ein elektrischer Motor (4) und ein Tiefpassfilter (6) mit einer Gegentaktdrossel (22) und einem Kondensator (26) pro Ausgangsphase und einer Gleichtaktdrossel (24) angeschlossen sind. Erfindungsgemäß wird während einer vorbestimmten Zeitspanne eines Anlaufvorgangs des stromrichtergespeisten Motors (4) eine Pulsfrequenz des lastseitigen Stromrichters (2) derart erhöht, dass ein Wert eines fließenden Gleichtaktstroms kleiner bleibt als ein Wert eines zur Sättigungsflussdichte (B) der Gleichtaktdrossel (24) proportionalen Stroms. Durch dieses Steuerverfhren eines lastseitigen Stromrichters kann der Kern einer stromkompensierten Drossel (24) trotz eines Anlaufvorgangs des stromrichtergespeisten Motors (4) auf den stationären Betrieb des lastseitigen Stromrichters (2) ausgelegt werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Steuerung eines lastseitigen Stromrichters eines Spannungszwischenkreis-Umrichters, an dessen Ausgangsklemmen ein elektrischer Motor und ein Tiefpassfilter mit einer Gegentaktdrossel und einem Kondensator pro Ausgangsphase und einer Gleichtaktdrossel angeschlossen sind.
Aus der EP 0 682 401 B1 ist ein derartiger lastseitiger Stromrichter eines Spannungszwischenkreis-Umrichters bekannt. Ein entsprechendes Ersatzschaltbild ist in der 1 näher dargestellt. In diesem Ersatzschaltbild sind mit 2 ein lastseitiger Stromrichter, mit 4 ein elektrischer Motor und mit 6 ein Tiefpassfilter bezeichnet. Elektrisch parallel zu gleichspannungsseitigen Anschlüssen 8 und 10 des lastseitiger Stromrichters 2 ist ein Zwischenkreiskondensator 12 geschaltet, der einen Gleichspannungs-Zwischenkreis 14 eines Spannungszwischenkreis-Umrichters bildet. Der lastseitiger Stromrichter 2, der vorwiegend als Wechselrichter betrieben wird, weist sechs Stromrichterventile T1, ..., T6 auf, von denen jeweils zwei elektrisch in Reihe geschaltet sind. Jeweils ein Verbindungspunkt zweier Stromrichterventile T1, T2 bzw. T3, T4 bzw. T5, T6 bildet eine wechselspannungsseitige Ausgangsklemme 16 bzw. 18 bzw. 20. Als Stromrichterventile T1, ..., T6 werden abschaltbare Halbleiterschalter, insbesondere Insulated-Gate-Bipolar-Transistoren (IGBT), verwendet. Derartige IGBTs können mit einer Pulsfrequenz von mehreren kHz getaktet werden, wobei an den Ausgangsklemmen 16, 18 und 20 jeweils eine Rechteckspannung mit steilen Anstiegs- und Abfallflanken ansteht. Das Tiefpassfilter 6 weist drei Gegentaktdrosseln 22, eine Gleichtaktdrossel 24 und drei Kondensatoren 26 auf, wobei diese Filterelemente 22, 24 und 26 als Tiefpass verschaltet sind. Mittels dieses Filters 6 werden symmetrische und asymmetrische Störsignale herausgefiltert. Symmetrische und asymmetrische Störungen werden auch als Gegentakt(diffe rential-mode)-Störung und Gleichtakt(common-mode)-Störungen bezeichnet. Ein derartiges Filter 6 ist derart abgestimmt, dass seine Eckfrequenz größer als eine maximal auftretende Ausgangsfrequenz und kleiner als eine Pulsfrequenz des lastseitigen Stromrichters ist. In der Ausführungsform des Tiefpassfilters 6 gemäß 1 sind die drei Kondensatoren 26 in Stern geschaltet, wobei der Sternpunkt 28 mittels eines weiteren Kondensators 30 mit einem Erdpotential verbunden ist. Über diesen Kondensator 30 werden asymmetrische (common-mode) Ströme abgeleitet.
Um Gleichtakt-Störungen herausfiltern zu können, weist das Tiefpassfilter 6 eine stromkompensierte Drossel 24, die auch als Gleichtaktdrossel bezeichnet wird, auf. Stromkompensierte Drosseln werden bei vorgegebener Induktivität nach dem maximal möglichen Ableitstrom ausgelegt. Eine Überschreitung einer Sättigungsflussdichte B_sat einer stromkompensierten Drossel 24 führt sofort zu einem Verlust der Common-Mode-Induktivität und damit zu extrem hohen Pulsströmen im lastseitigen Stromrichter 2. Allerdings wird der Sättigungsstrom bei gegebenem Magnetmaterial vom Kernquerschnitt vorgegeben und hängt damit direkt mit dem Bauvolumen und den Kosten der stromkompensierten Drossel 24 zusammen. Die maximale Magnetisierung des Kerns einer stromkompensierten Drossel 24 hängt nicht vom Laststrom, sondern nur vom Nullstrom des Drehstromsystems ab. Bei Common-Mode-Filtern ist dies in der Regel der Ableitstrom der im Nullsystem wirksamen Kondensatoren. Deshalb muss eine stromkompensierte Drossel 24 sehr genau auf einen auftretenden Ableitstrom angepasst werden.
In einer stromkompensierten Drossel 24 führt ein Common-Mode-Strom, auch als Rippelstrom bezeichnet, in den Windungen zu einer Auslenkung der magnetischen Flussdichte B, die mittels der Magnetisierungskennlinie (2) der Gleichtaktdrossel 24 beschrieben wird. Entscheidend ist hier, dass der Rippelstrom ein magnetisches Wechselfeld erzeugt, das in beiden Richtungen zu einer Auslenkung der magnetischen Flussdichte B des Kerns führt.
Anders ist die Auslenkung der magnetischen Flussdichte B bei einem Anlauf des stromrichtergespeisten Motors 4. Beim Anlauf eines stromrichtergespeisten Motors 4 ist der Kern der Gleichtaktdrossel 24 nicht vormagnetisiert. Ein Rippelstrom, der im eingeschwungenen Betrieb (Nennbetrieb) einen optimalen Betrieb des Kerns der Gleichtaktdrossel 24 erlauben würde, führt jedoch beim Anlaufvorgang wegen seiner großen Amplitude schnell zur Sättigung des Kerns. Während des Anlaufvorgangs wird gemäß 2 eine magnetische Feldstärke H_AL erreicht, die doppelt so hoch ist wie die magnetische Feldstärke H_n im Nennbetrieb. Die Sättigung der Gleichtaktdrossel 24 führt zur Verzehrung des Laststroms und zur starken Verringerung der Common-Mode-Induktivität.
Um eine Sättigung der stromkompensierten Drossel 24 zu verhindern, wird diese stromkompensierte Drossel 24 für einen doppelten Magnetisierungsstrom ausgelegt. Dies erfordert allerdings bei gleicher Windungszahl den doppelten Querschnitt. Dadurch benötigt eine derartige stromkompensierte Drossel 24 ein viel größeres Einbauvolumen und ist wesentlich teuerer.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Steuerung eines lastseitigen Stromrichters mit ausgangsseitigem Tiefpassfilter mit Common-Mode-Drossel anzugeben, wodurch ein Anlaufvorgang eines stromrichtergespeisten Motors mit einer unveränderten Common-Mode-Drossel ausgeführt werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass während einer vorbestimmten Zeitspanne eines Anlaufvorgangs eines stromrichtergespeisten Motors eine Pulsfrequenz des lastseitigen Stromrichters derart erhöht wird, dass ein Wert eines fließenden Gleichtaktstroms kleiner bleibt als ein Wert eines zur Sättigungsflussdichte der Gleichtaktdrossel proportionalen Stroms. Mittels dieses erfindungsgemäßen Verfahrens kann der Kern einer stromkompensierten Drossel trotz eines Anlaufvorgangs auf einen stationären Betrieb des lastseitigen Stromrichters ausgelegt werden.
Dadurch reduziert sich das Bauvolumen der stromrichterkompensierten Drossel. Gegenüber einer stromkompensierten Drossel für ein bekannten lastseitigen Stromrichter weist die stromkompensierte Drossel bei der Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens beim lastseitigen Stromrichter nicht nur ein geringeres Bauvolumen, sondern auch einen wesentlich niedrigeren Preis auf.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die Pulsfrequenz eines einen elektrischen Motor speisenden lastseitigen Stromrichters eines Spannungszwischenkreis-Umrichters verdoppelt. Dadurch halbiert sich der Common-Mode-Strom bei einem Anlaufvorgang des stromrichtergespeisten Motors. Durch den Betrieb des lastseitigen Stromrichters mit doppelter Pulsfrequenz entstehen höhere Schaltverluste, die kurzzeitig vom Stromrichter getragen werden können. Da im Handel erhältliche Umrichter überlastfähig sind, kann selbst ein Anlauf eines Motors mit maximalem Drehmoment aus dem Stand durchgeführt werden. Sobald der Common-Mode-Strom eingeschwungen ist, d. h. der Wert seines Mittelwertes ist Null, wird die Pulsfrequenz wieder auf die Nennpulsfreqenz des lastseitigen Stromrichters reduziert. Da der Anlaufvorgang mit einem Stromrichter durchgeführt wird, der noch nicht eingeschaltet war, sind dessen Stromrichterventile und der Kühlkörper temperaturmäßig nur auf Umgebungstemperatur. Das heißt, dass der Stromrichter einen Betrieb mit doppelter Pulsfrequenz für eine vorbestimmte Zeitspanne während eines Anlaufvorgangs ausführen kann, ohne dabei wegen Übertemperatur abschalten zu müssen. Da nun die stromkompensierte Drossel auf den stationären Betrieb des Umrichters ausgelegt werden kann, ergeben sich wesentliche Einsparungen beim Bauvolumen und bei den Kosten.

Claims

Verfahren zur Steuerung eines lastseitigen Stromrichters (2) eines Spannungszwischenkreis-Umrichters, an dessen Ausgangsklemmen (16, 18, 20) ein elektrischer Motor (4) und ein Tiefpassfilter (6) mit einer Gegentaktdrossel (22) und einem Kondensator (26) pro Ausgangsphase und einer Gleichtaktdrossel (24) angeschlossen sind, wobei während einer vorbestimmten Zeitspanne eines Anlaufvorgangs des stromrichtergespeisten Motors (4) eine Pulsfrequenz des lastseitigen Stromrichters (2) derart erhöht wird, dass ein Wert eines fließenden Gleichtaktstroms kleiner bleibt als ein Wert eines zur Sättigungsflussdichte (B_sat) der Gleichtaktdrossel (24) proportionalen Stromes.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsfrequenz auf seinen 1,5-fachen Wert erhöht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsfrequenz auf seinen doppelten Wert erhöht wird.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die vorbestimmte Zeitspanne mehrere Pulsperioden der Pulsfrequenz entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die vorbestimmte Zeitspanne endet, sobald ein Mittelwert des Gleichtaktstroms annähernd Null ist.