DE102009053061A1

DE102009053061A1 - Electrical arrangement for power electronics in electric motor, has impedance switched in series with electrolytic capacitor, where impedance lies in region between condenser and fully equivalent series resistance of capacitor

Info

Publication number: DE102009053061A1
Application number: DE200910053061
Authority: DE
Inventors: Christian Wolff; Thorsten Stellmacher; Gerrit Blöcker
Original assignee: Wilo SE
Current assignee: Wilo SE
Priority date: 2009-11-16
Filing date: 2009-11-16
Publication date: 2011-05-19

Abstract

The arrangement has a voltage intermediate circuit, a parallel switched film capacitor (1) and an electrolytic capacitor (2), where an impedance (3) with a specific resistance value is switched in series with the electrolytic capacitor. The impedance lies in the region between a condenser and the fully equivalent series resistance (ESR) of the electrolytic capacitor. A series circuit lies in parallel to the film capacitor. The resistance switched in series to the electrolytic capacitor displaces the ripple current in the film capacitor.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Anordnung zur Bildung eines Spannungszwischenkreises für einen Elektromotor, mit zumindest einem ersten und Kondensator und zumindest einem parallel zu diesem geschalteten zweiten Kondensator.The invention relates to an electrical arrangement for forming a voltage intermediate circuit for an electric motor, with at least one first and capacitor and at least one second capacitor connected in parallel therewith.

Die elektrische Versorgung eines Verbrauchers erfolgt häufig aus einem Spannungszwischenkreis, der einen oder mehrere Kondensatoren zur Speicherung der elektrischen Energie aufweist, und der zwischen dem Verbraucher und einem Spannungsversorgungsnetz geschaltet ist. Mit Hilfe eines Gleichrichters wird der oder die Kondensatoren aus der meist ein- oder dreiphasige Netzspannung des Versorgungsnetzes gespeist. Der Gleichrichter wandelt dabei die Netzspannung in eine Gleichspannung um, mit welcher der oder die Kondensatoren beaufschlagt werden.The electrical supply of a consumer often takes place from a voltage intermediate circuit, which has one or more capacitors for storing the electrical energy, and which is connected between the consumer and a power supply network. With the aid of a rectifier, the capacitor or capacitors from the usually single or three-phase supply voltage of the supply network is fed. The rectifier converts the mains voltage into a DC voltage, with which the one or more capacitors are applied.

Lastseitig ist zur Speisung von Wechselstromverbrauchern zwischen dem Spannungszwischenkreis und dem Verbraucher ein Wechselrichter geschaltet, der die Zwischenkreisspannung in eine ein- oder mehrphasige Wechselspannung umwandelt. Eine derartige Anordnung aus Gleichrichter, Zwischenkreis und Wechselrichter bildet einen Frequenzumrichter, mittels welchem Drehfeldmotoren, beispielsweise Asynchronmotoren oder auch EC-Motoren betrieben werden können. Der Frequenzumrichter formt dabei die Netzspannung fester Frequenz und fester Amplitude in eine Versorgungsspannung mit variabler, vorgebbarer Amplitude und Frequenz für den Elektromotor um, so dass dieser mit veränderlicher Drehzahl betreibbar ist. Bei elektronisch kommutierten Motoren (EC-Motoren) wird der Wechselrichter in der Regel mit einer Pulsweitenmodulation betrieben und die Statorwicklungen des Elektromotors zyklisch bestromt.On the load side, an inverter is connected to supply alternating current consumers between the voltage intermediate circuit and the load, which converts the intermediate circuit voltage into a single-phase or multi-phase alternating voltage. Such an arrangement of rectifier, intermediate circuit and inverter forms a frequency converter, by means of which rotary field motors, for example asynchronous motors or EC motors can be operated. In this case, the frequency converter converts the mains voltage of fixed frequency and fixed amplitude into a supply voltage with a variable, predefinable amplitude and frequency for the electric motor, so that it can be operated at a variable speed. In electronically commutated motors (EC motors), the inverter is usually operated with a pulse width modulation and the stator windings of the electric motor energized cyclically.

In der Praxis wird der Frequenzumrichter bei Elektromotoren im unteren und mittleren Leistungsbereich häufig mit allen Komponenten in einem einzigen Gehäuse untergebracht. Dies bedeutet, dass die zur Ausbildung von Gleich- und Wechselrichter notwendige Steuerungs- und Leistungselektronik mitsamt der den Zwischenkreis bildenden Kondensatoren baulich und räumlich vereinigt ist, so dass eine kleinbauende, kompakte Ausführung eines Frequenzumrichters erreicht wird. Bei elektromotorisch betriebenen Pumpen befindet sich die gesamte Elektronik des Frequenzumrichters beispielsweise im Klemmenkasten, der außen am Motorgehäuse befestigt ist. Für die Realisierung eines Zwischenkreises wird meist eine Parallelschaltung eines Folienkondensators mit einem oder mehreren Elektrolytkondensatoren verwendet.In practice, the frequency converter in electric motors in the low and medium power range is often housed with all components in a single housing. This means that the need for training DC and inverter control and power electronics together with the intermediate circuit forming capacitors is structurally and spatially united, so that a small-sized, compact design of a frequency converter is achieved. In the case of electromotive-operated pumps, the entire electronics of the frequency converter are located, for example, in the terminal box, which is fastened to the outside of the motor housing. For the realization of an intermediate circuit, a parallel connection of a film capacitor with one or more electrolytic capacitors is usually used.

Folienkondensatoren kennzeichnen sich durch eine Hohe Impulsbelastbarkeit und ein gutes Temperaturverhalten aus. Aufgrund ihrer geringen ohmschen Verluste ist ihre Eigenerwärmung gering und ihr Aufladen erfolgt mit sehr kleiner Zeitkonstante, so dass sich Folienkondensatoren besonders zum Abblocken von Spannungsspitzen, d. h. hohen Impulsen einsetzen lassen. Der Kapazitätswert des Folienkondensators wird in der Regel niedrig gewählt, d. h. maximal im unteren Mikrofaradbereich, so dass Spannungsanteile mit hohen Frequenzen in der Zwischenkreisspannung gefiltert werden können. Steile Impulse können dadurch abgeblockt werden.Film capacitors are characterized by high pulse load capacity and good temperature behavior. Due to their low ohmic losses their self-heating is low and their charging takes place with a very small time constant, so that foil capacitors especially for blocking voltage spikes, d. H. high pulses can be used. The capacitance value of the film capacitor is usually chosen low, d. H. maximum in the lower microfarad range, so that voltage components with high frequencies in the DC link voltage can be filtered. Steep impulses can be blocked.

Für eine ausreichende Glättung der Zwischenkreisspannung bei Betrieb mit Nennlast muss der Zwischenkreis jedoch hohe Kapazitätswerte aufweisen, die mit einem oder mehreren Folienkondensatoren allein nur mit hohen Kosten und erhöhtem Bauvolumen erreichbar sind. In der Praxis ist es üblich, Elektrolytkondensatoren zu verwenden, die vergleichsweise preiswert im Gegensatz zu Folienkondensatoren sind und bei Kapazitätswerten im Bereich mehrerer hundert Mikrofarad ein vergleichsweise kleines Bauvolumen beanspruchen. Nachteilig bei Elektrolytkondensatoren sind die vergleichsweise hohen ohmschen Verluste, aufgrund derer sich diese im Betrieb erheblich erwärmen. Dies bewirkt wiederum, dass Elektrolytkondensatoren austrocknen und ihre Lebensdauer durch starke Erwärmung erheblich reduziert wird.For a sufficient smoothing of the DC link voltage when operating at nominal load, however, the DC link must have high capacitance values, which can only be achieved with one or more film capacitors with high costs and increased construction volume. In practice, it is customary to use electrolytic capacitors which are comparatively inexpensive in contrast to film capacitors and require a comparatively small construction volume for capacitance values in the range of several hundred microfarads. A disadvantage of electrolytic capacitors are the relatively high ohmic losses, due to which they heat up considerably during operation. This, in turn, causes electrolytic capacitors to dry out and their life is significantly reduced by intense heating.

Um die entstehende Verlustwärme abzuführen, sind verschiedene Maßnahmen bekannt. Beispielsweise werden die Kondensatoren als kapazitive Baugruppe auf eine separate Platine gelötet, in einer vom übrigen Raumvolumen des Elektronikgehäuses abgetrennten Gehäusetasche angeordnet und mit einem wärmeleitenden Gießharz vergossen. Die kapazitive Baugruppe wird hierdurch räumlich von der Hauptplatine mit den übrigen Elektronikbauteilen getrennt, so dass eine thermische und auch elektrische Isolierung erreicht wird. Über das Gießharz wird die innere Wärme der Kondensatoren nach außen geführt und kann beispielsweise über Rippen an der Außenseite der Gehäusetasche abgegeben werden. Für eine verbesserte Wärmeabgabe ist das Elektronikgehäuse zumindest im Bereich der Gehäusetasche aus Metall, insbesondere Aluminium gefertigt.To dissipate the resulting heat loss, various measures are known. For example, the capacitors are soldered as a capacitive assembly on a separate board, arranged in a separated from the rest of the volume of the electronics housing housing housing and potted with a thermally conductive casting resin. The capacitive assembly is thereby spatially separated from the motherboard with the other electronic components, so that a thermal and electrical insulation is achieved. About the casting resin, the internal heat of the capacitors is led to the outside and can be delivered for example via ribs on the outside of the housing pocket. For improved heat dissipation, the electronics housing is made of metal, in particular aluminum, at least in the region of the housing pocket.

Die Anordnung und das Verlöten der Zwischenkreiskondensatoren auf einer separaten Platine, das Einsetzen dieser Baugruppe in die Gehäusetasche sowie das Vergießen der Baugruppe führen zu zusätzlichen Arbeitsschritten im Herstellungsverfahren des Zwischenkreises respektive der diesen umfassenden Motorelektronik. Darüber hinaus muss eine Aushärtezeit für die Vergussmasse abgewartet werden, was zu einer zusätzlichen Verzögerung des Herstellungsprozesses führt, da weitere Produktionsschritte erst bei vollem Erstarren der Vergussmasse durchgeführt werden können. Schließlich muss die Kondensatorplatine über zusätzliche Verbindungsleitungen und Steckkontakte elektrisch mit der Hauptplatine verbunden werden. Auch dies bedingt zusätzliche Fertigungsschritte beim Herstellungsverfahren. Diese genannten Prozessschritte verlängern, verteuern und verkomplizieren das Herstellungsverfahren.The arrangement and the soldering of the DC link capacitors on a separate board, the insertion of this module in the housing pocket and the casting of the assembly lead to additional steps in the manufacturing process of the DC link, respectively, of this comprehensive engine electronics. In addition, a curing time for the potting compound must be awaited, which leads to an additional delay in the manufacturing process, as more Production steps can only be carried out at full solidification of the casting compound. Finally, the capacitor board must be electrically connected to the motherboard via additional connecting leads and plug contacts. This also requires additional manufacturing steps in the manufacturing process. These process steps lengthen, make more expensive and complicate the manufacturing process.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektrische Anordnung zur Bildung eines Spannungszwischenkreises für einen Elektromotor bereit zu stellen, die mit geringem Fertigungsaufwand unter Einhaltung thermischer Isolationsvorgaben einfach und kostengünstig herstellbar ist, wobei die Lebensdauer der Anordnung erhöht werden soll.It is therefore an object of the present invention to provide an electrical arrangement for forming a voltage intermediate circuit for an electric motor, which is simple and inexpensive to manufacture with low production costs while maintaining thermal insulation specifications, the life of the device should be increased.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Erfindungsgemäß wird dabei eine elektrische Anordnung zur Bildung eines Spannungszwischenkreises für einen Elektromotor mit zumindest einem ersten Kondensator und zumindest einem parallel zu diesem geschalteten zweiten Kondensator vorgeschlagen, bei der in Reihe zu dem zumindest einen zweiten Kondensator eine Impedanz mit einem Widerstandswert geschaltet ist, der im Bereich zwischen 1/3 und dem vollen äquivalenten Serienwiderstand des Elektrolytkondensators liegt.This object is solved by the features of claim 1. According to the invention, an electrical arrangement for forming a voltage intermediate circuit for an electric motor with at least one first capacitor and at least one second capacitor connected in parallel therewith is provided, in which an impedance with a resistance value is connected in series with the at least one second capacitor is between 1/3 and the full equivalent series resistance of the electrolytic capacitor.

Der äquivalente Serienwiderstand (ESR) bezieht sich dabei auf die Frequenz des im Nennbetrieb vorliegenden Pulsstromes bzw. der pulsierenden Spannung des zumindest einen zweiten Kondensators. Durch die Reihenschaltung der Impedanz mit dem zweiten Kondensator wird eine Verlagerung der thermischen Quelle aus diesem zweiten Kondensator heraus bewirkt. Die Erwärmung dieses Kondensators ist demgemäß geringer, so dass zusätzliche Fertigungsschritte für die Kühlung der kapazitiven Baugruppe, insbesondere eine Kühlkörpermontage oder das Vergießen der Kondensatoren, entfallen kann. Hierdurch wird der Fertigungsprozess erheblich vereinfacht, zeitlich verkürzt und darüber hinaus kostengünstiger.The equivalent series resistance (ESR) refers to the frequency of the pulse current present in rated operation or the pulsating voltage of the at least one second capacitor. The series connection of the impedance with the second capacitor causes a displacement of the thermal source out of this second capacitor. The heating of this capacitor is accordingly lower, so that additional manufacturing steps for the cooling of the capacitive assembly, in particular a heat sink assembly or the casting of the capacitors can be omitted. As a result, the manufacturing process is considerably simplified, shortened in terms of time and, moreover, less expensive.

Unter elektrotechnischer Betrachtung bewirkt die Schaltung der zusätzlichen Impedanz in Reihe zu dem zumindest einen zweiten Kondensator eine Abkopplung des ersten Kondensators vom zweiten Kondensator. Der Pulsstrom im zweiten Kondensator wird dabei reduziert. Da dieser Pulsstrom, auch als Rippelstrom bekannt, für die Erwärmung des Kondensators verantwortlich ist, wird der zweite Kondensator durch den reduzierten Stromrippel thermisch entlastet. Zwar ergibt sich dadurch ein höherer Stromrippel am ersten Kondensator. Dies stellt jedoch keinen technischen Nachteil dar, da der parasitäre Innenwiderstand des ersten Kondensators gering ist und seine Glättungsfunktion dadurch nicht merklich beeinträchtigt wird. Weiterhin ist auch anzumerken, dass durch die zusätzliche Impedanz zusätzliche ohmsche Verluste entstehen, die es grundsätzlich zu vermeiden gilt. Dieser Nachteil wird jedoch durch die Vereinfachung, zeitliche Verkürzung und Vergünstigung des Herstellungsprozesses sowie durch die in Folge der Reduzierung der thermischen Belastung erhöhte Lebensdauer der Zwischenkreiskondensatoren kompensiert.From an electrical point of view, the circuit of the additional impedance in series with the at least one second capacitor causes a decoupling of the first capacitor from the second capacitor. The pulse current in the second capacitor is reduced. Since this pulse current, also known as Rippelstrom, is responsible for the heating of the capacitor, the second capacitor is thermally relieved by the reduced current ripple. Although this results in a higher current ripple on the first capacitor. However, this is not a technical disadvantage, since the parasitic internal resistance of the first capacitor is low and its smoothing function is not significantly affected thereby. Furthermore, it should also be noted that additional ohmic losses occur due to the additional impedance, which in principle must be avoided. However, this disadvantage is compensated by the simplification, shortening of time and reduction of the manufacturing process and by the increased life of the DC link capacitors as a result of the reduction of the thermal load.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung ist, dass durch die geringere Wärmeentwicklung in den Zwischenkreiskondensatoren diese nicht mehr auf einer separaten Platine angeordnet werden müssen. Vielmehr können sie auf einer einzigen Platine gemeinsam mit der übrigen Leistungselektronik angeordnet und verlötet werden. Dies hat wiederum den Vorteil, dass keine zusätzlichen Verbindungsleitungen benötigt werden, die stets einen induktiven Anteil besitzen und damit Resonanzeffekte bewirken können.Another advantage of the arrangement according to the invention is that due to the lower heat development in the DC link capacitors these no longer have to be arranged on a separate board. Rather, they can be arranged on a single board together with the rest of the power electronics and soldered. This in turn has the advantage that no additional connecting lines are needed, which always have an inductive component and thus can cause resonance effects.

In einer vorteilhaften Weiterbildung kann der zweite Kondensator von einer Gruppe mehrerer Kondensatoren gebildet sein, die parallel zu dem ersten Kondensator geschaltet sind, und die in Reihe und/oder parallel zueinander geschaltet sein können. Durch eine Reihenschaltung von Kondensatoren kann die Spannungsbelastung aufgeteilt werden. Weiterhin kann durch eine Parallelschaltung der Kondensatoren die Kapazität der Gesamtanordnung erhöht werden.In an advantageous development, the second capacitor can be formed by a group of several capacitors, which are connected in parallel to the first capacitor, and which can be connected in series and / or parallel to one another. Through a series connection of capacitors, the voltage load can be divided. Furthermore, the capacitance of the overall arrangement can be increased by a parallel connection of the capacitors.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Anordnung kann die Gruppe vier Kondensatoren umfassen, wobei jeweils zwei der Kondensatoren parallel und diese Parallelschaltungen in Reihe geschaltet sein können. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass die Gesamtkapazität des Zwischenkreises gegenüber einem einzigen zweiten Kondensator im Wesentlichen gleich bleibt, die Zwischenkreisspannung jedoch auf jeweils zwei Kondensatoren verteilt wird, so dass diese hinsichtlich der Spannungsfestigkeit wieder geringer dimensioniert werden können, wodurch Bauvolumen eingespart werden kann.In a particularly advantageous embodiment of the arrangement, the group may comprise four capacitors, wherein in each case two of the capacitors can be connected in parallel and these parallel circuits in series. This arrangement has the advantage that the total capacitance of the intermediate circuit remains essentially the same as a single second capacitor, but the intermediate circuit voltage is distributed to two capacitors each, so that they can be dimensioned smaller again with regard to the dielectric strength, as a result of which construction volume can be saved.

Die Impedanz liegt in dieser Ausführungsvariante in Reihe mit der Kondensatorgruppe und weist einen Widerstandswert auf, der im Bereich zwischen einem Drittel und dem vollen äquivalenten Serienwiderstand der Kondensatorgruppe liegt.In this embodiment, the impedance is in series with the capacitor group and has a resistance value which lies in the range between one third and the full equivalent series resistance of the capacitor group.

Alternativ kann zu jedem der Kondensatoren der Gruppe jeweils eine Impedanz mit einem Widerstandswert in Reihe geschaltet sein, der im Bereich zwischen einem Drittel und dem vollen äquivalenten Serienwiderstand des jeweiligen Kondensators der Gruppe liegt. Durch eine derartige Anordnung wird vorteilhafter Weise bewirkt, dass eine gleichmäßige Strom- und Spannungsaufteilung zwischen den Kondensatoren der Gruppe erfolgt, die unabhängig von deren individuellen Toleranzen und unabhängig von der Länge der Zuleitung ist, über die ein entsprechender Zwischenkreiskondensator mit dem Zwischenkreis verbunden ist. Die symmetrische Strom- und Spannungsaufteilung optimiert wiederum die Lebensdauer der Gesamtanordnung, da keiner der Kondensatoren der Gruppe elektrisch oder thermisch höher belastet wird als die übrigen Kondensatoren.Alternatively, each of the capacitors of the group may be connected in series with an impedance having a resistance value in the range between one third and the full equivalent series resistance of the respective capacitor of the group. By such an arrangement is advantageously causes a uniform current and voltage distribution takes place between the capacitors of the group, which is independent of their individual tolerances and independent of the length of the supply line, via which a corresponding intermediate circuit capacitor is connected to the intermediate circuit. The symmetrical current and voltage distribution in turn optimizes the life of the overall arrangement, since none of the capacitors of the group is charged electrically or thermally higher than the other capacitors.

In einer weiteren alternativen Ausführungsvariante kann die elektrische Anordnung zwei Impedanzen umfassen, wobei der zweite Kondensator oder die Gruppe mehrerer Kondensatoren zwischen den beiden Impedanzen geschaltet ist und diese Reihenschaltung wiederum parallel zu dem ersten Kondensator geschaltet ist. Hiermit kann die Verlustleistung auf zwei Impedanzen verteilt werden, so dass diese jeweils nur für die halbe Verlustleistung zu dimensionieren wären, die bei einer einzigen Impedanz anfallen würde.In a further alternative embodiment, the electrical arrangement may comprise two impedances, wherein the second capacitor or the group of several capacitors is connected between the two impedances and this series circuit is in turn connected in parallel to the first capacitor. Hereby, the power loss can be distributed to two impedances, so that they would only be dimensioned for half the power loss that would occur at a single impedance.

Die Wahl des Widerstandswerts der Impedanz ist bevorzugt im Bereich zwischen einem Drittel und dem vollen äquivalenten Serienwiderstand des zweiten Kondensators bzw. des jeweiligen Kondensators der Gruppe zu wählen, weil sich anderenfalls bei einem zu geringen Widerstandswert keine merkliche thermische Entlastung des entsprechenden Kondensators bzw. der Kondensatoren ergeben würde, und bei einem zu hohen Wert eine unnötig hohe ohmsche Verlustleistung sowie aufgrund des sich bildenden RC-Gliedes eine höhere Zeitkonstante ergeben würde. Diese ist für das Auf- und Entladen des Kondensators nachteilig, da bei einer spontanen Leistungsanfrage der Last diese Leistung nicht aus dem Kondensator gezogen werden kann. Es ist daher anstrebenswert, den Widerstandswert der zusätzlichen Impedanz möglichst gering zu halten.The choice of the resistance value of the impedance is preferably to be selected in the range between one third and the full equivalent series resistance of the second capacitor or of the respective capacitor of the group, because otherwise, if the resistance value is too low, there will be no appreciable thermal relief of the corresponding capacitor or capacitors would result in an excessively high value would result in an unnecessarily high ohmic power loss as well as a higher time constant due to the forming RC element. This is disadvantageous for the charging and discharging of the capacitor, since in a spontaneous power request of the load this power can not be pulled out of the capacitor. It is therefore desirable to keep the resistance of the additional impedance as low as possible.

Insbesondere kann der Widerstandswert im Bereich zwischen dem halben und dem vollen äquivalenten Serienwiderstand des jeweiligen Kondensators liegen, mit dem die Impedanz in Reihe geschaltet ist. Bei einem äquivalenten Serienwiderstand von 100 Milliohm kann der Widerstandswert zwischen 50 und 100 Milliohm betragen. Vorzugsweise ist der Widerstandwert im Wesentlichen gleich dem äquivalenten Serienwiderstand des entsprechenden Kondensators bzw. der entsprechenden Kondensatoren. Dabei wird als Widerstandswert bevorzugt ein Wert aus einer der genormten E-Reihen nach DIN IEC 60063 gewählt, der am nächsten an dem äquivalenten Serienwiderstand des entsprechenden Kondensators liegt.In particular, the resistance value may be in the range between half and full equivalent series resistance of the respective capacitor with which the impedance is connected in series. With an equivalent series resistance of 100 milliohms, the resistance can be between 50 and 100 milliohms. Preferably, the resistance value is substantially equal to the equivalent series resistance of the corresponding capacitor (s). In this case, a value from one of the standardized E rows is preferred as the resistance value DIN IEC 60063 which is closest to the equivalent series resistance of the corresponding capacitor.

In einer vorteilhaften Ausbildung der elektrischen Anordnung kann die Impedanz oder die Impedanzen als Shunt bzw. Shunts ausgebildet sein. Da ein Shunt stets einen niedrigen Widerstandswert aufweist und zur Leitung höher Ströme ausgelegt ist, ist er für die erfindungsgemäße elektrische Anordnung bevorzugt geeignet. Alternativ oder auch in Kombination hinsichtlich der Gruppe von Kondensatoren kann die Impedanz oder eine oder mehrere der Gruppe von Kondensatoren jeweils zugeordneten Impedanzen aus SMD (Surface Mounted Device) Widerständen gebildet sein. Hierdurch wird der für die zusätzlichen Impedanzen notwendige Platz auf der Platine minimal gehalten.In an advantageous embodiment of the electrical arrangement, the impedance or the impedances may be formed as a shunt or shunt. Since a shunt always has a low resistance value and is designed to conduct higher currents, it is preferably suitable for the electrical arrangement according to the invention. Alternatively, or in combination with respect to the group of capacitors, the impedance or one or more of the group of capacitors may be formed of respectively associated impedances of SMD (Surface Mounted Device) resistors. As a result, the space required for the additional impedances on the board is kept to a minimum.

Der erste Kondensator ist bevorzugt als Folienkondensator oder Keramikkondensator ausgeführt. Diese weisen nur geringe ohmsche Verluste auf und Filtern Spannungspitzen. Der zumindest eine zweite Kondensator oder die Kondensatoren der Gruppe ist bzw. sind demgegenüber als Elektrolytkondensatoren ausgeführt. Sie besitzen ein geringeres Bauvolumen und sind im Gegensatz zu Folien- und Keramikondensatoren gleicher Kapazität preiswerter.The first capacitor is preferably designed as a film capacitor or ceramic capacitor. These have only low ohmic losses and filter voltage peaks. The at least one second capacitor or the capacitors of the group is or are in contrast designed as electrolytic capacitors. They have a smaller construction volume and, in contrast to film and ceramic capacitors of the same capacity cheaper.

Erfindungsgemäß kann die elektrische Anordnung einen Spannungszwischenkreis bilden, der Bestandteil einer Leistungselektronik für einen Elektromotor ist. Weiterhin kann erfindungsgemäß ein Elektromotor mit einer derartigen Leistungselektronik verwendet werden.According to the invention, the electrical arrangement form a voltage intermediate circuit, which is part of a power electronics for an electric motor. Furthermore, according to the invention, an electric motor can be used with such power electronics.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und den beigefügten Figuren erläutert. Es zeigen:Further features and advantages of the invention are explained below with reference to embodiments and the accompanying figures. Show it:

1: Elektrische Anordnung mit einer zu einer Kondensatorgruppe in Reihe geschalteten Impedanz 1 : Electrical arrangement with an impedance connected in series to a capacitor array

2: Elektrische Anordnung mit zwei in Reihe zu einer Kondensatorgruppe geschalteten Impedanzen 2 : Electrical arrangement with two impedances connected in series to a capacitor group

3: Kondensatorgruppe mit jeweils einer einem Kondensator der Gruppe in Reihe geschalteten Impedanz 3 : Capacitor group with one impedance in series connected to one capacitor of the group

1 zeigt eine erfindungsgemäße elektrische Anordnung zur Bildung eines Spannungszwischenkreises mit einem ersten Kondensator 1 und einer Gruppe parallel zu diesem ersten Kondensator 1 geschalteten zweiten Kondensatoren 2, wobei in Reihe zu der Kondensatorgruppe eine Impedanz 3 geschaltet ist. Die Gruppe umfasst vier Kondensatoren 2, wobei jeweils zwei der Kondensatoren 2 parallel und diese Parallelschaltungen in Reihe geschaltet sind. Der erste Kondensator 1 ist bipolar ausgeführt und als Folienkondensator ausgebildet, wohingegen die Kondensatoren der Gruppe unipolar als Elektrolytkondensatoren ausgeführt sind. 1 shows an inventive electrical arrangement for forming a voltage intermediate circuit with a first capacitor 1 and a group parallel to this first capacitor 1 switched second capacitors 2 in which an impedance in series with the capacitor group 3 is switched. The group includes four capacitors 2 , in each case two of the capacitors 2 parallel and these parallel circuits are connected in series. The first capacitor 1 is bipolar and designed as a film capacitor, whereas the capacitors of the group are designed unipolar electrolytic capacitors.

Durch die Parallelschaltung des zumindest einen Folienkondensators mit den Elektrolytkondensatoren wird erreicht, dass der Folienkondensator einen möglichst großen Anteil des gesamten Rippelstroms führt. Die Elektrolytkondensatoren steigern demgegenüber die Gesamtkapazität des Zwischenkreises, so dass das Spannungsrippel der gesamten Zwischenkreisspannung U reduziert wird, d. h. eine besonders glatte Zwischenkreisspannung erreicht wird. Ebenso ist für bestimmte Betriebspunkte eine größere Gesamtkapazität erforderlich, die unter dem vorgegebenen Volumen- und Kostenanforderungen allein mit Folienkondensatoren nicht zu erreichen ist, da hochkapazitive Folienkondensatoren ein erheblich größeres Bauvolumen und höhere Kosten bedingen als Elektrolytkondensatoren. The parallel connection of the at least one film capacitor with the electrolytic capacitors ensures that the film capacitor leads as large a proportion of the total ripple current as possible. In contrast, the electrolytic capacitors increase the total capacitance of the intermediate circuit, so that the voltage ripple of the entire intermediate circuit voltage U is reduced, ie a particularly smooth intermediate circuit voltage is achieved. Likewise, for certain operating points a larger total capacity is required, which can not be achieved under the given volume and cost requirements alone with film capacitors, since high-capacitance film capacitors require a significantly larger volume and higher costs than electrolytic capacitors.

Der Widerstandswert der Impedanz 3 ist in dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 im Bereich zwischen einem Drittel und dem vollen äquivalenten Serienwiderstand (ESR, Equivalent Series Resistance) der Gruppe Elektrolytkondensatoren 2 gewählt, wobei dieser äquivalente Gesamtserienwiderstand aufgrund der Parallelschaltung von jeweils zwei Elektrolytkondensatoren 2 und die in Reihe Schaltung dieser beiden Parallelschaltungen dem äquivalenten Serienwiderstand eines der Elektrolytkondensatoren 2 entspricht, soweit die äquivalenten Serienwiderstände der Elektrolytkondensatoren 2 der Gruppe im Wesentlichen gleich sind.The resistance of the impedance 3 is in the embodiment according to 1 in the range between one-third and the equivalent equivalent series resistance (ESR) of the group of electrolytic capacitors 2 chosen, this equivalent total series resistor due to the parallel connection of two electrolytic capacitors 2 and the series connection of these two parallel circuits to the equivalent series resistance of one of the electrolytic capacitors 2 corresponds, as far as the equivalent series resistances of the electrolytic capacitors 2 the group are essentially the same.

In einer beispielhaften Dimensionierung des Spannungszwischenkreises ist der Folienkondensator 1 für eine Zwischenkreisspannung von 800 Volt ausgelegt und weist eine Kapazität von 55 Mikrofarad auf, wohingegen die Elektrolytkondensatoren 2 jeweils für 400 Volt ausgelegt sind und jeweils eine Kapazität von 330 Mikrofarad besitzen. Der äquivalente Serienwiderstand eines Elektrolytkondensators 2 liegt bei einem derartigen Elektrolytkondensator bei einer Frequenz von 16 kHz bei etwa 100 Milliohm. Zur Reduzierung der thermischen Belastung der einzelnen Kondensatoren 2 der Gruppe wird als Impedanz 3 ein Widerstand mit einem Widerstandswert von 50 Milliohm verwendet. Da die Impedanz 3 den gesamten Strom I_Elko führt, der bei einer Gesamt-Zwischenkreisspannung von 800 V mehrere Ampere betragen kann, muss sie vergleichsweise leistungsstark ausgeführt sein. Vorteilhaft kann als Impedanz 3 daher ein Shunt verwendet werden.In an exemplary dimensioning of the voltage intermediate circuit is the film capacitor 1 designed for a DC link voltage of 800 volts and has a capacity of 55 microfarads, whereas the electrolytic capacitors 2 each designed for 400 volts and each have a capacity of 330 microfarads. The equivalent series resistance of an electrolytic capacitor 2 In such an electrolytic capacitor at a frequency of 16 kHz is about 100 milliohms. To reduce the thermal load of the individual capacitors 2 the group is called impedance 3 used a resistor with a resistance of 50 milliohms. Because the impedance 3 the entire current I leads _Elko , which can be several amps at a total _{DC link voltage} of 800 V, it must be made comparatively powerful. Advantageously, as impedance 3 therefore a shunt can be used.

2 zeigt eine erfindungsgemäße elektrische Anordnung bei der die Gruppe Elektrolytkondensatoren 2 zwischen zwei Impedanzen 3 geschaltet ist. Diese Reihenschaltung liegt wiederum parallel zu dem Folienkondensator 1. Durch die Verwendung von zwei Impedanzen 3 wird die Verlustleistung auf diese beiden Impedanzen 3 aufgeteilt, so dass diese hinsichtlich der an ihnen entstehenden Verlustleistung gegenüber einer einzigen zusätzlichen Impedanz 3 entsprechend kleiner in der Leistung und damit in ihren Abmessungen dimensioniert werden können. 2 shows an inventive electrical arrangement in which the group of electrolytic capacitors 2 between two impedances 3 is switched. This series connection in turn is parallel to the film capacitor 1 , By using two impedances 3 will dissipate the power on these two impedances 3 divided so that these with respect to the resulting power loss compared to a single additional impedance 3 can be dimensioned correspondingly smaller in performance and thus in their dimensions.

3 zeigt eine dritte Ausführungsvariante der elektrischen Anordnung, mit der ein Spannungszwischenkreis ausgebildet werden kann, wie er in 2 und wie zuvor beschrieben, dimensioniert ist. In dieser Ausführungsvariante ist zu jedem der Elektrolytkondensatoren 2 der Gruppe ein 50 Milliohm Widerstand in Reihe geschaltet, In einer besonders einfachen Ausführungsvariante weisen alle Impedanzen 3 der Gruppe den gleichen Widerstandswert, insbesondere 50 Milliohm auf. 3 shows a third embodiment of the electrical arrangement, with which a voltage intermediate circuit can be formed, as in 2 and dimensioned as previously described. In this embodiment, to each of the electrolytic capacitors 2 the group a 50 milliohm resistor connected in series, in a particularly simple embodiment, all have impedances 3 the group has the same resistance, especially 50 milliohms.

Die Anordnung gemäß 3 hat den Vorteil, dass die Impedanzen für eine Verlustleistung von maximal 1 Watt ausgelegt werden brauchen. Damit können die Impedanzen mit SMD-Widerständen gebildet werden.The arrangement according to 3 has the advantage that the impedances need to be designed for a maximum power loss of 1 watt. Thus, the impedances can be formed with SMD resistors.

Nachfolgend wird ein Dimensionierungsbeispiel für die Wahl des Widerstandswerts des bzw. der Impedanzen 3 gegeben:
Dabei wird als erste Zielsetzung gewählt, dass die Pulsströme an den Elektrolytkondensatoren 2 um 25–50% reduziert werden sollen. Ferner wird als zweite Zielsetzung gewählt, dass die Verlustleistung an einer Impedanz maximal ein Watt betragen darf.The following is a dimensioning example for the choice of the resistance value of the impedance (s) 3 where:
It is chosen as a first objective that the pulse currents to the electrolytic capacitors 2 to be reduced by 25-50%. Furthermore, it is chosen as a second objective that the power loss at an impedance may amount to a maximum of one watt.

Ausgehend von einem Gesamtstrom I_Elko der Kondensatorgruppe ohne Impedanzen 3 von 16 Ampere, der sich jeweils hälftig auf die beiden Kondensatorzweige verteilt, beträgt der von den Impedanzen zu führenden Strom bei fünfzig prozentiger Reduzierung 4 Ampere. Damit gilt für die Verlustleistung an einer Impedanz P_R = 4·4·R, so dass sich als Widerstandswert R = P_R/16 ergibt. Für einen angestrebten Strom I_Elko von 4 Ampere und einer maximalen Verlustleistung pro Impedanz von 1 Watt ist folglich ein Widerstandswert von maximal 63 Milliohm möglich. Aus dieser Bedingung resultiert wiederum die Forderung, dass für die gewünschte Halbierung eines Elektrolytkondensatorstroms der Elektrolytkondensator eine Impedanz von 63 Milliohm benötigt. Wird beispielhaft ein Elektrolytkondensator für 400 Volt mit 330 Mikrofarad verwendet, besitzt dieser bei 16 Kilohertz eine Impedanz von ca. 100 Milliohm. Bei einem derartigen Wert kann ein Standard-Widerstand mit einem Widerstandswert von 50 Milliohm verwendet werden.Starting from a total current I _{Elko of} the capacitor group without impedances 3 of 16 amperes, which is distributed in half on the two capacitor branches, the current leading from the impedances is at a fifty percent reduction 4 Amp. Thus, for the power loss at an impedance P _R = 4 · 4 · R, so that the resistance R = P _R / 16 results. For a target current I _Elko of 4 amps and a maximum power loss per impedance of 1 watt, therefore, a maximum resistance of 63 milliohms is possible. This condition in turn results in the requirement that for the desired halving of an electrolytic capacitor current, the electrolytic capacitor requires an impedance of 63 milliohms. If, for example, an electrolytic capacitor for 400 volts with 330 microfarads is used, this has an impedance of approximately 100 milliohms at 16 kilohertz. With such a value, a standard resistor having a resistance of 50 milliohms can be used.

Die in Serie zu den Elektrolytkondensatoren 2 geschalteten Widerstände verlagern den Rippelstrom in den Folienkondensator und entlasten damit die Elektrolytkondensatoren 2. Der Folienkondensator 1 kann die erhöhte Last ohne signifikante Erwärmung bzw. Alterung übernehmen, so dass eine äußerst langlebige und elektrisch günstige Gesamtkapazität des Spannungszwischenkreises entsteht.The series to the electrolytic capacitors 2 Switched resistors shift the Rippelstrom in the film capacitor and thus relieve the electrolytic capacitors 2 , The foil capacitor 1 can take over the increased load without significant heating or aging, so that a very durable and electrically favorable total capacity of the voltage intermediate circuit is formed.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

DIN IEC 60063 [0020]

Claims

Electrical arrangement for forming a voltage intermediate circuit for an electric motor, with at least one first capacitor ( 1 ) and at least one parallel connected to this second capacitor ( 2 ), characterized in that in series with the at least one second capacitor ( 2 ) an impedance ( 3 ) is connected with a resistance value which is in the range between one third and the full equivalent series resistance of the at least one second capacitor ( 2 ) lies.

Electrical arrangement according to claim 1, characterized in that the second capacitor ( 2 ) of a group of several capacitors ( 2 ) is formed.

Electrical arrangement according to claim 2, characterized in that to each of the capacitors ( 2 ) the group each have an impedance ( 3 ) is connected in series with a resistance value in the range between one third and the full equivalent series resistance of the respective capacitor ( 2 ) of the group lies.

Electrical arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that it has two impedances ( 3 ), wherein the second capacitor ( 2 ) or the group capacitors ( 2 ) between the two impedances ( 3 ), and this series connection is parallel to the first capacitor ( 1 ) is switched.

Electrical arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the resistance value in the range between the half and the full equivalent series resistance of the second capacitor ( 2 ) or the respective capacitor ( 2 ) of the group lies.

Electrical arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the impedance ( 3 ) or the impedances ( 3 ) are each formed only of a resistor.

Electrical arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the resistance value is between 50 and 100 milliohms.

Electrical arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the resistance value is substantially equal to or in the same order of magnitude as the equivalent series resistance of the second capacitor ( 2 ).

Electrical arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the impedance ( 3 ) or the impedances ( 3 ) are formed of SMD resistors.

Electrical arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the impedance ( 3 ) or the impedances ( 3 Shunts are.

Electrical arrangement according to one of the preceding claims 2 to 9, characterized in that the group comprises four capacitors ( 2 ), wherein in each case two of the capacitors ( 2 ) in parallel and these parallel circuits are connected in series.

Electrical arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the first capacitor ( 1 ) is a film or ceramic capacitor.

Electrical arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the second capacitor ( 2 ) or the capacitors ( 2 ) of the group are electrolytic capacitors.

Power electronics with an electrical arrangement according to one of claims 1 to 13.

Electric motor with power electronics according to claim 14.