DE102010054005A1

DE102010054005A1 - Elektrisches Gerät mit einem Wechselrichter und einem EMV Filter

Info

Publication number: DE102010054005A1
Application number: DE102010054005A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Leibl Thomas
Original assignee: Schneider Electric Motion Deutschland GmbH and Co KG
Current assignee: Schneider Electric Automation GmbH
Priority date: 2010-12-09
Filing date: 2010-12-09
Publication date: 2012-06-14

Abstract

Ein elektrisches Gerät (1) hat einen Wechselrichter (6) und einen EMV-Filter, der Entstörkondensatoren (9A, 9B, 9C, 9D) und eine Gleichtaktunterdrückungsdrossel (8) mit einem magnetisch wirksamen Kern aufweist. Gleichspannungsanschlüsse (15A, 15B) des Wechselrichters (6) sind über die Gleichtaktunterdrückungsdrossel (8) mit Stromversorgungsanschlüssen und über die Entstörkondensatoren (9A, 9B, 9C, 9D) mit einem Masseanschluss verbunden. Der Wechselrichter (6) derart ausgestaltet, dass an mindestens einen Ausgang (18A, 18B, 18C) des Wechselrichters (6) eine Impulsfolge ausgebbar ist, die abwechselnd Ausgangsimpulse unterschiedlicher Polarität aufweist. Die Pulsdauer eines ersten Ausgangsimpulses ist kürzer als die Pulsdauer mindestens eines nach diesem auftretenden weiteren Ausgangsimpulses. Die Gleichtaktunterdrückungsdrossel (8) ist so dimensioniert, dass während des ersten Ausgangsimpulses eine Sättigung des magnetisch wirksamen Kernsten würde, wenn die Pulsdauer des ersten Ausgangsimpulses so groß wäre wie die Pulsdauer des mindestens einen weiteren Ausgangsimpulses.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Gerät mit einem Wechselrichter und einem EMV-Filter, der zumindest einen Entstörkondensator und eine Gleichtaktunterdrückungsdrossel mit Drosselspulen und einem damit zusammenwirkenden magnetisch wirksamen Kern aufweist, wobei Gleichspannungsanschlüsse des Wechselrichters über erste Strompfade, in denen die Drosselspulen angeordnet sind, mit Stromversorgungsanschlüssen und über mindestens einen zweiten Strompfad, in dem der zumindest eine Entstörkondensator angeordnet sind, mit einem Masseanschluss verbunden sind, und wobei der Wechselrichter derart ausgestaltet ist, dass an mindestens einen Ausgang des Wechselrichters eine Impulsfolge ausgebbar ist, die abwechselnd Ausgangsimpulse unterschiedlicher Polarität aufweist.
Ein derartiges elektrisches Gerät, das als Frequenzumrichter zum Bertreiben eines Dreiphasenmotors an einem Drehstromnetz ausgebildet ist, ist aus DE 198 12 315 A1 bekannt. In dem Frequenzumrichter wird die Netzspannung zunächst mit Hilfe eines Gleichrichters gleichgerichtet und einem Gleichspannungs-Zwischenkreis zugeführt, der Pufferkondensatoren zum Glätten der Gleichspannung aufweist. Die so erhaltene Gleichspannung wird mit Hilfe des Wechselrichters in eine dreiphasige Wechselspannung geeigneter Frequenz zerhackt. Der Wechselrichter weist zu diesem Zweck eine Leistungsendstufe mit steuerbaren Halbleiterschaltern auf, die mit einer Ansteuereinrichtung in Steuerverbindung stehen. Mit Hilfe der Ansteuereinrichtung werden gepulste Ansteuersignale erzeugt und an Steuereingänge der Halbleiterschalter angelegt. Die Ansteuereinrichtung verändert das Puls-/Pausenverhältnis der Ansteuersignale derart, dass eine synthetische Sinusspannung mit einstellbarer Frequenz entsteht. Die Sinusspannung wird über ein Motorkabel an die Wicklung des Dreiphasenmotors angelegt.
Um die beim Zerhacken der Zwischenkreis-Gleichspannung entstehenden Oberwellen und leitungsgebundene Störungen von der Netzspannung zu entkoppeln, ist zwischen den Stromversorgungsanschlüssen des Frequenzumrichters und den Eingangsanschlüssen des Gleichrichters ein EMV-Filter angeordnet, das Entstörkondensatoren und eine Gleichtaktunterdrückungsdrossel mit einem weichmagnetischen Kern und aufweist. Die Gleichtaktunterdrückungsdrossel hat für jede Phase des Drehstromnetzes eine Drosselspule, über welche der entsprechende Stromversorgungsanschluss mit dem ihm zugeordneten Eingangsanschluss des Gleichrichters verbunden ist. Zusätzlich dazu sind die Eingangsanschlüsse des Gleichrichters jeweils über einen Entstörkondensator mit einem geerdeten Masseanschluss verbunden Damit die Gleichtaktunterdrückungsdrossel leitungsgebundene Störungen wirkungsvoll unterdrücken kann, wird sie so dimensioniert, dass der magnetische Kern beim Betrieb des Frequenzumrichters nicht in die Sättigung gerät. Die Gleichtaktunterdrückungsdrossel weist eine gewisse Baugröße auf und ist entsprechend teuer.
Die Größe der Gleichtaktunterdrückungsdrossel kann zwar reduziert werden, wenn der Wechselrichter mit einer höheren Schaltfrequenz betrieben wird. Dies hat aber den Nachteil, dass dann die beim Schalten der Halbleiterschalter auftretenden Verluste zunehmen. Außerdem kann die Schaltfrequenz auch nicht beliebig erhöht werden, weil die Halbleiterschalter nach einem Schaltvorgang eine gewisse Zeit benötigen, um die Ladungsträger (Elektronen, Löcher) aus der aktiven Zone des Halbleiters auszuräumen bzw. in diese zu injizieren.
Daher besteht die Aufgabe, ein elektrisches Gerät der eingangs genannten Art zu schaffen, das eine kostengünstige Gleichtaktunterdrückungsdrossel ermöglicht und bei dem der EMV-Filter auch bei geringen Schaltfrequenzen leitungsgebundene Störungen wirkungsvoll von den Stromversorgungsanschlüssen entkoppeln kann.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass der Wechselrichter derart ausgestaltet ist, dass die Pulsdauer mindestens eines während einer Startphase auftretenden Ausgangsimpulses kürzer ist als die Pulsdauer wenigstens eines weiteren, im eingeschwungenen Betrieb auftretenden Ausgangsimpulses, und dass die Gleichtaktunterdrückungsdrossel so dimensioniert ist, dass eine Sättigung des magnetisch wirksamen Kerns vermieden wird und der Kern in die Sättigung geraten würde, wenn die Pulsdauer des mindestens einen Ausgangsimpulses der Startphase so groß wäre wie die Pulsdauer des wenigstens einen Ausgangsimpulses im eingeschwungenen Betrieb.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass für die Sättigung der Gleichtaktunterdrückungsdrossel die Summe der Ströme in den den einzelnen Stromversorgungsanschlüssen zugeordneten Drosselspulen der Gleichtaktunterdrückungsdrossel maßgeblich ist. Der Betrag dieses Summenstroms hat zu Beginn des ersten Ausgangsimpulses zunächst den Wert Null und steigt dann bis zum Ende des ersten Ausgangsimpulses kontinuierlich auf einen Maximalwert an. Dieser Maximalwert liegt über dem Wert im normalen bzw. eingeschwungenen Betrieb. Damit die Gleichtaktunterdrückungsdrossel nicht gesättigt wird, müsste diese für einen höheren Wert dimensioniert sein, wenn alle Ausgangsimpulse gleich groß wären.
Wenn die Gleichtaktunterdrückungsdrossel während des ersten Ausgangsimpulses in die Sättigung geriete, würde sie auch bei den darauf folgenden weiteren Ausgangsimpulsen gesättigt werden. Somit könnten leitungsgebundene Störungen durch die Gleichtaktunterdrückungsdrossel und die Stromversorgungsanschlüsse hindurch in das Stromnetz gelangen.
In vorteilhafter Weise werden diese Nachteile bei der Erfindung dadurch vermieden, dass der erste Ausgangsimpuls kürzer ist als die Impulse im eingeschwungenen Betrieb. Durch den kürzeren ersten Ausgangsimpuls steigt der Summenstrom in der Gleichtaktunterdrückungsdrossel während des ersten Ausgangsimpulses nicht so stark an. Die Gleichtaktunterdrückungsdrossel kann dadurch kleiner dimensioniert werden, ohne dass es während des Betriebs zu einer Sättigung der Gleichtaktunterdrückungsdrossel kommt.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung beträgt die Pulsdauer eines während einer Startphase auftretenden ersten Ausgangsimpulses zwischen 40% und 60% der Pulsdauer des wenigstens einen weiteren Ausgangsimpulses. Durch diese Maßnahme kann die Gleichtaktunterdrückungsdrossel mit kompakten Abmessungen kostengünstig realisiert werden.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist der Wechselrichter derart ausgestaltet, dass während der Startphase eine Mehrzahl von Ausgangsimpulsen auftritt, bei denen die Pulsdauer, ausgehend von einem ersten zu einem letzten Ausgangsimpuls der Startphase, zunimmt. Bevorzugt nimmt bei jedem Ausgangsimpuls der Startphase die Pulsdauer jeweils etwas zu. Dabei erfolgt die Zunahme bevorzugt gleichmäßig über die Startphase. Dadurch gerät die Gleichtaktunterdrückungsdrossel auch dann nicht in die Sättigung, wenn das elektrische Potential am Ausgang des Wechselrichters beim Einschalten des Geräts bzw. beim Auftreten des ersten Ausgangsimpulses nicht mittig zwischen den Potentialen der Gleichspannungsanschlüsse liegt.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Pulsdauer des mindestens einen, während der Startphase auftretenden Ausgangsimpulses derart an die Pulsdauer des wenigstens einen weiteren, im eingeschwungenen Betrieb auftretenden Ausgangsimpulses angepasst, dass die Amplitude des Gleichtaktstroms in der Gleichtaktunterdrückungsdrossel während der Startphase mit der Amplitude des Gleichtaktstroms im eingeschwungenen Betrieb übereinstimmt. Durch diese Maßnahme kann der weichmagnetisch wirksame Kern der Gleichtaktunterdrückungsdrossel optimal genutzt werden, ohne in die Sättigung zu geraten.
Zweckmäßigerweise hat das elektrische Gerät mindestens eine Halbbrücke, die einen ein erstes Gleichspannungspotential aufweisenden ersten Gleichspannungsanschluss mit dem Ausgang verbindenden ersten Brückenzweig und einen ein zweites Gleichspannungspotential aufweisenden zweiten Gleichspannungsanschluss mit dem Ausgang verbindenden zweiten Brückenzweig hat, wobei in dem ersten Brückenzweig ein steuerbares erstes Schaltelement und in dem zweiten Brückenzweig ein steuerbares zweites Schaltelement angeordnet ist. Bei einem Wechselrichter zum Erzeugen einer Drehspannung ist bevorzugt für jede Phase der Drehspannung jeweils eine solche Halbbrücke vorhanden.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist jeder erste Strompfad jeweils zwischen den Gleichspannungsanschlüssen und der Gleichtaktunterdrückungsdrossel einen Knoten auf, der über mindestens einen Entstörkondensator mit dem Masseanschluss verbunden ist, wobei vorzugsweise ein weiterer Kondensator die Gleichspannungsanschlüsse miteinander verbindet. Dadurch können leitungsgebundene Störungen noch wirksamer von den Stromversorgungsanschlüssen entkoppelt werden.
Vorzugsweise ist das elektrische Gerät als Frequenzumrichter ausgebildet, bei dem die Gleichspannungsanschlüsse über einen Gleichspannungs-Zwischenkreis und einen Gleichrichter mit der Gleichtaktunterdrückungsdrossel verbunden sind. Mit Hilfe des elektrischen Geräts kann dann eine Wechsel- oder Drehspannung einer ersten Frequenz EMV-störungsarm in eine Wechsel- oder Drehspannung mit einer von der ersten Frequenz abweichenden zweiten Frequenz konvertiert werden.
Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung weist der Gleichrichter zwei Eingangsanschlüsse auf, die jeweils über eine Drosselspule der Gleichtaktunterdrückungsdrossel mit einem Stromversorgungsanschluss verbunden sind, wobei jeder dieser Eingangsanschlüsse jeweils über einen Entstörkondensator mit dem Masseanschluss verbunden ist, und wobei gegebenenfalls ein weiterer Kondensator die Eingangsanschlüsse miteinander verbindet. Ein solcher Frequenzumrichter kann aus einem einphasigen Wechselstromnetz gespeist werden.
Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist der Gleichrichter drei Eingangsanschlüsse auf, die über die über Drosselspulen der Gleichtaktunterdrückungsdrossel mit Stromversorgungsanschlüssen für unterschiedliche Phasen verbunden sind, wobei jeder dieser Eingangsanschlüsse jeweils über einen Entstörkondensator mit einem Sternpunkt verbunden ist, und wobei der Sternpunkt über einen weiteren Entstörkondensator mit dem Masseanschluss verbunden ist. Ein solcher Frequenzumrichter kann aus einem Drehstromnetz dreiphasig gespeist werden.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist am Ausgang des Wechselrichters ein Elektromotor angeschlossen. Der Elektromotor kann insbesondere ein Asynchronmotor oder ein Synchronmotor sein.
Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist am Ausgang des Wechselrichters ein Transformator eines Schaltnetzteils angeschlossen. Die Erfindung kann also auch in einem Schaltnetzteil zur Anwendung kommen.
Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
1 ein Schaltbild eines Frequenzumrichters für ein Drehstromnetz, der ein EMV-Filter, einen Gleichrichter, einen Gleichspannungs-Zwischenkreis und einen Wechselrichter aufweist,
2 eine graphische Darstellung der am Ausgang des Wechselrichters anliegenden elektrischen Spannung, wobei auf der Abszisse die Zeit in Mikrosekunden und auf der Ordinate die Spannung in Volt aufgetragen ist,
3 eine graphische Darstellung der Summe der durch eine Gleichtaktunterdrückungsdrossel fließenden Ströme der die einzelnen Phasen des Drehstromnetzes, wobei auf der Abszisse die Zeit in Mikrosekunden und auf der Ordinate die Stromstärke in Ampere aufgetragen ist,
4 eine graphische Darstellung der Spannung an einem Entstörkondensator, der einen über Kapazitäten mit Eingangsanschlüssen des Gleichrichters verbundenen Sternpunkt mit einem Masseanschluss verbindet,
5 eine Darstellung ähnlich 2, welche die am Ausgang des Wechselrichters anliegende Spannung zeigt, wobei die Spannung durch eine Impulsfolge gebildet ist, bei der alle Impulse die gleiche Pulsdauer haben,
6 eine Darstellung ähnlich 3, welche die Summe der durch die Drosselspulen der Gleichtaktunterdrückungsdrossel fließenden Ströme der die einzelnen Phasen zeigt, wenn die Impulse der am Ausgang des Wechselrichters anliegenden Impulsfolge alle die gleiche Pulsdauer haben,
7 eine Darstellung ähnlich 4, welche die am Entstörkondensator anliegende elektrische Spannung zeigt, wenn die Impulse der am Ausgang des Wechselrichters anliegenden Impulsfolge alle die gleiche Pulsdauer haben,
8 ein Schaltbild eines an einem einphasigen Wechselstromnetz anschließbaren Frequenzumrichters zum Erzeugen einer einphasigen Wechselspannung,
9 ein Schaltbild eines an einem einphasigen Wechselstromnetz anschließbaren Frequenzumrichters zum Erzeugen einer Drehspannung,
10 ein Schaltbild eines an einem Drehstromnetz anschließbaren Frequenzumrichters zum Erzeugen einer Drehspannung,
11 ein Schaltbild eines elektrischen Geräts, das im Wesentlichen dem in 1 entspricht, wobei jedoch der Gleichrichter und das EMV-Filter nur für einen Betrieb an einem einphasigen Wechselstromnetz vorgesehen ist,
12 und 13 ein Schaltbild eines elektrischen Geräts, das aus einem Gleichspannungsnetz mit Strom versorgt wird,
14 eine Darstellung ähnlich 2, wobei jedoch während einer Startphase mit mehreren Ausgangsimpulse auftreten, deren Pulsdauer kontinuierlich zunimmt, und
15 eine graphische Darstellung der Summe der bei Ansteuerung des Wechselrichters mit den Ausgangsimpulsen gemäß 13 durch eine Gleichtaktunterdrückungsdrossel fließenden Ströme der die einzelnen Phasen des Drehstromnetzes, wobei auf der Abszisse die Zeit in Mikrosekunden und auf der Ordinate die Stromstärke in Ampere aufgetragen ist.
Ein in 1 im Ganzen mit 1 bezeichnetes, als Frequenzumrichter ausgestaltetes elektrisches Gerät weist Stromversorgungsanschlüsse 2A, 2B, 2C für die einzelnen Phasen eines dreiphasigen Drehstromnetzes, einen EMV-Filter 3, einen dreiphasigen Gleichrichter 4, einen Gleichspannungs-Zwischenkreis 5 und einen dreiphasigen Wechselrichter 6 auf.
Der EMV-Filter 3 weist eine Gleichtaktunterdrückungsdrossel 8 auf, die drei Drosselspulen hat, die jeweils einen Netzspannungsanschluss mit einem Eingangsanschluss des Gleichrichters 4 verbinden. Die Drosselspulen sind über einen magnetisch wirksamen Kern miteinander gekoppelt.
Außerdem hat der EMV-Filter 3 eine Kondensatoranordnung 7, die drei erste Entstörkondensatoren 9A, 9B, 9C und einen zweiten Entstörkondensator 9D aufweist. Die ersten Entstörkondensatoren 9A, 9B, 9C verbinden jeweils einen Eingangsanschluss des Gleichrichters 4 mit einem Sternpunkt 10. Über den zweiten Entstörkondensator 9D ist der Sternpunkt 10 mit einem geerdeten Masseanschluss verbunden. Wie aus DE 198 12 315 A1 bekannt ist, können die Kondensatoren 9A, 9B, 9C auch direkt an den Masseanschluss gelegt sein.
Der Gleichrichter 4 hat drei Halbbrücken, in denen jeweils eine erste Diode 11A, 11B, 11C und eine zweite Diode 12A, 12B, 12C in Reihe geschaltet sind. Die erste Diode 11A, 11B, 11C verbindet jeweils einen Eingangsanschluss des Gleichrichters 4 mit einem ersten Ausgangsanschluss 13A des Gleichrichters 4. Die zweite Diode 12A, 12B, 12C verbindet jeweils den betreffenden Eingangsanschluss des Gleichrichters 4 mit einem zweiten Ausgangsanschluss 13B des Gleichrichters 4.
Die Ausgangsanschlüsse 13A, 13B des Gleichrichters 4 sind über einen Pufferkondensator 13 des Gleichspannungs-Zwischenkreises 5 miteinander verbunden. jeder Ausgangsanschluss 13A, 13B ist außerdem mit einem ihm zugeordneten Gleichspannungsanschluss 15A, 15B des Wechselrichters 6 verbunden.
Der Wechselrichter 6 hat zum Zerhacken einer zwischen den Gleichspannungsanschlüssen 15A, 15B anliegenden Zwischenkreisspannung eine Endstufe mit drei Halbbrücken. In jeder dieser Halbbrücken sind jeweils zwei steuerbare Schaltelemente 16A, 16B, 16C, 17A, 17B, 17C in Reihe geschaltet. Ein erstes Schaltelement 16A, 16B, 16C ist jeweils mit seinem Drain-Anschluss mit einem ersten Gleichspannungsanschluss 15A des Gleichspannungs-Zwischenkreises 5 und mit seinem Source-Anschluss mit einem Ausgang 18A, 18B, 18C des Wechselrichters 6 verbunden. Ein zweiter Halbleiterschalter 17A, 17B, 17C ist jeweils mit seinem Drain-Anschluss mit dem bereffenden Ausgang 18A, 18B, 18C des Wechselrichters 6 und mit einem Source-Anschluss mit einem zweiten Gleichspannungsanschluss 15B des Gleichspannungs-Zwischenkreises 5 verbunden.
Gate-Anschlüsse der Schaltelemente 16A, 16B, 16C, 17A, 17B, 17C sind an einer in der Zeichnung nicht näher dargestellten Ansteuereinrichtung angeschlossen. Diese steuert die Schaltelemente 16A, 16B, 16C, 17A, 17B, 17C der einzelnen Halbbrücken im Gegentakt mit einer vorbestimmten Schalttaktfrequenz an, die z. B. 8 kHz betragen kann. Zwischen den Ansteuerungsphasen der Schaltelemente 16A, 16B, 16C, 17A, 17B, 17C einer Halbbrücke ist jeweils eine kurze Pause vorgesehen, während der keiner der beiden Schaltelemente 16A, 16B, 16C, 17A, 17B, 17C angesteuert wird.
Die Ausgänge 18A, 18B, 18C des Wechselrichters 6 sind über ein abgeschirmtes Motorkabel 19 mit der Wicklung eines in der Zeichnung nicht näher dargestellten Elektromotors verbunden. Die Abschirmung des Motorkabels 19 ist geerdet. Sie bildet mit den Phasenleitern des Motorkabels 19 Kapazitäten.
In 2 ist erkennbar, dass an den Ausgängen 18A, 18B, 18C des Wechselrichters 6 jeweils Impulsfolgen ausgegeben werden, die abwechselnd Ausgangsimpulse mit positiver und negativer Ausgangsspannung aufweisen. Die Pulsdauer T1 eines ersten, während einer Startphase auftretenden Ausgangsimpulses der Impulsfolge ist nur etwa halb so lang wie die Pulsdauer T2 der einzelnen Ausgangsimpulse, die nach Beendigung der Startphase während des eingeschwungenen Betriebs ausgegeben werden.
In 3 ist der Summenstrom aus den drei in den einzelnen Drosselspulen der Gleichtaktunterdrückungsdrossel 8 fließenden Phasenströmen graphisch dargestellt. Deutlich ist erkennbar, dass der Summenstrom zu Beginn des ersten Ausgangsimpulses zunächst den Wert Null hat und dann bis zum Ende des ersten Ausgangsimpulses etwa linear bis zum Erreichen eines Maximalwerts ansteigt. Durch die Reduzierung der Pulsdauer des ersten Ausgangsimpulses wird vermieden, dass der Summenstrom während des ersten Ausgangsimpulses so stark ansteigt, dass die Gleichtaktunterdrückungsdrossel 8 in die Sättigung gerät.
In 4 ist erkennbar, dass die Spannung am zweiten Entstörkondensator 9D während des ersten Ausgangsimpulses – ausgehend von einem negativen Wert – zunächst etwa linear ansteigt. Bei den folgenden Ausgangsimpulsen ist dieser betragsmäßige Spannungsanstieg nur schwach ausgeprägt, so dass diese Ausgangsimpulse einen etwa rechteckförmigen Verlauf aufweisen. Bei jedem Ausgangsimpuls des Wechselrichters 6 ändert sich die Spannung am zweiten Entstörkondensator 9D. Dabei fließt ein kapazitiver Strom von der Erde über die Entstörkondensatoren 9A, 9B, 9C, 9D, den Gleichrichter 4, den Wechselrichter 6 und die Kapazitäten des Motorkabel 19 zurück zur Erde.
Die Gleichtaktunterdrückungsdrossel 8 ist so dimensioniert ist, dass am Ende des ersten Ausgangsimpulses eine Sättigung des magnetisch wirksamen Kerns gerade noch vermieden wird.
In 5 ist die Impulsfolge dargestellt, die sich am Ausgang 18A, 18B, 18C des Wechselrichters 6 ergäbe, wenn alle Ausgangsimpulse einschließlich des ersten Ausgangsimpulses die gleiche Pulsdauer hätten. Deutlich ist erkennbar, dass dann der Betrag der Spannung der Ausgangsimpulse sowohl während des ersten Ausgangsimpulses als auch während der nachfolgenden Ausgangsimpulse jeweils von einem unteren auf einen oberen Wert ansteigen würde und dass die Spannung zwischen dem unteren und dem oberen Wert einen nichtlinearen Verlauf hätte.
Wie in 6 erkennbar ist, wiese der Summenstrom am Ende der einzelnen Ausgangsimpulse einen wesentlich höheren Wert auf als in 3. Dadurch geriete die Gleichtaktunterdrückungsdrossel 8 in die Sättigung, so dass leitungsgebundene Störungen aus dem Frequenzumrichter 1 in das Drehstromnetz gelangen könnten.
In 7 ist erkennbar, dass die Spannung am zweiten Entstörkondensator 9D höcherfrequente Störimpulse aufwiese, die dem Rechtecksignal überlagert wären.
Bei dem in 8 dargestellten, für einen Betrieb an einer einphasigen Wechselspannung vorgesehenen Ausführungsbeispiel ist der Gleichrichter 4 zwischen den netzseitigen Stromversorgungsanschlüssen 2A, 2B und den Drosselspulen der Gleichtaktunterdrückungsdrossel 8 angeordnet.
Der Gleichrichter 4 hat zwei Halbbrücken, in denen jeweils eine erste Diode 11A, 11B und eine zweite Diode 12A, 12B in Reihe geschaltet sind. Die erste Diode 11A, 11B verbindet jeweils einen Stromversorgungsanschluss 2A, 2B mit einem ersten Ausgangsanschluss 13A des Gleichrichters 4. Die zweite Diode 12A, 12B verbindet jeweils den betreffenden Stromversorgungsanschluss 2A, 2B mit einem zweiten Ausgangsanschluss 13B des Gleichrichters 4.
Die Gleichtaktunterdrückungsdrossel 8 ders EMV-Filters 3 weist zwei Drosselspulen auf, die jeweils einen Ausgangsanschluss 13A, 13B des Gleichrichters 4 mit einem Gleichspannungsanschluss 15A, 15B eines einen Pufferkondensator 13 aufweisenden Gleichspannungs-Zwischenkreises 5 verbindet. Die Drosselspulen sind über einen magnetisch wirksamen Kern miteinander gekoppelt.
Außerdem hat der EMV-Filter 3 einen Entstörkondensator 9D, der einen Eingangsanschluss des Gleichspannungs-Zwischenkreises 5 mit einem geerdeten Masseanschluss verbindet. Jeder Gleichspannungsanschluss 15A, 15B ist außerdem mit einem ihm zugeordneten Eingang eines einphasigen Wechselrichters 6 verbunden.
Der Wechselrichter 6 hat zum Zerhacken einer zwischen den Gleichspannungsanschlüssen 15A, 15B anliegenden Zwischenkreisspannung zwei Halbbrücken, in denen jeweils zwei steuerbare Schaltelemente 16A, 17A bzw. 16B, 17B angeordnet sind. Ein erstes Schaltelement 16A, 16B ist jeweils mit seinem Drain-Anschluss mit einem ersten Gleichspannungsanschluss 15A des Gleichspannungs-Zwischenkreises und mit seinem Source-Anschluss mit einem Ausgang 18A, 18B des Wechselrichters 6 verbunden. Ein zweiter Halbleiterschalter 17A, 17B ist jeweils mit seinem Drain-Anschluss mit dem Ausgang 18A, 18B des Wechselrichters 6 und mit einem Source-Anschluss mit einem zweiten Gleichspannungsanschluss 15B des Gleichspannungs-Zwischenkreises verbunden.
Die Gate-Anschlüsse der Schaltelemente 16A, 17A sind an einer in der Zeichnung nicht näher dargestellten Ansteuereinrichtung angeschlossen. Diese steuert die Schaltelemente 16A, 17A bzw. 16B, 17B im Gegentakt mit einer vorbestimmten Schalttaktfrequenz an. Zwischen den Ansteuerungsphasen der Schaltelemente 16A, 17A bzw. 16B, 17B ist jeweils eine kurze Pause vorgesehen, während der keiner der beiden Schaltelemente 16A, 17A bzw. 16B, 17B angesteuert wird.
Die am Ausgang 18A, 18B des Wechselrichters 6 anliegende Impulsfolge entspricht der in 2, weshalb die Beschreibung zu 2 für den in 8 abgebildeten Frequenzumrichter entsprechend gilt.
Das in 9 gezeigte Ausführungsbeispiel stimmt bis auf den Wechselrichter mit dem in 8 gezeigten Ausführungsbeispiel überein. In 9 ist jedoch anstelle eines einphasigen Wechselrichters 6 ein solcher zum Erzeugen einer dreiphasigen Drehspannung vorgesehen. Deutlich ist erkennbar, dass der Wechselrichter in 9 eine zusätzliche dritte Halbbrücke aufweist, in der zwei weitere Schaltelemente 16C, 17C angeordnet sind. Jede Halbbrücke ist mit einem Ausgangsanschluss des Wechselrichters 6 verbunden.
Wie in 10 erkennbar ist, kann bei dem in 9 gezeigten elektrischen Gerät anstelle des Wechselstrom-Gleichrichters 4 auch ein dreiphasiger Gleichrichter 4 vorgesehen sein. Gegenüber dem Ausführungsbeispiel gemäß 9 weist dieser eine weitere Halbbrücke auf, in der eine erste Diode 11C und eine zweite Diode 12C in Reihe geschaltet ist.
Bei dem in 11 gezeigte Ausführungsbeispiel stimmt der Gleichspannungs-Zwischenkreis 5 und einen Wechselrichter 6 mit dem aus 1 überein. In 11 ist jedoch anstelle eines dreiphasigen Gleichrichters 4 nur ein Gleichrichter 4 für Wechselspannung vorgesehen.
Der Gleichrichter 4 hat zwei Halbbrücken, in denen jeweils eine erste Diode 11A, 11B und eine zweite Diode 12A, 12B in Reihe geschaltet sind. Die erste Diode 11A, 11B verbindet jeweils einen Eingangsanschluss des Gleichrichters 4 mit einem ersten Ausgangsanschluss 13A des Gleichrichters 4. Die zweite Diode 12A, 12B verbindet jeweils den betreffenden Eingangsanschluss des Gleichrichters 4 mit einem zweiten Ausgangsanschluss 13B des Gleichrichters 4.
Die Gleichtaktunterdrückungsdrossel 8 hat zwei Drosselspulen, die jeweils einen Stromversorgungsanschluss 2A, 2B mit einem Eingangsanschluss des Gleichrichters 4 verbinden. Die Drosselspulen sind über einen magnetisch wirksamen Kern miteinander gekoppelt. Bei dem in 11 gezeigten Ausführungsbeispiel hat der EMV-Filter 3 zwei Entstörkondensatoren 9A, 9B, die jeweils einen Eingangsanschluss des Gleichrichters 4 mit einem geerdeten Masseanschluss verbinden.
Die in 12 und 13 gezeigten Ausführungsbeispiele sind für einen Betrieb an einem Gleichspannungsnetz vorgesehen. Dabei ist der Pufferkondensator 14 über die Gleichtaktunterdrückungsdrossel 8 direkt mit den Stromversorgungsanschlüssen 2A, 2B verbunden. Das in 12 abgebildete Schaltbild stimmt im Übrigen mit dem aus 9 überein, weshalb insoweit auf die dortige Beschreibung verwiesen wird.
Das Gerät gemäß 13 weist zwei Pufferkondensatoren 14A, 14B auf, die jeweils eine erste und eine zweite Elektrode haben. Die erste Elektrode ist jeweils mit einem der Gleichspannungsanschlüsse 15A, 15B verbunden und die beiden anderen Elektroden sind miteinander und mit einem Ausgang 18B verbunden. Ein weiterer Ausgang 18A ist über eine Halbbrücke, die zwei in Reihe geschaltete steuerbare Schaltelemente 16A, 17A aufweist, mit den Gleichspannungsanschlüssen 15A, 15B verbindbar. Das Gerät gemäß 13 hat außerdem einen Entstörkondensator 9D, der einen der Gleichspannungsanschlüsse 15B mit einem Erdungsanschluss verbindet.
In 14 ist erkennbar, dass die Ansteuereinrichtung für die die Schaltelemente 16A, 16B, 16C, 17A, 17B, 17C auch derart ausgestaltet sein kann, dass die Startphase eine Mehrzahl von Ausgangsimpulsen umfasst, bei denen die Pulsdauer der Ausgangsimpulse, ausgehend von einem ersten zu einem letzten Ausgangsimpuls der Startphase, kontinuierlich zunimmt. Gleichzeitig nimmt die Dauer der Pulspausen entsprechend ab, d. h. die Summe aus Pulsdauer und Pulspause ist konstant. Nach Beendigung der Startphase bleibt die Pulsdauer und die Pulspause der Ausgangsimpulse jeweils konstant.
In 15 ist erkennbar, dass die Amplitude des in der Gleichtaktunterdrückungsdrossel 8 fließenden Gleichtaktstroms während der Startphase langsam auf den Wert ansteigt, den der Gleichtaktstrom im eingeschwungenen aufweist. Dabei wird die Gleichtaktunterdrückungsdrossel 8 nicht gesättigt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19812315 A1 [0002, 0037]

Claims

Elektrisches Gerät (1) mit einem Wechselrichter (6) und einem EMV-Filter, der zumindest einen Entstörkondensator (9A, 9B, 9C, 9D) und eine Gleichtaktunterdrückungsdrossel (8) mit Drosselspulen und einem damit zusammenwirkenden magnetisch wirksamen Kern aufweist, wobei Gleichspannungsanschlüsse (15A, 15B) des Wechselrichters (6) über erste Strompfade, in denen die Gleichtaktunterdrückungsdrossel (8) angeordnet ist, mit Stromversorgungsanschlüssen und über mindestens einen zweiten Strompfad, in dem der zumindest eine Entstörkondensator (9A, 9B, 9C, 9D) angeordnet ist, mit einem Masseanschluss verbunden sind, und wobei der Wechselrichter (6) derart ausgestaltet ist, dass an mindestens einen Ausgang (18A, 18B, 18C) des Wechselrichters (6) eine Impulsfolge ausgebbar ist, die abwechselnd Ausgangsimpulse unterschiedlicher Polarität aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter (6) derart ausgestaltet ist, dass die Pulsdauer mindestens eines während einer Startphase auftretenden Ausgangsimpulses kürzer ist als die Pulsdauer wenigstens eines weiteren, im eingeschwungenen Betrieb auftretenden Ausgangsimpulses, und dass die Gleichtaktunterdrückungsdrossel (8) so dimensioniert ist, dass eine Sättigung des magnetisch wirksamen Kerns vermieden wird und der Kern in die Sättigung geraten würde, wenn die Pulsdauer des mindestens einen Ausgangsimpulses der Startphase so groß wäre wie die Pulsdauer des wenigstens einen Ausgangsimpulses im eingeschwungenen Betrieb.
Elektrisches Gerät (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsdauer eines während einer Startphase auftretenden ersten Ausgangsimpulses zwischen 40% und 60% der Pulsdauer des wenigstens einen weiteren Ausgangsimpulses beträgt.
Elektrisches Gerät (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsdauer des mindestens einen, während der Startphase auftretenden Ausgangsimpulses derart an die Pulsdauer des wenigstens einen weiteren, im eingeschwungenen Betrieb auftretenden Ausgangsimpulses angepasst ist, dass die Amplitude des Gleichtaktstroms in der Gleichtaktunterdrückungsdrossel während der Startphase mit der Amplitude des Gleichtaktstroms im eingeschwungenen Betrieb übereinstimmt.
Elektrisches Gerät (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter (6) derart ausgestaltet ist, dass während der Startphase eine Mehrzahl von Ausgangsimpulsen auftritt, bei denen die Pulsdauer, ausgehend von einem ersten zu einem letzten Ausgangsimpuls der Startphase, zunimmt.
Elektrisches Gerät (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter (6) mindestens eine Halbbrücke aufweist, die einen ein erstes Gleichspannungspotential aufweisenden ersten Gleichspannungsanschluss (15A) mit dem Ausgang (18A, 18B, 18C) verbindenden ersten Brückenzweig und einen ein zweites Gleichspannungspotential aufweisenden zweiten Gleichspannungsanschluss (15B) mit dem Ausgang (18A, 18B, 18C) verbindenden zweiten Brückenzweig hat, und dass in dem ersten Brückenzweig ein steuerbares erstes Schaltelement (16A, 16B, 16C) und in dem zweiten Brückenzweig ein steuerbares zweites Schaltelement (17A, 17B, 17C) angeordnet ist.
Elektrisches Gerät (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass jeder erste Strompfad jeweils zwischen den Gleichspannungsanschlüssen (15A, 15B) und der Gleichtaktunterdrückungsdrossel (8) einen Knoten aufweist, der über mindestens einen Entstörkondensator (9A, 9B, 9C, 9D) mit dem Masseanschluss verbunden ist, und vorzugsweise dass ein weiterer Kondensator (14) die Gleichspannungsanschlüsse (15A, 15B) miteinander verbindet.
Elektrisches Gerät (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Gerät als Frequenzumrichter ausgebildet ist, bei dem die Gleichspannungsanschlüsse (15A, 15B) über einen Gleichspannungs-Zwischenkreis (5) und einen Gleichrichter (4) mit der Gleichtaktunterdrückungsdrossel (8) verbunden sind.
Elektrisches Gerät (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichrichter (4) zwei Eingangsanschlüsse aufweist, die jeweils über eine Drosselspule der Gleichtaktunterdrückungsdrossel (8) mit einem Stromversorgungsanschluss (2A, 2B) verbunden sind, dass jeder dieser Eingangsanschlüsse jeweils über einen Entstörkondensator (9A, 9B) mit dem Masseanschluss verbunden ist, und dass gegebenenfalls ein weiterer Kondensator (9C) die Eingangsanschlüsse miteinander verbindet.
Elektrisches Gerät (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichrichter (4) drei Eingangsanschlüsse aufweist, die über Drosselspulen der Gleichtaktunterdrückungsdrossel (8) mit Stromversorgungsanschlüssen (2A, 2B, 2C) für unterschiedliche Phasen verbunden sind, dass jeder dieser Eingangsanschlüsse jeweils über einen Entstörkondensator (9A, 9B, 9C) mit einem Sternpunkt (10) verbunden ist, und dass der Sternpunkt (10) über einen weiteren Entstörkondensator (9D) mit dem Masseanschluss verbunden ist.
Elektrisches Gerät (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass am Ausgang des Wechselrichters (6) ein Elektromotor angeschlossen ist.
Elektrisches Gerät (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass am Ausgang des Wechselrichters (6) ein Transformator eines Schaltnetzteils angeschlossen ist.