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Die Erfindung betrifft ein Feldvergleichmäßigungssystem in einem Frequenzumrichter nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Frequenzumrichter weisen sogenannte Feldvergleichmäßigungssysteme auf, bei denen sogenannte Umrichterschienen parallel zueinander angeordnet sind und von einem Isolator getrennt werden. Hierbei handelt es sich um einen Feststoffisolator, der Teilbereiche zwischen den Umrichterschienen ausfüllt, andere Teilbereiche werden von einem Gas, insbesondere Luft, ausgefüllt. In üblichen Betriebsmodi dieser Frequenzumrichter ist es möglich, dass sich Staub aus der Umgebungsluft auf dem Isolator, der zwischen den Umrichterschienen angeordnet ist, absetzt. Durch diese Ablagerung von Staub- und Schmutzpartikeln aus der Umgebungsluft kann eine elektrisch leitfähige Fremdschicht entstehen. Diese Fremdschicht kann unter gewissen Voraussetzungen zum Versagen der Isolatoren führen. Das Versagen der Isolatoren geschieht dabei dadurch, dass die Feldstärke auf der Oberfläche des Isolators durch den elektrischen Oberflächenwiderstand der Schmutzschicht gesteuert wird. Die elektrische Feldstärke verteilt sich also in Gegenwart dieser Schmutzschicht beziehungsweise Fremdschicht nicht mehr gleichmäßig auf der Isolatoroberfläche, sondern konzentriert sich in Bereichen mit hohem Oberflächenwiderstand der Fremdschicht. Diese Konzentration der Feldstärke auf einen sehr lokalen Bereich führt zur Feldstärkenüberhöhung, was zu einer Teilentladung oder sogar zum elektrischen Durchschlag führen kann. Um dies zu vermeiden, muss in herkömmlichen Anlagen entweder die Luft gereinigt werden oder die Isolatoren müssen von Zeit zu Zeit mit Pressluft abgeblasen beziehungsweise mechanisch gereinigt werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein entsprechendes Feldvergleichmäßigungssystem in einem Frequenzumrichter so auszugestalten, dass die Gefahr einer Entladung beziehungsweise eines elektrischen Durchschlages zwischen den Umrichterschienen verringert wird.
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Die Lösung der Aufgabe besteht in einem Feldvergleichmäßigungssystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Das erfindungsgemäße Feldvergleichsmäßigungssystem in einem Frequenzumrichter umfasst eine erste Umrichterschiene und eine zweite Umrichterschiene. Diese sind voneinander beabstandet, im Wesentlichen parallel angeordnet, wobei zumindest ein Teilbereich des Zwischenraums zwischen den beiden Umrichterschienen von einem Feststoffisolator ausgefüllt ist. Dieser Feststoffisolator trennt die beiden Umrichterschienen voneinander, wobei diese nicht den gesamten Zwischenraum zwischen Umrichterschienen ausfüllt, ein großer Teil des Raumes wird durch Luft beziehungsweise ein anderes Gas ausgefüllt. In einem Betriebszustand liegt in dem Zwischenraum zwischen den beiden Umrichterschienen ein elektrisches Feld vor. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der Feststoffisolator an seiner Oberfläche zum Zwischenraum hin eine Beschichtung aufweist, die einen Flächenwiderstand aufweist, der zwischen 108 Ω und 1013 Ω liegt.
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Bei dem genannten Bereich des Flächenwiderstandes der Beschichtung des Feststoffisolators handelt es sich um einen Widerstand, der dazu geeignet ist, auf der einen Seite die Oberfläche des Isolators nicht übermäßig zu erwärmen, was durch einen zu hohen Widerstand bei Stromfluss möglich wäre, andererseits ist der Widerstand wiederum so niedrig, dass Ladungen des elektrisch statisch aufgeladenen Schmutzpartikels über die Beschichtung abgeführt werden kann, sodass der nunmehr nicht geladene Schmutzpartikel nicht länger an der Isolatoroberfläche haften bleibt und von selbst zu Boden sinkt. Dadurch kann der Verschmutzungsgrad des Isolators deutlich reduziert werden. Des Weiteren sorgt der Widerstandsbelag für eine Feldvergleichmäßigung an der Isolatoroberfläche für den Fall, dass an der Isolatoroberfläche dennoch eine leitfähige Verschmutzung anhaften bleibt. Nun wird das Feld nicht mehr in den Randbereich verdrängt und damit unzulässig erhöht, sondern verbleibt nahezu konstant über die gesamte Isolatoroberfläche.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltungsform der Erfindung umfasst die Beschichtung ein Verbundmaterial, das eine Matrix aus einem duromeren und/oder einem elastomeren Kunststoff aufweist, der wiederum einen Füllstoff enthält, wobei der Füllstoff ein Aspektverhältnis, also das Verhältnis zwischen seiner Länge in Bezug zu seiner Breite, aufweist, das größer als 5, insbesondere größer als 10 ist.
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Eine, wenn auch schwache, elektrische Leitung kann über diese beschriebenen, langgestreckten Füllstoffpartikel erfolgen, hierbei ist es einerseits möglich, dass zwischen den Partikeln ein Leckstrom fließt, sodass es zu einem ohmschen Widerstand kommt oder je nach Beschaffenheit der Matrix, auf die noch im Weiteren eingegangen wird, die Partikel so angeordnet sind, dass Tunneleffekte wirksam werden und eine nicht ohmsche Widerstands-Feldstärke-Kennlinie vorliegt.
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Ferner hat es sich als zweckmäßig herausgestellt, dass Partikel des Füllstoffs auch Mehrschichtig aufgebaut sind, sie weisen einen Trägerpartikel auf, beispielsweise Glimmer, der ein hohes Aspektverhältnis aufweist, der wiederum mit einer elektrisch leitfähigen Oberflächenbeschichtung versehen ist. Die Leckströme beziehungsweise die Tunnelströme fließen somit entlang beziehungsweise über die elektrisch mehr oder weniger leitfähigen Oberflächenbeschichtungen. Dabei ist es zweckmäßig, ein und denselben Grundträgerpartikel mit unterschiedlich leitfähigen Oberflächenbeschichtungen zu versehen, was wiederum ermöglicht, Trägerpartikel mit annähernd gleicher elektrischer Leitfähigkeit so miteinander zu mischen, dass bei Berücksichtigung eines berechneten Mischungsverhältnisses ein gewünschter Flächenwiderstand entsprechend eingestellt werden kann. Dieser Flächenwiderstand beträgt in einer bevorzugten Ausgestaltungsform zwischen 108 Ω und 1011 Ω, ganz besonders bevorzugt zwischen 109 Ω und 1011 Ω. Es hat sich als zweckmäßig herausgestellt, einen Füllgrad des Füllstoffes im Verbundmaterial zu wählen, der zwischen 45 und 90 Gew.% beträgt.
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Weitere Ausgestaltungsformen und weitere vorteilhafte Merkmale werden anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Hierbei handelt es sich lediglich um exemplarische Ausgestaltungsformen, die keine Einschränkung des Schutzumfangs bedeuten. Dabei zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Feldvergleichmäßigungssystems mit zwei Umrichterschienen und einem dazwischen angeordneten Feststoffisolator nach dem Stand der Technik;
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2 eine Vorrichtung gemäß 1, wobei der Feststoffisolator mit einer leitfähigen Beschichtung versehen ist;
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3 eine schematische Darstellung der Ausrichtung von Füllstoffpartikeln in einer Matrix, deren Glastemperatur größer ist als die Betriebstemperatur;
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4 eine analoge Darstellung gemäß 3, wobei die Glastransformationstemperatur der Matrix kleiner ist als die Betriebstemperatur der Beschichtung; und
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5 eine doppellogarithmische Darstellung in der der Flächenwiderstand als Funktion der Verstärker aufgetragen ist.
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In 1 ist eine schematische Darstellung eines Feldvergleichmäßigungssystems in einem Frequenzumrichter gegeben, wobei eine erste Umrichterschiene und eine zweite Umrichterschiene 4 im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind, zwischen den beiden Umrichterschienen 2, 4 ist ein Feststoffisolator 6, im Weiteren als Isolator 6 bezeichnet, angeordnet, der die beiden Umrichterschienen 2, 4 voneinander beabstandet. Ferner liegt zwischen den Umrichterschienen 2, 4 ein elektrisches Feld an, das durch die Pfeile 10 veranschaulicht ist. Bedingt durch das vorliegende elektrische Feld 10 bilden sich auf der Oberfläche des Isolators 6 elektrische Ladungen, die wiederum elektrisch geladene Staubpartikel 28 anziehen, die an der Oberfläche 12 des Isolators haften bleiben. Diese Staubpartikel 28 stammen beispielsweise aus ungefilterter Luft und sind in der an sich reinen Umgebungsatmosphäre nicht auszuschließen. Diese Schmutz- beziehungsweise Staubpartikel 28 können durch elektrischen Ladungstransport eine Verkleinerung des Abstandes zwischen den beiden Umrichterschienen, die an sich auch als Elektroden wirken, hervorrufen, wodurch in schmalen Bereichen, die nicht von Staub besetzt sind, eine Feldüberhöhung auftreten, die letztendlich zu einer Teilentladung oder sogar zu einem elektrischen Durchschlag zwischen den beiden Umrichterschienen 2, 4 führen kann. Als Beispiel sei hier eine Berechnung angeführt, wonach die elektrische Feldstärke über einer Isolation mit einer Stärke von 10 mm 5 kV, also ca. 500 V/mm beträgt. Wenn sich die Spannung wegen einer Fremdschicht nur über einen kleineren Bereich von etwa 1 mm Dicke abbaut, liegen dort ca. 5 kV/mm, was das 10-fache der ursprünglichen Auslegung beträgt. Die Durchschlagfähigkeit von Luft kann bei derartig hohen Feldstärken bereits überschritten sein, weshalb es zu einem Überschlag kommen kann.
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In 2 ist der Isolator 6 an seiner Oberfläche 12 mit einer Beschichtung 14 versehen, wobei die Beschichtung 14 einen Flächenwiderstand 16 (vgl. 5) aufweist, der 109 Ω beträgt. Der Begriff Flächenwiderstand wird auch häufig als Quadratwiderstand bezeichnet, er wird mit R abgekürzt und ergibt sich aus dem Quotienten des spezifischen Widerstandes ρ und der Schichtdicke d. Der genannte Widerstandwert von 109 Ω, der bevorzugt in einem Bereich zwischen 108 Ω und 1013 Ω liegt, ist auf der einen Seite isolierend genug, dass die Funktion des Isolators nicht nachhaltig gestört wird, andererseits fließen über einen derartigen Widerstand genügend Elektronen ab, um die Ladungen der Schmutzpartikel zu führen. Der Flächenwiderstand 16 der Beschichtung 14 ist also niedriger als der Widerstand der Staubpartikel, wodurch es zu einem stetigen Abfluss der Ladung aus den Staubpartikeln kommt. Die Staubpartikel haften nun, da sie nicht mehr geladen sind, auch nicht mehr an der Oberfläche 12 beziehungsweise an der Beschichtung 14 des Isolators 6 an und fallen ab beziehungsweise setzen sich schon gar nicht erst an der Beschichtung 14 fest. Sollten sich dennoch Staubpartikel an der Beschichtung 14 anlagern, können diese aufgrund ihrer geringen Haftung leicht durch Pressluft beseitigt werden.
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Bei dem Material der Beschichtung 14 handelt es sich bevorzugt um ein Verbundmaterial 18, das eine Matrix 20 aufweist, in der ein Füllstoff 22 eingelagert ist. Eine schematische Darstellung dieser Struktur des Verbundmaterials 18 ist in den 3 und 4 gegeben. Der Füllstoff 22 ist im Wesentlichen aus Trägerpartikeln 24 gebildet, die eine sehr dünne Partikeloberfläche 26 aufweisen, die eine entsprechende elektrische Leitfähigkeit aufweist. Zur Darstellung eines gewünschten Flächenwiderstandswertes 16 für die Beschichtung 14 ist es zweckmäßig, mehrere Chargen von Trägerpartikel 24 mit jeweils einer Partikelbeschichtung 26 mit einer definierten Leitfähigkeit zu beschichten und dann beschichtete Trägerpartikel 24 in einem berechneten Verhältnis miteinander zu vermischen, so dass der gewünschte Flächenwiderstandswert der Beschichtung 14 eingestellt werden kann.
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Grundsätzlich sind zwei unterschiedliche Arten von Matrizes 20 beziehungsweise Verbundmaterialien 18 möglich, in 3 ist eine Matrix 20 dargestellt, die einen hohen Vernetzungsgrad aufweist und somit auch eine Glasübergangstemperatur, also eine Temperatur bei der die Matrix in eine Erweichung übergeht, die höher beziehungsweise deutlich höher als die Betriebstemperatur des Isolators ist. Dies ist insbesondere bei Duromeren der Fall. Die Trägerpartikel 24 sind statistisch verteilt zueinander angeordnet und in dieser sich berührenden oder nahezu berührenden Lage in dem starren Duromer mit einer hohen Glasübergangstemperatur TG quasi eingefroren.
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Das elektrische Feld, dessen auf die Partikel 22 wirkende Kraft, die durch die Federn 27 symbolisiert wird und das an den elektrisch leitenden Oberflächen 26 der Trägerpartikel 24 mechanisch wirkt, hat keine oder kaum eine Auswirkung auf die Lage der Partikel 22 in der Matrix 20. In diesem Fall fließen zwischen den Füllstoffpartikeln 22 beziehungsweise über ihre Partikeloberflächen 26 Leckströme ab, die einen ohmschen Widerstandscharakter aufweisen. Dies ist in 5, die eine Auftragung des Flächenwiderstandes an der y-Achse 17 als Funktion der Feldstärke (x-Achse 19) zeigt, gezeigt. Der Graph 16, der in dieser doppellogarithmischen Auftragung nahezu linear und parallel zur x-Achse verläuft, zeigt ohmschen Charakter, der Widerstand bleibt mit steigender Feldstärke weitgehend konstant. Der Vorteil besteht hierbei darin, dass bei plötzlich auftretenden Feldstärkeänderungen dies nur eine sehr geringe Auswirkung auf den anliegenden Widerstand in der Beschichtung 14 hat. Es besteht jedoch die Gefahr, dass bei langandauernder Erhöhung des elektrischen Feldes eine Überhitzung der Beschichtung 14 auftreten kann. Ist eine langandauernde und starke Überhöhung der Feldstärke in der Praxis nicht zu erwarten, dann ist die Beschichtung 14 mit einer duromeren Matrix, die insbesondere eine Glasübergangstemperatur aufweist, die höher ist als die Betriebstemperatur, also die bei Betrieb anliegende Umgebungstemperatur im Isolator, ein geeignetes Material für die Beschichtung mit dem vorgegebenen elektrischen Flächenwiderstand.
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In 4 ist eine Matrix 20‘ dargestellt, die zwischen zwei Elektroden, die mit demselben Bezugszeichen wie die Umrichterschienen 2, 4 versehen sind, angeordnet ist. Die Matrix 20‘ ist bei Betriebstemperatur des Systems weicher als die Matrix 20 in 3. Es handelt sich bei der Matrix 20‘ beispielsweise um einen Elastomer, das eine Glasübergangstemperatur TG aufweist, die niedriger liegt als die Betriebstemperatur, sodass eine höhere Viskosität der Matrix 20‘ vorhanden ist und die Füllstoffpartikel 22 sich entlang des anliegenden Feldes, das wiederum durch die Federn 27 veranschaulicht ist, ausrichten kann. Die Abstände zwischen den Füllstoffpartikeln 22 vergrößern sich durch die parallele Ausrichtung etwas, sodass es zu keinen oder deutlich weniger direkten, punktförmigen Berührungen zwischen der Partikeloberfläche 26 der einzelnen Füllstoffpartikel 22 kommt. Das Auftreten von Leckströmen wird durch ein zunehmendes elektrisches Feld 27 verringert. Elektronen, die sich zwischen den Oberflächenbeschichtungen 26 der Trägerpartikel 24 bewegen, fließen zudem nicht mehr in Form von Leckströmen sondern über sogenannte Tunneleffekte, was in der Feldstärkenkennlinie 16‘ in 5 darin äußert, dass der Flächenwiderstand 16‘ mit zunehmender Feldstärke, veranschaulicht auf der y-Achse 19, stark abnimmt. Dies führt dazu, dass sich beim steigenden oder fallenden elektrischen Feld 26 der Widerstand der Beschichtung 14 verhältnismäßig stark ändert, was unter Umständen, wenn er sich in dem vorteilhaften Bereich zwischen 108 Ω und 1013 Ω bewegt, möglicherweise keine negative Auswirkung auf die Funktion der Beschichtung 14 hat. Die vorteilhafte Wirkung dieses Abfallens des Widerstandes mit erhöhtem Feld liegt jedoch darin, dass durch einen geringeren Widerstand auch eine geringere Erwärmung der Beschichtung 14 beziehungsweise des Isolators 6 auftritt. Es kommt somit bei Verwendung von weicheren Matrizes 20‘, wie es in 4 veranschaulicht ist, in der Regel in der Ausgestaltungsform eines Elastomeres, zur geringeren Aufheizung der Beschichtung 14 bei stark ansteigendem elektrischem Feld 19.
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Die in 3 gezeigte Variante des Verbundmaterials 18 für die Beschichtung 14 weist also bei veränderlicher Feldstärke einen konstanten Widerstand auf, eine derartige Eigenschaft wird in der Praxis von besonderer Bedeutung sein. Bei sehr starken Felderhöhungen kann es jedoch dazu kommen, dass eine unerwünschte Erhöhung der Temperatur in der Beschichtung 14 und im Isolator 6 auftritt. Ist eine starke Felderhöhung nicht zu erwarten, ist diese Schicht vorteilhaft gegenüber der Schicht gemäß 4, mit dem Verbundmaterial 18‘, das zwar bei steigender Feldstärke keinen konstanten Widerstand gewährleisten kann, wodurch jedoch zu starke Aufheizung der Beschichtung 14 vermieden werden. Die Auswahl, ob eher eine duromere Matrix 20 oder eine elastomere Matrix 21 gewählt wird, hängt davon ab, welche Feldschwankungen bei der entsprechenden Anwendung zu erwarten sind und ob, und wenn ja, in welchem Maße Temperaturschwankungen der Beschichtung 14 zu vertreten sind.
