DE102016209855A1

DE102016209855A1 - Vorrichtung und Verfahren für ein System mit einem Puls-Wechselrichter

Info

Publication number: DE102016209855A1
Application number: DE102016209855.1A
Authority: DE
Inventors: Roland Donner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2016-06-06
Filing date: 2016-06-06
Publication date: 2017-12-07

Abstract

Es ist eine Vorrichtung (20, 42; 20; 43; 35, 42; 35, 36, 42; 20, 42, 36) und ein Verfahren für ein System (1; 2; 3; 4; 5) mit einem mit einem Puls-Wechselrichter (50) bereitgestellt. Die Vorrichtung (20, 42; 20; 43; 35, 42; 35, 36, 42; 20, 42, 36) umfasst eine stromkompensierte Drossel (20; 35) zur Ableitung eines Ableitstroms (Iab) am Netzeingang eines Puls-Wechselrichters (50) und zur Rückleitung des Ableitstroms (Iab) in einen Rückführzweig (10) für den Puls-Wechselrichter (50), und eine Reihenschaltung (42; 43) von zwei Kondensatoren, wobei die stromkompensierte Drossel (20; 35) Hauptwicklungen (21, 22, 23; 351, 352) und eine Hilfswicklung (24; 353) hat, wobei die Hauptwicklungen (21, 22, 23; 351, 352) derart angeschlossen sind, dass sie von einem Netzstrom für den Puls-Wechselrichter (50) durchflossen werden, wobei das lastseitige Ende der Hilfswicklung (24; 353) der stromkompensierten Drossel (20; 35) mit der Systemerde verbunden ist und das andere Ende an den Mittelpunkt der Reihenschaltung (42; 43) der zwei Kondensatoren angeschlossen ist oder mit dem Rückführzweig (10) zum Rückführen eines Anteils eines netzseitigen Ableitstroms (Iab_N) an einen Netzanschluss (7) des Systems (1; 2; 3; 4; 5) verbunden ist, und wobei die stromkompensierte Drossel (20; 35) vor einen Spannungszwischenkreis (40) für den Puls-Wechselrichter (50) geschaltet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren für ein System, insbesondere Antriebssystem, mit einem Puls-Wechselrichter. Insbesondere ist der Puls-Wechselrichter für einen elektrischen, drehzahlvariablen Antrieb vorgesehen.
Ein Puls-Wechselrichter für einen elektrischen, drehzahlvariablen Antrieb oder Motor arbeitet üblicherweise mit sinusbewerteter Pulsweitenmodulation und erzeugt dadurch am Motoranschluss eine Gleichtaktspannung gegen Erdpotential. Problematisch ist, dass durch die Motorwicklung und das Motoranschlusskabel eine unvermeidliche, parasitäre Ableitkapazität C_ab vorhanden ist. Daher treibt die am Motoranschluss erzeugte Gleichtaktspannung über die Ableitkapazität C_ab einen elektrischen Strom, der auch als Ableitstrom oder Gleichtaktstrom bezeichnet wird und einen hohen Oberwellenanteil aufweist. Der Strom fließt über die Systemerde und das Netz zurück in den Leistungskreis des Antriebssystems.
Problematisch ist hierbei, dass der Ableitstrom Amplituden aufweist, die üblicherweise einige 10A groß sind und somit an der Netzimpedanz einen Spannungsabfall erzeugen, der eine Verzerrung der Netzspannung Phase – Erde hervorruft. Dadurch können andere vom Netz gespeiste Verbraucher in ihrer Funktion beeinträchtigt und sogar zerstört werden. Anders ausgedrückt, das aus Puls-Wechselrichter und elektrischem, drehzahlvariablem Antrieb oder Motor bestehende System kann anspruchsvolle EMV-Grenzwertklassen (EMV = Elektromagnetische Verträglichkeit), wie die nach DIN EN 61800-3 geforderte Grenzwertklasse „C3“ für Industrie-Umgebung, nicht einhalten.
Zur Unterdrückung von Ableitströmen am Netzeingang ist es möglich, Trenntransformatoren oder Netzfilter mit ausreichend dimensionierter 3-phasiger stromkompensierter Drossel oder herkömmliche stromkompensierte 2-Leiter-Drosseln im Zwischenkreis zu verwenden.
Jedoch bewirkt der Ableitstrom im Netzfilter die Sättigung der Drosseln, wodurch die Wirksamkeit des Filters stark herabgesetzt wird.
Noch dazu zeichnen sich die Drosseln dadurch aus, dass sie 2 oder 3 gleichsinnig auf einen Magnetkern aufgebrachte Laststromwicklungen besitzen, sodass sich der vom Laststrom im Magnetkern erzeugte Fluss aufhebt. Lediglich ein Gleichaktanteil erzeugt eine Aussteuerung des Magnetkerns und lässt dadurch eine wirksame Induktivität entstehen. Jedoch muss der Drosselkern für den verbleibenden Gleichtaktstrom ausgelegt werden.
Außerdem ist problematisch, dass handelsübliche Netzfilter durchwegs nicht ausreichend sättigungsfest sind und somit nur in Verbindung mit moderaten Ableitkapazitäten betrieben werden können. Bei Antriebssystemen mit großen Motorkabellängen und hohen Achszahlen müssen somit Spezial-Filter zum Einsatz kommen, welche verstärkte stromkompensierte Drosseln aufweisen. Diese Drosseln sind groß, schwer und kostenintensiv.
Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren für ein System mit einem Puls-Wechselrichter bereitzustellen, mit welchen die zuvor genannten Probleme gelöst werden können. Insbesondere sollen eine Vorrichtung und ein Verfahren für ein System mit einem Puls-Wechselrichter bereitgestellt werden, bei welchen auf einfache und kostengünstige Weise netzseitige Ableitströme oder Gleichtaktströme stark verringert werden können, um anspruchsvolle EMV-Grenzwertklassen (EMV = Elektromagnetische Verträglichkeit) einhalten zu können.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung für ein System mit einem Puls-Wechselrichter nach Patentanspruch 1 gelöst, wobei die Vorrichtung aufweist: eine stromkompensierte Drossel zur Ableitung eines Ableitstroms am Netzeingang eines Puls-Wechselrichters und zur Rückleitung des Ableitstroms in einen Rückführzweig für den Puls-Wechselrichter, und eine Reihenschaltung von zwei Kondensatoren, wobei die stromkompensierte Drossel Hauptwicklungen und eine Hilfswicklung hat, wobei die Hauptwicklungen derart angeschlossen sind, dass sie von einem Netzstrom für den Puls-Wechselrichter durchflossen werden, wobei das lastseitige Ende der Hilfswicklung der stromkompensierten Drossel mit der Systemerde verbunden ist und das andere Ende an den Mittelpunkt der Reihenschaltung der zwei Kondensatoren angeschlossen ist oder mit dem Rückführzweig zum Rückführen eines Anteils eines netzseitigen Ableitstroms an einen Netzanschluss des Systems, verbunden ist, und wobei die stromkompensierte Drossel vor einen Spannungszwischenkreis für den Puls-Wechselrichter geschaltet ist.
Mit der Vorrichtung findet eine doppelte Kompensation, nämlich von Laststrom und Ableitstrom, statt. Hierbei sind vorzugsweise alle zur Rückführung des Ableitstromes benötigten Komponenten direkt am Netzanschluss angeordnet. Dadurch wird der Magnetkern der stromkompensierten Drossel nur gering ausgesteuert, was zur Folge hat, dass deutlich kleinere und somit kostengünstigere Kerne verwendet werden können.
Noch dazu sorgt der Aufbau oder die Anordnung der Vorrichtung für eine starke Absenkung der netzseitigen Ableitströme oder Gleichaktströme. Dadurch wird auch der Betrieb des Puls-Wechselrichters mit einem elektrischen, drehzahlvariablen Antrieb oder Motor an einem Fehlerstromschutzschalter möglich.
Aufgrund der mit der Vorrichtung für das System aus Puls-Wechselrichter und elektrischen, drehzahlvariablen Antrieb oder Motor erzielten geringen Ableitströme ist eine Erweiterung der Anordnung zur Einhaltung anspruchsvoller EMV-Grenzwertklassen mit geringem Aufwand und preisgünstigen Komponenten möglich. Somit können mit der Vorrichtung anspruchsvolle EMV-Grenzwertklassen mit geringem Aufwand und preisgünstigen Komponenten eingehalten werden, wie in Bezug auf die Ausführungsbeispiele noch genauer erläutert.
Vorteilhafte weitere Ausgestaltungen der Vorrichtung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel hat die stromkompensierte Drossel drei Hauptwicklungen und eine Hilfswicklung, wobei das andere Ende der Hilfswicklung an den Mittelpunkt der Reihenschaltung von zwei Kondensatoren angeschlossen ist.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel hat die stromkompensierte Drossel zwei oder drei Hauptwicklungen und eine Hilfswicklung, wobei das andere Ende der Hilfswicklung mit dem Rückführzweig verbunden ist, und wobei die Reihenschaltung von zwei Kondensatoren an ihrem Mittelpunkt mit Systemerde verbunden ist.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann zwischen das andere Ende der Hilfswicklung und den Rückführzweig ein Saugkreis geschaltet sein, der eine Reihenschaltung aus einem Kondensator und einer Induktivität aufweist.
Bei der zuvor beschriebenen Vorrichtung hat die stromkompensierte Drossel vorzugsweise eine Wicklungsanordnung, bei welcher die Hauptwicklungen und die eine Hilfswicklung den gleichen Wicklungssinn haben. Alternativ oder zusätzlich sind die Kondensatoren der Reihenschaltung bevorzugt impulsfeste Kondensatoren.
Zudem ist es vorzuziehen, dass die Hauptwicklungen vom Querschnitt her für den gesamten von der Last gezogenen Laststrom ausgelegt sind. Alternativ oder zusätzlich kann die Hilfswicklung vom Querschnitt her nur für einen Anteil des lastseitigen Ableitstroms ausgelegt sein.
Die zuvor beschriebene Vorrichtung kann Teil eines Systems sein, welches zudem aufweist, einen Netzanschluss zum Versorgen des Systems mit einer dreiphasigen Spannung, einen dreiphasigen Brückengleichrichter mit nachgeschaltetem Zwischenkreis zum Wandeln der netzseitigen Spannung in eine Gleichspannung, um die netzseitige Spannung zu glätten, und einen Puls-Wechselrichter zum Anschluss einer elektrisch zu betreibenden Last.
Möglicherweise ist das System ein Antriebssystem, ist der Puls-Wechselrichter ein dreiphasiger Wechselrichter, und ist die Last ein elektrischer Motor. Hierbei kann die stromkompensierte Drossel drei Hauptwicklungen und eine Hilfswicklung aufweisen und auf der Netzseite des dreiphasigen Brückengleichrichters vorgesehen sein. Alternativ kann die stromkompensierte Drossel zwei Hauptwicklungen und eine Hilfswicklung aufweisen und auf der Lastseite des dreiphasigen Brückengleichrichters vorgesehen sein.
Die zuvor genannte Aufgabe wird zudem durch ein Verfahren für ein System mit einem Puls-Wechselrichter nach Patentanspruch 10 gelöst. Das Verfahren hat den Schritt: Ableiten, mit einer stromkompensierten Drossel, eines Ableitstroms am Netzeingang eines Puls-Wechselrichters und Rückleiten des Ableitstroms in einen Rückführzweig für den Puls-Wechselrichter, wobei die stromkompensierte Drossel Hauptwicklungen und eine Hilfswicklung hat, wobei die Hauptwicklungen derart angeschlossen sind, dass sie von einem Netzstrom für den Puls-Wechselrichter durchflossen werden, und wobei das lastseitige Ende der Hilfswicklung der stromkompensierten Drossel mit der Systemerde verbunden ist und das andere Ende an den Mittelpunkt einer Reihenschaltung von zwei Kondensatoren angeschlossen ist oder mit dem Rückführzweig zum Rückführen eines Anteils eines netzseitigen Ableitstroms an einen Netzanschluss des Systems verbunden ist, und wobei die stromkompensierte Drossel vor einen Spannungszwischenkreis für den Puls-Wechselrichter geschaltet ist.
Das Verfahren erzielt die gleichen Vorteile, wie sie zuvor in Bezug auf die Vorrichtung genannt sind.
Weitere mögliche Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausführungsbeispiele beschriebenen Merkmale oder Ausführungsformen. Dabei wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der Erfindung hinzufügen.
Nachfolgend ist die Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung und anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Es zeigen:
1 ein Schaltbild eines Systems mit einer Vorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
2 einen zeitlichen Verlauf eines über einen Mittelpunktleiter des Netzes zurückfließenden Ableitstroms oder Gleichtaktstroms gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel;
3 einen zeitlichen Verlauf eines über alle Leiter einer stromkompensierten Drossel gemessenen Summenstroms I_SKD gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel;
4 einen zeitlichen Verlauf eines über den Mittelpunktleiter des Netzes zurückfließenden Ableitstroms oder Gleichtaktstroms bei einer einfach kompensierten Drossel;
5 einen zeitlichen Verlauf eines über alle Leiter einer stromkompensierten Drossel gemessenen Summenstroms I_SKD bei einer einfach kompensierten Drossel;
6 ein Schaltbild eines Systems mit einer Vorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel;
7 ein Schaltbild eines Systems mit einer Vorrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel;
8 ein Schaltbild eines Systems mit einer Vorrichtung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel; und
9 ein Schaltbild eines Systems mit einer Vorrichtung gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel.
In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente, sofern nichts anderes angegeben ist, mit denselben Bezugszeichen versehen.
1 zeigt ein System 1, insbesondere ein Antriebssystem, mit einem dreiphasigen Netzanschluss 7, einem Rückführzweig 10, eine stromkompensierte Drossel 20 (stromkompensierte Drossel = SKD), einem Gleichrichter 30, einem Spannungszwischenkreis bzw. Zwischenkreis 40, einem Puls-Wechselrichter 50, an den als Beispiel für eine Last 60 ein elektrischer Motor, insbesondere ein 3-phasiger Wechselstrommotor (AC-Motor), angeschlossen ist, sowie einem Ableitkondensator Cab. Die Last 60 zieht im Betrieb des Systems 1 einen Laststrom I_L. Über den Ableitkondensator Cab fließt im Betrieb des Systems 1 ein Ableitstrom Iab.
Gemäß 1 teilt sich der Ableitstrom Iab in einen zwischenstromkreisseitigen Ableitstrom Iab_Z und einen netzseitigen Ableitstrom Iab_N auf. Der netzseitige Ableitstrom Iab_N teilt sich auf in den rückführzweigseitigen Ableitstrom Iab_R und in den Teilableitstrom Iab_MP, der in den Mittelpunktleiter beim Netzanschluss 7 zurückfließt.
Der Rückführzweig 10 weist Kondensatoren 11 bis 14 und einen Dämpfungswiderstand 15 auf. Die Kondensatoren 11 bis 14 können insbesondere Folienkondensatoren sein.
Die Drossel 20 hat eine Hauptwicklung 21 für den ersten Leiter des dreiphasigen Netzanschlusses 7, eine Hauptwicklung 22 für den zweiten Leiter des dreiphasigen Netzanschlusses 7, eine Hauptwicklung 23 für den dritten Leiter des dreiphasigen Netzanschlusses 7 und eine Hilfswicklung 24. Die Hilfswicklung 24 ist an ihrer einen Seite mit dem Knotenpunkt zwischen dem Kondensator 14 und dem Dämpfungswiderstand 15 und somit dem Rückführzweig 10 verbunden und an ihrer anderen Seite mit der Systemerde.
Somit ist das netzseitige Ende der Hauptwicklungen 21, 22, 23 der Drossel 20 mit dem dreiphasigen Netzanschluss 7 verbunden. Das lastseitige Ende der Hauptwicklungen 21, 22, 23 der Drossel 20 ist mit dem Gleichrichter 30 verbunden. Anders ausgedrückt, über die drei Hauptwicklungen 21, 22, 23 der 3-phasigen stromkompensierten Drossel wird der Netzstrom zum Gleichrichter 30 geführt. Über alle Leiter oder die Hauptwicklungen 21, 22, 23 und die Hilfswicklung 24 der stromkompensierten Drossel 20 wird ein Summenstrom I_SKD gemessen.
Bei dem System 1 ist die stromkompensierte Drossel 35 somit vor dem Gleichrichter 30 und dem Zwischenkreis 40 vorgesehen.
Auch wenn der Teilableitstrom Iab_Mp in 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit nur mit einer gestrichelten Linie durch die Mitte der Anordnung skizziert ist, verteilt sich der Strom Iab_Mp am Sternpunkt des Netzes gleichmäßig auf alle drei Phasen oder Leiter. Das gleiche gilt für den rückführzweigseitigen Ableitstrom Iab_R. Er verteilt sich über den Rückführzweig ebenfalls gleichmäßig auf alle drei Phasen. Über die drei Hauptwicklungen der stromkompensierten Drossel 20 fließt dann neben dem Laststrom noch die Summe von Iab_MP + Iab_R.
Der Gleichrichter 30 von 1 ist ein dreiphasiger Brückengleichrichter mit sechs Dioden, der auch als B6-Frontend bezeichnet werden kann. Die Hauptwicklungen 21, 22, 23 sind jeweils an ihrer Lastseite mit den Brückenpunkten des Gleichrichters 30 verbunden.
Der Zwischenkreis 40 weist einen Kondensator 41 sowie eine Reihenschaltung 42 mit zwei, insbesondere impulsfesten, Kondensatoren auf. Die Reihenschaltung 42 von zwei, insbesondere impulsfesten, Kondensatoren ist mit dem positiven (+) und negativen (–) Anschluss des Zwischenkreises 40 verbunden. Außerdem ist die Reihenschaltung 42 aus zwei Kondensatoren von 1 an der Verbindung zwischen den beiden Kondensatoren, dem Mittelpunkt der Reihenschaltung 42, mit Systemerde verbunden.
Die stromkompensierte Drossel 20 und die Reihenschaltung 42 bilden eine Vorrichtung 20, 42.
Der Zwischenkreis 40 mit dem Gleichrichter 30 für den Puls-Wechselrichter 50 kann auch als Gleichrichtereinheit bezeichnet werden, welche die dreiphasige Netzspannung am Netzanschluss 7 mit Hilfe von Dioden des Gleichrichters 30 in eine Gleichspannung wandelt für den Zwischenkreis 40. Der Kondensator 41 dient zum Glätten der so erzeugten Gleichspannung.
Der Puls-Wechselrichter 50 dient zum Erzeugen einer Wechselspannung aus der Gleichspannung im Zwischenkreis 40.
Die Last 60 muss kein elektrischer Motor sein, sondern kann auch eine beliebige andere elektrische Last sein, welche mit Wechselspannung versorgt wird.
Der Kondensator Cab entspricht einer durch die Motorwicklung des elektrischen Motors als Last 60 und ein Motoranschlusskabel am Puls-Wechselrichter 50 erzeugten unvermeidlichen, parasitären Ableitkapazität, die nachfolgend auch als Ableitkapazität Cab bezeichnet wird.
Der Gleichrichter 30 ist netzgeführt und der Puls-Wechselrichter 50 arbeitet üblicherweise mit sinusbewerteter Pulsweitenmodulation und erzeugt dadurch eine Gleichtaktspannung gegen Erdpotential, wodurch über die Ableitkapazität Cab ein elektrischer Ableitstrom Iab fließt, der einen hohen Oberwellenanteil aufweist. Die Drossel 20 in der zuvor beschriebenen Verschaltung bewirkt jedoch, dass der hohe Oberwellenanteil mit Amplituden des Ableitstroms Iab von bis zu 10 A umgeleitet wird und so die nach DIN EN 61800-3EMV-Grenzwertklasse „C3“ für Industrie-Umgebung ohne weitere Zusatzmaßnahmen bis zu einer Ableitkapazität Cab von ca. 500 nF eingehalten werden kann.
Der Ableitstrom Iab wird umgeleitet, so dass nur noch ein geringer Anteil über das Netz fließt. Da die Drossel 20 doppelt kompensiert ist, tritt ihre Induktivität elektrisch zur Unterdrückung von Strömen nicht mehr in Erscheinung. Das hat außerdem den Vorteil, dass die Gefahr von unerwünschten Resonanzen bei Erweiterung der Schaltung in Richtung Netz hin mit weiteren Komponenten, deutlich verringert wird.
Bei der in 1 gezeigten Schaltung für das System 1, das hier insbesondere ein Antriebssystem ist, ist somit eine stromkompensierte Drossel, die Drossel 20, mit der Hilfswicklung 24 am Netzeingang eingefügt. Durch die zuvor beschriebene Anordnung der Hilfswicklung 24 werden die vom System 1 erzeugten Ableitströme Iab über die Hilfswicklung 24 und den Rückführzweig 10 in den Leistungskreis, also zum Gleichrichter 30 und den Zwischenkreis 40 zurückgeleitet.
Anders ausgedrückt, die Drossel 20 gemäß 1 ist eine stromkompensierte Drossel mit drei Hauptwicklungen 21, 22, 23, die um eine 4. Wicklung, die Hilfswicklung 24, ergänzt sind. Die Hilfswicklung 24 hat den gleichen Wicklungssinn wie die drei Hauptwicklungen 21, 22, 23. Der Mehraufwand für die Hilfswicklung 24 ist gering, da diese vom Querschnitt ihres Wicklungsdrahtes her nur für den lastseitigen Ableitstrom lab, genauer gesagt seinen Anteil Iab_R, ausgelegt werden muss. Dagegen ist der Querschnitt der drei Hauptwicklungen 21, 22, 23 jeweils für den Laststrom I_L ausgelegt, der vom Gleichrichter 30 und dem Zwischenkreis 40 für die Reihenschaltung 42 der Kondensatoren und somit für die Last 60 bereitgestellt wird.
Somit findet bei dem System 1 eine doppelte Stromkompensation statt. Es wird neben dem Laststrom I_L auch der Ableitstrom Iab kompensiert. Wie bereits erwähnt, teilt sich der netzseitige Ableitstrom Iab_N auf in den rückführzweigseitigen Ableitstrom Iab_R und in den Teilableitstrom Iab_MP.
Vorzugsweise wird die Impedanz des Rückführzweiges 10 klein gegenüber der Netzimpedanz des Netzanschlusses 7 dimensioniert und die Induktivität der stromkompensierten Drossel 20 ausreichend groß dimensioniert. In diesem Fall gilt: Iab_R >> Iab_MP. Dadurch verbleibt somit nur noch ein geringer Anteil des Ableitstroms, der Teilableitstrom Iab_MP, der über den Netzanschluss 7 zurück fließt und dort Störungen verursachen kann. Jedoch ist gleichzeitig ein Strom I_SKD, der für die Aussteuerung des Drosselkernes der stromkompensierten Drossel 20 maßgebend ist, gleich dem Ableitstrom Iab_MP, wobei die Fließrichtung der Ströme in der Drossel gemäß 1 zu beachten ist. Aus diesem Grund wird der Drosselkern der Drossel 20 insgesamt so entlastet, dass eine deutlich kleinere und somit kostengünstigere Baugröße für die Drossel 20 gewählt werden kann.
2 zeigt den Teilableitstrom Iab_MP, der bei dem System 1 über den Mittelpunktleiter des Netzanschlusses 7, die dreiphasige Netzimpedanz des Netzanschlusses 7 und somit zu den 3 Hauptwicklungen 21, 22, 23 der Drossel 20, zurückfließt. Bei dem in 2 gezeigten Fall hat die Drossel 20, welche die doppelt kompensierte Drossel bildet, eine Induktivität von 1 mH. Zudem liegt 2 eine Ableitkapazität Cab von 100 nF zugrunde.
3 zeigt für den in Bezug auf 2 genannten Fall den Summenstrom I_SKD, der über alle Leiter bzw. Wicklungen 21, 22, 23 und 24 der stromkompensierten Drossel 20 gemessen wird, wie in 1 veranschaulicht, und der für die Kernauslegung der Drossel 20 relevant ist.
Im Vergleich dazu zeigt 4 den simulierten Ableitstrom Iab für eine einfach stromkompensierte Drossel, also ohne Hilfswicklung 24. 5 zeigt den simulierten Summenstrom I_SKD bei einer derartigen einfach stromkompensierten Drossel. Auch bei der Simulation von 4 und 5 hat die einfach stromkompensierte Drossel eine Induktivität von 1 mH und es lag eine Ableitkapazität Cab von 100 nF zugrunde.
Hieraus ergibt sich, dass der Ableitstrom Iab von 2 für das System 1 von 1 und auch der Strom I_SKD von 3 gegenüber der einfach stromkompensierte Drossel deutlich geringer ist. Anders ausgedrückt, die Drossel 20 von 1 hat eine deutliche Reduktion des Ableitstroms Iab und des Strom I_SKD zur Folge.
Bei dem System von 1, das aufgrund des Gleichrichters 30 ein B6-Frontend ist, lassen sich alle zur Rückführung des Ableitstromes Iab benötigten Komponenten direkt am Netzanschluss 7 anordnen, wie in 1 dargestellt. Dadurch können die vom System 1 erzeugten, hochfrequenten, leitungsgebundenen Emissionen besonders wirksam unterdrückt werden. Es gelingt damit, die nach DIN EN 61800-3 geforderte Grenzwertklasse „C3“ für Industrie-Umgebung ohne weitere Zusatzmaßnahmen einzuhalten, wie zuvor angegeben.
Somit dient die Drossel 20 mit Hilfswicklung 24 von 1 zur Verhinderung, dass andere vom Netzanschluss 7 gespeiste Verbraucher durch den Ableitstrom Iab in ihrer Funktion beeinträchtigt oder sogar zerstört werden.
Mit der Drossel 20 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist eine Anordnung beschrieben, die mit deutlich weniger Kernmaterial auskommt als beispielsweise eine einfache stromkompensierte Drossel. Damit kann die Drossel 20 kostengünstiger realisiert werden als eine einfache stromkompensierte Drossel. Zudem kann bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel gleichzeitig der Nachteil einer größeren Resonanzempfindlichkeit der einfachen stromkompensierten Drossel vermieden werden.
6 zeigt ein System 2 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, bei welchem im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel im Zwischenkreis 40 anstelle der Reihenschaltung 42 der Kondensatoren nun im Zwischenkreis 40 eine Reihenschaltung 43 von Kondensatoren zum Einsatz kommt. Die Kondensatoren der Reihenschaltung 43 können als Folien-Kondensatoren ausgestaltet sein.
Die stromkompensierte Drossel 20 und die Reihenschaltung 43 bilden eine Vorrichtung 20, 43.
Bei dem System 2 ist der Mittelpunkt der Reihenschaltung 43 von Kondensatoren, also die Verbindung zwischen den beiden Kondensatoren der Reihenschaltung 43, direkt mit der Hilfswicklung 24 verbunden. Demgegenüber ist bei der Reihenschaltung 42 der Kondensatoren gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel eine Verbindung zwischen den beiden Kondensatoren der Reihenschaltung 43 und der Hilfswicklung 24 über die Systemerde vorhanden.
Dadurch teilt sich bei dem System 2 der Ableitstrom Iab folgendermaßen auf. Ein Teil wird über die Hilfswicklung 24 der stromkompensierten Drossel 20 direkt über die Reihenschaltung 43 der Kondensatoren, welche parallel zum Zwischenkreis-Kondensator 41 angeschlossen sind, in den Zwischenkreis 40 geleitet. Der für die Kompensation dieses Ableitstromes im Zwischenkreis 40 erforderliche Anteil fließt über den Rückführzweig 10.
Die Schaltung des Systems 2 ist jedoch weniger wirksam als die Schaltung von 1, da die Kondensatoren der Reihenschaltung 43 im Zwischenkreis 40 wegen der 150Hz-Anteile bei einer Netzfrequenz von 50 Hz (180Hz bei 60Hz Netzfrequenz) in der Spannung vom Zwischenkreis 40 gegen Erde, deutlich kleiner sein müssen, als diejenigen des Rückführzweiges 10.
7 zeigt ein System 3 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel, bei welchem im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel eine stromkompensierte Drossel 35 zwischen dem Gleichrichter 30 und dem Zwischenkreis 40 und somit ebenfalls vor dem Zwischenkreis 40 vorgesehen ist.
Die stromkompensierte Drossel 35 ist mit zwei Lastwicklungen 351, 352 und einer Hilfswicklung 353 ausgeführt. Die stromkompensierte Drossel 35 und die Reihenschaltung 42 bilden eine Vorrichtung 35, 42.
Das System 3 hat den Vorteil, dass die stromkompensierte Drossel 35 nur zwei Laststromwicklungen, die Lastwicklungen 351, 352, benötigt. Dadurch ist die Vorrichtung 35, 42 mit der stromkompensierten Drossel 35 kostengünstiger als die Vorrichtung 20, 42 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel von 1 und die Vorrichtung 20, 43 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel von 2.
Noch dazu hat das System 3 vorteilhaft in Bezug auf die Ableitstrom-Rückführung in den Zwischenkreis 40 die gleichen guten Eigenschaften wie die Schaltung des Systems 1 von 1.
Jedoch verhält sich das System 3 in Bezug auf die hochfrequenten, leitungsgebundenen Emissionen schlechter als die Schaltung des Systems 1 von 1.
8 zeigt ein System 4 gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel, bei welchem im Unterschied zum dritten Ausführungsbeispiel zusätzlich ein Saugkreis 36 aus einem Kondensator 361 und einer Induktivität 362 vorgesehen ist. Der Saugkreis 36 bildet einen Serien-Schwingkreis. Der Saugkreis 36 ist in Reihe zur Hilfswicklung 353 geschaltet. Hier bilden die stromkompensierte Drossel 35, der Saugkreis 36 und die Reihenschaltung 42 eine Vorrichtung 35, 36, 42.
Aufgrund des Saugkreises 36 können bevorzugt nur einzelne Spektralanteile des Ableitstromes Iab zurückgeführt werden. Dies ist nützlich, wenn ein Betrieb an einem Fehlerstrom-Schutzschalter erfolgen soll und dafür gezielt niederfrequente Ableitstromanteile eliminiert werden sollen. Dann brauchen die hierfür üblicherweise benötigten großen Induktivitäten nur für die in diesem Frequenzbereich kleinen Amplituden ausgelegt werden. Die höherfrequenten, von der Taktfrequenz herrührenden Anteile des Ableitstroms Iab können dann mit vertretbarem Aufwand auf herkömmliche Art und Weise unterdrückt werden.
9 zeigt ein System 5 gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel, bei welchem im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel bei der stromkompensierte Drossel 20 zusätzlich der Saugkreis 36 aus dem Kondensator 361 und der Induktivität 362 vorgesehen ist. Dadurch bilden die stromkompensierte Drossel 20, der Saugkreis 36 und die Reihenschaltung 42 eine Vorrichtung 20, 36, 42.
Somit werden bei dem System 5 die Eigenschaften zum Betrieb an einem Fehlerstrom-Schutzschalter weiter verbessert, die in Bezug auf das vierte Ausführungsbeispiel beschrieben sind.
Alle zuvor beschriebenen Ausgestaltungen der Systeme 1 bis 5, der Drosseln 20, 35, der Reihenschaltung 42, 43 der Kondensatoren und des Verfahrens können einzeln oder in allen möglichen Kombinationen Verwendung finden. Insbesondere können alle Merkmale und/oder Funktionen der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele beliebig kombiniert oder weggelassen werden. Zusätzlich sind insbesondere folgende Modifikationen denkbar.
Die in den Figuren dargestellten Teile sind schematisch dargestellt und können in der genauen Ausgestaltung von den in den Figuren gezeigten Formen abweichen, solange deren zuvor beschriebenen Funktionen gewährleistet sind.
Allen zuvor beschriebenen fünf Ausführungsbeispielen gemeinsam ist der Sachverhalt, dass die Hilfswicklung 24, 353 nur für den Ableitstrom Iab, genauer gesagt den rückführzweigseitigen Ableitstrom Iab_R, ausgelegt werden braucht. Damit genügt für die Hilfswicklung 24, 353 üblicherweise ein Querschnitt von 1,5mm²–2,5mm².
Bei dem ersten bis fünften Ausführungsbeispiel kann die Drossel 20, 35 beispielsweise eine Induktivität von ca. 0,5 mH bis ca. 4mH haben. Zudem können bei allen Ausführungsbeispielen die Kondensatoren 11 bis 14 im Rückführzweig 10 als Folienkondensatoren ausgebildet sein und beispielsweise eine Kapazität von ca. 3,3 μF bis ca. 20 μF haben. Zudem können bei allen Ausführungsbeispielen die Kondensatoren der Reihenschaltungen 42, 43 im Zwischenkreis 40 als Folienkondensatoren ausgebildet sein und beispielsweise eine Kapazität von ca. 330 nF bis ca. 680 nF haben.
Alle Wicklungen 21, 22, 23, 24 in Bezug auf das erste, zweite und fünfte Ausführungsbeispiel sind mit dem gleichen Wicklungssinn aufzubringen, dergestalt, dass eine möglichst geringe Streuinduktivität < 5μH entsteht. Außerdem sind alle Wicklungen 351, 352, 353 in Bezug auf das dritte und vierte Ausführungsbeispiel mit dem gleichen Wicklungssinn aufzubringen, dergestalt, dass eine möglichst geringe Streuinduktivität < 5μH entsteht.
Die zuvor beschriebenen Systeme 1 bis 5 des ersten bis fünften Ausführungsbeispiels sind vorteilhaft bei Antriebssystemen einsetzbar, die als B6-Frontend ausgestaltet sind, also einen dreiphasigen Brückengleichrichter als Gleichrichter 30 aufweisen.
Eine weitere Verbesserung der Vorrichtungen gemäß dem zuvor beschriebenen ersten bis fünften Ausführungsbeispiel ergibt sich bei Verwendung von möglichst verlustarmem Material für den Drosselkern der Drossel 20, 35.
Zudem ergibt sich eine weitere Verbesserung der Vorrichtungen gemäß dem zuvor beschriebenen ersten bis fünften Ausführungsbeispiel durch Verwendung von HF-Litze für die Drosselwicklungen der Drosseln 20, 35.
Es ist auch vorteilhaft, wenn der verbleibende Anschluss der Hilfswicklung 24, 353 der Drossel 20, 35 möglichst niederimpedant mit der Systemerde verbunden wird und zwar sinnvollerweise an der Stelle, an der auch die Abschirmungen der Motorkabel zum Anschluss des elektrischen Motors als Last 60 an den Wechselrichter 50 aufgelegt sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN EN 61800-3 [0003]
DIN EN 61800-3EMV-Grenzwertklasse [0049]
DIN EN 61800-3 [0059]

Claims

Vorrichtung (20, 42; 20; 43; 35, 42; 35, 36, 42; 20, 42, 36) für ein System (1; 2; 3; 4; 5) mit einem Puls-Wechselrichter (50), wobei die Vorrichtung (20, 42; 35, 43) aufweist eine stromkompensierte Drossel (20; 35) zur Ableitung eines Ableitstroms (Iab) am Netzeingang eines Puls-Wechselrichters (50) und zur Rückleitung des Ableitstroms (Iab) in einen Rückführzweig (10) für den Puls-Wechselrichter (50), und eine Reihenschaltung (42; 43) von zwei Kondensatoren, wobei die stromkompensierte Drossel (20; 35) Hauptwicklungen (21, 22, 23; 351, 352) und eine Hilfswicklung (24; 353) hat, wobei die Hauptwicklungen (21, 22, 23; 351, 352) derart angeschlossen sind, dass sie von einem Netzstrom für den Puls-Wechselrichter (50) durchflossen werden, wobei das lastseitige Ende der Hilfswicklung (24; 353) der stromkompensierten Drossel (20; 35) mit der Systemerde verbunden ist und das andere Ende an den Mittelpunkt der Reihenschaltung (42; 43) der zwei Kondensatoren angeschlossen ist oder mit dem Rückführzweig (10) zum Rückführen eines Anteils eines netzseitigen Ableitstroms (Iab_N) an einen Netzanschluss (7) des Systems (1; 2; 3; 4; 5) verbunden ist, und wobei die stromkompensierte Drossel (20; 35) vor einen Spannungszwischenkreis (40) für den Puls-Wechselrichter (50) geschaltet ist.
Vorrichtung (20, 43) nach Anspruch 1, wobei die stromkompensierte Drossel (20) drei Hauptwicklungen (21, 22, 23) und eine Hilfswicklung (24) hat, wobei das andere Ende der Hilfswicklung (24) an den Mittelpunkt der Reihenschaltung (43) von zwei Kondensatoren angeschlossen ist.
Vorrichtung (20, 42; 20, 36, 42) nach Anspruch 1, wobei die stromkompensierte Drossel (20) zwei oder drei Hauptwicklungen (351, 352; 21, 22, 23) und eine Hilfswicklung (353; 24) hat, wobei das andere Ende der Hilfswicklung (353; 24) mit dem Rückführzweig (10) verbunden ist, und wobei die Reihenschaltung (42) von zwei Kondensatoren an ihrem Mittelpunkt mit Systemerde verbunden ist.
Vorrichtung (20, 36, 42; 35, 36, 42) nach Anspruch 3, wobei zwischen das andere Ende der Hilfswicklung (24) und den Rückführzweig (10) ein Saugkreis (36) geschaltet ist, der eine Reihenschaltung aus einem Kondensator (361) und einer Induktivität (362) aufweist.
Vorrichtung (20, 42; 20; 43; 35, 42; 35, 36, 42; 20, 42, 36) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die stromkompensierte Drossel (20; 35) eine Wicklungsanordnung aufweist, bei welcher die Hauptwicklungen (21, 22, 23; 351, 352) und die eine Hilfswicklung (24; 353) den gleichen Wicklungssinn haben, und/oder wobei die Kondensatoren der Reihenschaltung (42; 43) impulsfeste Kondensatoren sind.
Vorrichtung (20, 42; 20; 43; 35, 42; 35, 36, 42; 20, 42, 36) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Hauptwicklungen (21, 22, 23; 351, 352) vom Querschnitt her für den gesamten von der Last (60) gezogenen Laststrom (I_L) ausgelegt sind, und/oder wobei die Hilfswicklung (24; 353) vom Querschnitt her nur für einen Anteil des lastseitigen Ableitstroms (Iab) ausgelegt ist.
System (1; 2; 3; 4; 5), mit einem Netzanschluss (7) zum Versorgen des Systems (1; 2; 3; 4; 5) mit einer dreiphasigen Spannung, einem dreiphasigen Brückengleichrichter (30) mit nachgeschaltetem Zwischenkreis (40) zum Wandeln der netzseitigen Spannung in eine Gleichspannung, um die netzseitige Spannung zu glätten, einem Puls-Wechselrichter (50) zum Anschluss einer elektrisch zu betreibenden Last (60), und einer Vorrichtung (42; 43) nach einem der vorangehenden Ansprüche.
System (1; 2; 3; 4; 5) nach Anspruch 7, wobei das System (1; 2; 3; 4; 5) ein Antriebssystem ist, wobei der Puls-Wechselrichter (50) ein dreiphasiger Wechselrichter ist, und wobei die Last (60) ein elektrischer Motor ist.
System (1; 2; 3; 4; 5) nach einem der Ansprüche 7 oder 8, wobei die stromkompensierte Drossel (20) drei Hauptwicklungen (21, 22, 23) und eine Hilfswicklung (24) aufweist und auf der Netzseite des dreiphasigen Brückengleichrichters (30) vorgesehen ist, oder wobei die stromkompensierte Drossel (35) zwei Hauptwicklungen (351, 352) und eine Hilfswicklung (353) aufweist und auf der Lastseite des dreiphasigen Brückengleichrichters (30) vorgesehen ist.
Verfahren für ein System (1; 2; 3; 4; 5) mit einem Puls-Wechselrichter (50), mit dem Schritt Ableiten, mit einer stromkompensierten Drossel (20; 35), eines Ableitstroms (Iab) am Netzeingang eines Puls-Wechselrichters (50) und Rückleiten des Ableitstroms (Iab) in einen Rückführzweig (10) für den Puls-Wechselrichter (50), wobei die stromkompensierte Drossel (20; 35) Hauptwicklungen (21, 22, 23; 351, 352) und eine Hilfswicklung (24; 353) hat, wobei die Hauptwicklungen (21, 22, 23; 351, 352) derart angeschlossen sind, dass sie von einem Netzstrom für den Puls-Wechselrichter (50) durchflossen werden, und wobei das lastseitige Ende der Hilfswicklung (24; 353) der stromkompensierten Drossel (20; 35) mit der Systemerde verbunden ist und das andere Ende an den Mittelpunkt einer Reihenschaltung (42; 43) von zwei Kondensatoren angeschlossen ist oder mit dem Rückführzweig (10) zum Rückführen eines Anteils eines netzseitigen Ableitstroms (Iab_N) an einen Netzanschluss (7) des Systems (1; 2; 3; 4; 5) verbunden ist, und wobei die stromkompensierte Drossel (20; 35) vor einen Spannungszwischenkreis (40) für den Puls-Wechselrichter (50) geschaltet ist.