DE102018116032B4 - Leistungselektronikeinrichtung - Google Patents

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Abstract

Leistungselektronikeinrichtung, die eine Netzseite (L1, L2, L3) aufweist, die mit einer Kondensatorbank (2) verbunden ist, wobei die Kondensatorbank (2) über einen Schalter (4) mit Masse (3) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungselektronikeinrichtung mit dem Schalter (4) an verschiedene Arten von Netzen anpassbar ist, der bei Speisung der Leistungselektronikeinrichtung durch ein geerdetes, sternförmig gekoppeltes Netz geschlossen ist und bei Speisung der Leistungselektronikeinrichtung durch ein delta- oder IT-Netz offen ist, wobei ein Varistor (5) parallel zu dem Schalter (4) geschaltet ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leistungselektronikeinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Eine derartige Leistungselektronikeinrichtung ist beispielsweise aus US 2002 / 0 070 821 A1 bekannt.
  • Die Leistungselektronikeinrichtung kann beispielsweise in Form eines Frequenzumrichters ausgebildet sein. Ein Frequenzumrichter umfasst eine Gleichrichterstufe, einen Gleichstromzwischenkreis und eine Wechselrichterstufe.
  • US 4 831 487 A zeigt einen Reaktorschalter für ein elektrisches Netz mit einer Hochspannungsleitung und mit einem Hochspannungsreaktor. Hier sollen bei extremen Schaltfällen Steilheiten von möglicherweise am Reaktor auftretenden hochfrequenten Rückzündschwingungen bei vergleichsweise geringer Energieabsorbtion begrenzt werden können.
  • DE 93 20 030 U1 zeigt ein elektromagnetisches Signalgerät, also eine Hupe, die Entstörmittel aufweist, die beispielsweise als Varistor ausgebildet sein können.
  • US 4 475 139 A zeigt eine Thyristor-geschaltete Kondensatoranordnung mit einer Kondensatorbank, die in Reihe mit einer Induktivität geschaltet ist. Eine Reihenschaltung von drei Paaren von entgegengesetzt gerichteten Gleichrichtern verbindet zwei Anschlüsse. Jedem Paar von Gleichrichtern ist ein Varistor sowie eine Reihenschaltung aus einem Kondensator und einem Widerstand parallelgeschaltet. Weiterhin kann zwischen dem Anschluss und einem Punkt zwischen der Kondensatorbank und der Induktivität ein weiterer Varistor angeordnet sein.
  • EP 0 182 590 A2 beschreibt einen Var Generator mit einer gesteuerten Entladung von Kapazitäten, die durch gesteuerte Thyristoren erfolgt. Hierzu ist eine Kapazität in Reihe mit einer Induktivität und einem Paar von in entgegengesetzte Richtungen öffnende Thyristoren geschaltet. Parallel zu den Thyristoren ist eine nicht lineare Spannungsklemmvorrichtung angeordnet, die als Varistor oder Überspannungsableiter ausgebildet sein. Die geschilderte Reihenschaltung ist zwischen zwei Anschlüssen eines Wechselstromnetzes geschaltet.
  • US 2017 / 0 302 165 A1 zeigt Drossel- und EMI-Filterschaltungen für Leistungsfaktorkorrekturschaltungen mit einer Kondensatorbank, die sternförmig geschaltete Kondensatoren und Differentialmodus-Varistoren zwischen Phasen aufweist.
  • In jedem Fall muss eine derartige Leistungselektronikeinrichtung gegenüber Überspannungen aus dem Netz geschützt sein. Zu diesem Zweck ist es bekannt, Varistoren als Überspannungsableiter zu verwenden. Für die Robustheit der Leistungselektronikeinrichtung ist zumindest ein Schutz gegen differentielle Überspannungen notwendig, d.h. gegenüber Überspannungen zwischen Phasen. Es ist ein zusätzlicher Schutz gegen Gleichtakt-Überspannungen erforderlich, d.h. gegenüber Überspannungen zwischen einer Phase und Erde.
  • Es sollte möglich sein, Leistungselektronikeinrichtung in unterschiedlichen Arten von Netzen einzusetzen. Eine Art von Netz ist ein sternförmig gekoppeltes Netz und eine andere Art von Netz ist ein delta-gekoppeltes Netz. Andere Arten von Netzen sind möglich.
  • Die verschiedenen Arten von Netzen erfordern unterschiedliche Überspannungsfestigkeiten. Die meisten Leistungselektronikeinrichtungen, wie Frequenzumrichter, sind für den Betrieb in jeder Netzkonfiguration ausgelegt. Dies setzt voraus, dass die Kondensatorbank den höchsten Überspannungswerten standhalten kann. Dies trägt zu den Kosten der Leistungselektronikeinrichtung bei.
  • Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe ist es, eine Leistungselektronikeinrichtung zu haben, die in verschiedenen Arten von Netzen verwendet werden kann.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Leistungselektronikeinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
  • Der Schalter wird verwendet, um die Leistungselektronikeinrichtung an verschiedene Arten von Netzen anzupassen. Wenn die Leistungselektronikeinrichtung durch ein geerdetes, sternförmig gekoppeltes Netz gespeist wird, ist der Schalter geschlossen. In dieser Stufe besteht die geringste Anforderung für die Überspannungsfestigkeit. Wenn die Leistungselektronikeinrichtung jedoch von einem delta- oder IT-Netz gespeist wird, ist der Schalter offen. In dieser Stufe befindet sich die Kondensatorbank in Reihe mit dem Varistor, wodurch die Überspannungsfestigkeit der Reihenschaltung auf die volle Überspannungsfestigkeit erhöht wird.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung ist der Varistor ein Metalloxidvaristor.
    Ein Metalloxidvaristor kann mit MOV abgekürzt werden. Ein Metalloxidvaristor hat eine relativ steile Kennlinie, die von der Betriebsspannung ausgeht.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung ist der Varistor so bemessen, dass er leitfähig wird, bevor eine Spannung über dem Varistor eine zulässige Spannung über dem Schalter überschreitet. Dementsprechend kann eine zu hohe Spannung über den Schalter vermieden werden. Eine derartige Überspannung über den Schalter würde einen elektrischen Lichtbogen erzeugen mit dem Risiko, dass der Schalter zerstört wird.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung bilden der Varistor im leitenden Zustand und die Kondensatorbank einen Spannungsteiler, wobei der Varistor eine Spannung über die Kondensatorbank auf ein zulässiges Maß begrenzt. Der Varistor wird leitend, wenn eine bestimmte Spannung überschritten wird. Der Varistor zeigt jedoch noch einen Widerstand, der einen bestimmten Spannungsabfall erzeugt. Nur der Unterschied zwischen dem Spannungsabfall und der Überspannung wird an die Kondensatorbank angelegt. Die Kondensatorbank kann auf eine geringere Überspannungsfestigkeit ausgelegt werden.
  • In einer Ausführungsform ist der Schalter ein platinenmontiertes Relais. Dementsprechend kann der Schalter relativ klein sein mit einem entsprechend kleinen Abstand zwischen den Kontakten im offenen Zustand. Dies ist möglich, weil die Spannung über den Schalter mit Hilfe des Varistors begrenzt werden kann.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung weist die Kondensatorbank eine Anordnung von sternförmig verbundenen Kondensatoren auf. Dementsprechend ist der Varistor zwischen einem Sternpunkt zwischen den Kondensatoren und Erde geschaltet.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung sind Differentialmodus-Varistoren zwischen den Phasen geschaltet. Diese Varistoren sind an der Eingangs- oder Netzseite zum differentiellen Überspannungsschutz angeordnet.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung ist der Schalter ein elektronisch konfigurierbares Relais. Auf diese Weise kann der Schalter an verschiedene Konfigurationen der Leistungselektronik angepasst werden.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Netzseite mit einer passiven Gleichrichterstufe verbunden. Die passive Gleichrichterstufe kann nicht gesteuert werden, so dass es nicht möglich ist, die passive Gleichrichterstufe als Mittel zum Schutz vor Überspannungen zu verwenden.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Leistungselektronikeinrichtung ein Frequenzumrichter. Ein Frequenzumrichter weist eine Gleichrichterstufe, einen Gleichstromzwischenkreis und eine Wechselrichterstufe auf. Ein derartiger Frequenzumrichter kann in jeder Konfiguration betrieben werden.
  • Eine Ausführungsform der Erfindung wird nun genauer unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben, worin:
    • Die einzige Fig. schematisch den Schaltplan einer Leitungselektronikeinrichtung in Form eines Frequenzumrichters zeigt.
  • Eine Leistungselektronikeinrichtung in Form eines Frequenzumrichters 1 weist eine Netzseite L1, L2, L3 auf, die mit einer Kondensatorbank 2 verbunden ist. Die Kondensatorbank 2 ist über einen Schalter 4 mit Masse 3 verbunden. Die Kondensatorbank weist eine Anordnung von sternförmig gekoppelten Kondensatoren auf, genauer gesagt eine Kapazität zwischen jeder Phase und einem Mittelpunkt. Der Schalter 4 ist zwischen dem Mittelpunkt und Erde 3 angeordnet. Jede Kapazität kann durch einen einzelnen Kondensator oder durch eine Reihen- oder Parallelschaltung von zwei oder mehr Kondensatoren gebildet werden.
  • Ein Varistor 5 ist parallel zu dem Schalter 4 geschaltet. Der Varistor 5 ist vorzugsweise in Form eines Metalloxidvaristors.
  • Der Varistor 5 ist eine elektronische Komponente mit einem elektrischen Widerstand, der mit der angelegten Spannung variiert. Bei niedriger Spannung hat er einen hohen elektrischen Widerstand, der mit zunehmender Spannung abnimmt.
  • Dementsprechend wird der Varistor 5 bei Auftreten einer Gleichtaktüberspannung leitfähig.
  • Der Varistor 5 ist so dimensioniert, dass er leitfähig wird, bevor eine Spannung über dem Varistor eine zulässige Spannung über den Schalter 4 übersteigt. Dementsprechend kann die Spannung über dem Schalter begrenzt werden, um einen Lichtbogen über die Kontakte des Schalters zu vermeiden.
  • Zusätzlich bilden die Kondensatorbank und der Varistor in dem leitenden Zustand einen Spannungsteiler. Ein gewisser Spannungsabfall tritt über den Varistor 5 auf. Somit wird die Kondensatorbank 2 nicht durch die volle Überspannung belastet, sondern nur durch die volle Überspannung minus den Spannungsabfall über den Varistor 5. Somit kann die Spannung über die Kondensatorbank ebenfalls begrenzt werden, so dass das Risiko einer Überlastung der Kondensatorbank vermindert wird.
  • Der Schalter 4 kann ein platinenmontiertes Relais sein, das elektronisch konfigurierbar ist, wie in US 2002 / 0 070 821 A1 beschrieben.
  • Die Anordnung von zusätzlichen Varistoren 6, 7, 8 bildet einen Differentialmodus-Überspannungsschutz. Zu diesem Zweck sind die Varistoren 6, 7, 8 zwischen den Phasen und einem gemeinsamen Sternpunkt 9 geschaltet.
  • Die Netzseite des Frequenzumrichters 1 ist mit einer passiven Gleichrichterstufe 10 verbunden. Die Gleichrichterstufe ist mit einem passiven Gleichrichter dargestellt. Es ist jedoch möglich, auch einen aktiven Gleichrichter zu verwenden. Die Gleichrichterstufe 10 ist mit einem Gleichspannungszwischenkreis 11 mit einer positiven Schiene 12 und einer negativen Schiene 13 verbunden. Ein Differentialmodus- Varistor 14 ist zwischen der positiven Schiene 12 und der negativen Schiene 13 geschaltet. Der Differentialmodus-Varistor 14 ist parallel zu einem Kondensator Cd geschaltet.
  • Der Gleichstromzwischenkreis kann weiterhin zwei Induktivitäten Ldc umfassen, eine in der positiven Schiene 12 und eine in der negativen Schiene 13. Gleichstromzwischenkreiskondensatoren Cdc können in Reihe zwischen der positiven Schiene 12 und der negativen Schiene 13 geschaltet sein. Sie können in Reihe mit einem Widerstand 15 geschaltet sein, der durch ein Einschaltrelais überbrückt wird. Andere Ausführungsformen eines Gleichstromzwischenkreises sind möglich.
  • Der Gleichstromzwischenkreis ist mit einer Wechselrichterstufe 17 verbunden, die eine Anzahl von gesteuerten Schaltern aufweist, beispielsweise in Form von Halbleiterschaltern, wie IGBT oder GTO. Die Eingangsseite der Umrichterstufe ist mit einer Kapazität Cc verbunden.
  • Weiterhin kann ein Transistor 18 in Reihe mit einer Diode 19 zwischen der positiven Schiene 12 und der negativen Schiene 13 geschaltet sein. Diese Elemente sind jedoch optional.
  • Wenn der Frequenzumrichter 1 von einem geerdeten, sternförmig gekoppelten Netz mit der niedrigsten Anforderung an die Überspannungsfestigkeit gespeist wird, ist der Schalter 4 geschlossen. Die Kondensatorbank 2 kann für eine reduzierte Überspannungsfestigkeit ausgelegt werden.
  • Wenn der Frequenzumrichter 1 durch ein Deltanetz gespeist wird, ist der Schalter 4 offen. In diesem Zustand ist die Kondensatorbank 2 in Reihe mit dem Varistor 5, was die Überspannungsfestigkeit der Reihenschaltung auf die volle Überspannungsfestigkeit erhöht. Darüber hinaus stellen die in Reihe geschalteten Varistoren Dämpfung in der Erdschleife bereit, was sicherstellt, dass Gleichtaktüberspannung von der Netzseite L1, L2, L3 sich wegen der LC Resonanz nicht weiter in noch höhere Spannungspegel entwickelt.

Claims (10)

  1. Leistungselektronikeinrichtung, die eine Netzseite (L1, L2, L3) aufweist, die mit einer Kondensatorbank (2) verbunden ist, wobei die Kondensatorbank (2) über einen Schalter (4) mit Masse (3) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungselektronikeinrichtung mit dem Schalter (4) an verschiedene Arten von Netzen anpassbar ist, der bei Speisung der Leistungselektronikeinrichtung durch ein geerdetes, sternförmig gekoppeltes Netz geschlossen ist und bei Speisung der Leistungselektronikeinrichtung durch ein delta- oder IT-Netz offen ist, wobei ein Varistor (5) parallel zu dem Schalter (4) geschaltet ist.
  2. Leistungselektronikeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Varistor (5) ein Metalloxidvaristor ist.
  3. Leistungselektronikeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Varistor (5) so dimensioniert ist, dass er leitfähig wird, bevor eine Spannung über den Varistor (5) eine zulässige Spannung über den Schalter (4) überschreitet.
  4. Leistungselektronikeinrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Varistor (5) im leitenden Zustand und die Kondensatorbank (2) einen Spannungsteiler bilden, wobei der Varistor (5) eine Spannung über die Kondensatorbank (2) auf ein zulässiges Maß begrenzt.
  5. Leistungselektronikeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter (4) ein platinenmontiertes Relais ist.
  6. Leistungselektronikeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kondensatorbank (2) eine Anordnung von sternförmig geschalteten Kondensatoren aufweist.
  7. Leistungselektronikeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Differentialmodus-Varistoren (6, 7, 8) zwischen Phasen geschaltet sind.
  8. Leistungselektronikeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Schalter (4) ein elektronisch konfigurierbares Relais ist.
  9. Leistungselektronikeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Netzseite mit einer passiven Gleichrichterstufe (10) verbunden ist.
  10. Leistungselektronikeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Frequenzumrichter (1) ist.
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