DE10310577A1

DE10310577A1 - Nullspannungsfilter für Umrichter mit selbstgeführtem Netzstromrichter (AFE) und Gleichspannungszwischenkreis

Info

Publication number: DE10310577A1
Application number: DE10310577A
Authority: DE
Inventors: Jürgen BIELA; Benno Weis
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2003-03-11
Filing date: 2003-03-11
Publication date: 2004-09-30

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Nullspannungsfilter für Umrichter mit selbstgeführtem Netzstromrichter (AFE) und Gleichspannungszwischenkreis sowie einem Eingangsfilter, bestehend aus einer Längsinduktivität (L1, L2, L3) und einem Kondensator (C2, C3, C4) pro Phasenstrang. Erfindungsgemäß sind der oder die Kondensatoren (C2, C3, C4) des Eingangsfilters mit dem Spannungszwischenkreis und gegebenenfalls der oder die Kondensatoren (C7, C8, C9) eines zusätzlichen, analog zum Eingangsfilter gestalteten Ausgangsfilters mit dem Spannungszwischenkreis oder dem Eingangsfilter durch einen separaten Strompfad (P_Null) verbunden. Somit erhält man einen Nullspannungsfilter für Umrichter mit selbstgeführten Netzstromrichter (AFE) und Gleichspannungszwischenkreis, der ermöglicht, dass sich der Nullstrom innerhalb des Umrichters schließen kann und nicht mehr über parasitäre Kapazitäten fließen muss.

Description

Die Erfindung betrifft ein Nullspannungsfilter für Umrichter mit selbstgeführtem Netzstromrichter (AFE) und Gleichspannungszwischenkreis sowie einem Eingangsfilter, bestehend aus einer Längsinduktivität und einem Kondensator pro Phasenstrang.
Selbstgeführte Netzstromrichter (Aktiv-Front-Ends – AFE) von PWM-Umrichtern erzeugen aufgrund der Schalthandlungen der sechs Schalter prinzipiell eine relativ hohe Nullspannung, welche das Potential des Spannungszwischenkreises gegenüber dem Erd- beziehungsweise Massepotential verschiebt. Diese Nullspannungskomponente gelangt über den Zwischenkreis und den Wechselrichter zum Umrichterausgang und zu dem angeschlossenen Verbraucher, beispielsweise einem Motor. Dies erzeugt bei einem Motor zum einen Probleme bezüglich der EMV und zum anderen verursacht die Nullspannung Lagerströme im Motor, welche die Motorlager beschädigen können. Weiterhin erzeugt auch der Wechselrichter während der Schalthandlungen Nullspannungskomponenten, welche sich mit der Nullspannung vom AFE so überlagern können, dass eine Beschädigung der Motorisolation die Folge sein kann.
Im Nullsystem wirkt das AFE wie eine treppenförmige Spannungsquelle mit einer "Grundfrequenz", die gleich der Modulationsfrequenz ist, und einer Amplitude, die gleich der halben Zwischenkreisspannung ist. Ohne zusätzliche Maßnahmen würde nur eine Induktivität L Null im Nullsystem wirken, das heißt die Nullspannung und den Nullstrom reduzieren beziehungsweise begrenzen, realisiert hauptsächlich durch die Längsinduktivitäten im AFE. Die Nullströme würden sich über parasitäre Kapazitäten und Induktivitäten im Motor und Umrichterausgangskabel schließen. Dabei wirkt die Induktivität wie ein Filter erster Ordnung, wobei die Filterwirkung sehr stark von den diesen parasitären Bauelementen abhängt.
Bisher bekannte Lösungen beruhen auf der Maßnahme, die Nullimpedanz im Kreis, bestehend aus Netz, Gleichrichter/AFE mit Eingangsfilter, Zwischenkreis, Wechselrichter und induktivem Verbraucher möglichst groß zu machen, damit die von der Nullspannung erzeugten Ströme klein werden, das heißt, dass die unerwünschte Nullspannung an den zusätzlich eingefügten Nullimpedanzen, zum Beispiel einer stromkompensierten Drossel, abfällt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Nullspannungsfilter der eingangs genannten Art mit einem neuen Konzept anzugeben.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.

Der Grundgedanke der Erfindung liegt darin, dass dem Nullstrom gezielt ein Strompfad innerhalb des Umrichters zur Verfügung gestellt wird, so dass sich der Nullstrom innerhalb des Umrichters schließen kann und nicht wie bisher über parasitäre Kapazitäten und Induktivitäten fließen muss und sich die Maschen über den Sternpunkt des Versorgungsnetzes schließen müssen.

Nach der Erfindung wird gezielt ein Strompfad zwischen dem oder den Kondensatoren des Eingangsfilters und dem Spannungszwischenkreis und gegebenenfalls zwischen dem oder den Kondensatoren eines zusätzlichen, analog zum Eingangsfilter gestalteten Ausgangsfilters und dem Spannungszwischenkreis oder dem Eingangsfilter in den Umrichter eingefügt, über welchen sich unerwünschte Nullströme schließen können. Damit die Ströme über diesen Pfad nicht zu groß werden, werden in die sem Stromkreis zweckmäßig Nullimpedanzen eingefügt, so dass die Nullspannung an diesen Impedanzen abfällt. Dies geschieht in bevorzugter Weise so, dass die Nullimpedanzen, welche den Strom in dem zusätzlichen Strompfad begrenzen, gleichzeitig die Nullspannung am Umrichterausgang reduzieren.

Bei einem dreiphasigen Stromrichteraufbau kann der separate Strompfad beispielsweise den Mittelpunkt des Spannungszwischenkreises mit dem Sternpunkt der Kondensatoren des Eingangsfilters und/oder des Ausgangsfilters verbinden.

Es ist auch möglich, dass man die Verbindung zum Mittelpunkt des Zwischenkreises weglässt und der separate Strompfad dann die Sternpunkte der Kondensatoren des Eingangsfilters und des Ausgangsfilters verbindet.

Eine weitere, ähnliche Variante dieses Aufbaus ist ein Strompfad, der einen Gleichspannungspol der Stromrichterventile mit dem Sternpunkt der Kondensatoren des Eingangsfilters und/oder Ausgangsfilters verbindet, wobei dann aber ein symmetrischer Aufbau gewählt werden sollte, das heißt für jede Polseite ein Satz Kondensatoren des Eingangs-/Ausgangsfilters vorhanden ist.

Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:
1 eine erste Variante des separaten Nullstrompfades an einem AFE;
2 ein Ersatzschaltbild des AFEs mit Eingangsfilter im Nullsystem;
3 eine zweite Variante des separaten Nullstrompfades an einem AFE;
4 einen separaten Nullstrompfad analog 1 zum Eingangs- und zum Ausgangsfilter;
5 eine alternative Variante zum Nullstrompfad gemäß 4 und
6 eine weitere alternative Variante an einem AFE.
Eine erste Ausführungsvariante ist in 1 dargestellt, wo ein AFE mit Eingangsfilter und einem zusätzlichen Nullstrompfad P Null abgebildet ist. Der AFE wird durch die sechs abschaltbaren Leistungs-Halbleiterschalter IGBT1 bis IGBT6 (insulated gate bipolar transistor – IGBT) gesteuert, die vom Netz mit den Netzspannungen E1, E2, E3 versorgt werden.
Das Eingangsfilter besteht dabei aus den für die Funktion des AFE ohnehin nötigen Induktivitäten L1, L2 und L3 und den Kondensatoren C2, C3 und C4. Das Eingangsfilter wirkt – vom AFE aus gesehen – wie ein Tiefpass und filtert die rechteckförmigen Spannungsblöcke, die am Eingang des AFEs entstehen, damit die Netzspannung E1, E2, E3 nicht zu stark verzerrt wird. Der Nullstrompfad P Null, über welchen sich die Nullströme schließen können, beginnt am Sternpunkt, der durch die Kondensatoren C2, C3 und C4 gebildet wird, und führt über einen Kondensator C6 zum Mittelpunkt eines Spannungszwischenkreises, der aus den Kondensatoren C1 und C5 gebildet wird.
Mit Hilfe des Nullstrompfades P Null wird ein Filter zweiter Ordnung aufgebaut und die Nullströme können sich innerhalb des Umrichters schließen, wie auch 2 in einem einfachen Ersatzschaltbild zeigt. Überdies ist die am Umrichterausgang auftretende Nullspannung erheblich weniger von den erwähnten parasitären Elementen abhängig und wird gezielt durch das Filter zweiter Ordnung reduziert. Beim Filter erster Ordnung, das heißt ohne den erfindungsgemäßen Nullstrompfad P Null, ergäbe sich nur ein Nullspannungsteiler aus der Induktivität L Null und den parasitären Elementen am Umrichterausgang, das heißt, die Nullspannung würde nur mit Hilfe der externen parasitären Elemente reduziert.
Neben dem AFE wirkt auch noch der Wechselrichter WR mit seinen Halbleiterschaltern IGBT11 bis IGBT61 als Nullspannungsquelle. Diese Nullspannung kann auf ähnliche Weise durch ein Ausgangsfilter gefiltert werden. Wie 4 zeigt, kann so ein Nullstrompfad P Null zwischen Eingangsfilter, Spannungszwischenkreis und Ausgangsfilter aufgebaut werden. Das Ausgangsfilter wird aus den Kondensatoren C7, C8, C9 und den Induktivitäten L4, L6, L6 gebildet.
Gibt man einen Freiheitsgrad bei der Dimensionierung des Nullspannungsfilters auf, so kann der Nullstrompfad P Null auch realisiert werden, indem der Kondensator C6 weggelassen und der Mittelpunkt des Spannungszwischenkreises direkt mit dem Sternpunkt des Eingangsfilters verbunden wird, wie das 3 zeigt.
Diese Realisierung hat allerdings den Nachteil, dass die Filtercharakteristik des Nullspannungsfilters fest durch das Eingangsfilter des AFEs vorgegeben ist, wenn die Kondensatoren C1 und C5 sehr groß sind im Vergleich zu den restlichen Kondensatoren, was der Fall ist, wenn die Kondensatoren C1 und C5 die Zwischenkreiskondensatoren bilden.
Dieser Nachteil tritt nicht auf bei einer dritten Ausführungsform, wenn die Kondensatoren C1 und C5 relativ klein sind (zum Beispiel Folienkondensatoren), so dass mit ihnen die Filtercharakteristik des Nullspannungsfilters eingestellt werden kann. Dazu parallel würden sich dann die Zwischenkreiskondensatoren (gewöhnlich Elektrolytkondensatoren) befinden (nicht gezeigt).
Erhöht man die Schaltfrequenz des AFEs, so reduziert sich die Baugröße der Filterbauelemente. Damit durch die erhöhte Schaltfrequenz die Schaltverluste nicht zu sehr ansteigen, kann man für die elektronischen Schalter zum Beispiel SiC-Bauelemente (SiC-Schottky-Dioden, SiC-Jfets, etc.) einsetzen.
Die kleineren Filterbauelemente würden eine Realisierung der Filtertopologie vereinfachen und kostengünstiger machen.
Dabei ist es auch möglich, dass man die Verbindung zum Mittelpunkt des Zwischenkreises weglässt, wie in 5 dargestellt ist. In diesem Falle schließen sich die Nullströme über den Wechselrichter WR, das Ausgangsfilter und zurück über den hinzugefügten Nullstrompfad P Null. Dabei ist anzumerken, dass sich bei einer Verbindung des Nullstrompfades P Null mit dem Spannungszwischenkreis, wie dies in 4 dargestellt ist, die Nullströme auf kürzerem Wege schließen, das heißt nicht über den Wechselrichter WR und Ausgangsfilter. Andererseits fällt im Falle der Verbindung wie sie in 5 dargestellt ist, zusätzlich über der Nullimpedanz des Wechselrichters WR und der Nullimpedanz des Ausgangsfilters ein Teil der Nullspannung ab, welche vom AFE erzeugt wird, so dass sich die Nullspannung am Umrichterausgang weiter reduziert.
In 6 ist noch eine weitere Variante an einem AFE gezeigt. Hier verbinden zwei Strompfade P Null jeweils einen Gleichspannungspol der Stromrichterventile IGBT1 bis IGBT6 mit dem Sternpunkt der Kondensatoren C2, C3, C4 und C11, C12, C13 des Eingangsfilters, wobei hier ein symmetrischer Aufbau des Eingangsfilters gewählt wurde.

Claims

Nullspannungsfilter für Umrichter mit selbstgeführtem Netzstromrichter (AFE) und Gleichspannungszwischenkreis sowie einem Eingangsfilter, bestehend aus einer Längsinduktivität (L1, L2, L3) und einem Kondensator (C2, C3, C4) pro Phasenstrang, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Kondensatoren (C2, C3, C4) des Eingangsfilters mit dem Spannungszwischenkreis und gegebenenfalls der oder die Kondensatoren (C7, C8, C9) eines zusätzlichen, analog zum Eingangsfilter gestalteten Ausgangsfilters mit dem Spannungszwischenkreis oder dem Eingangsfilter durch einen separaten Strompfad (P Null) verbunden sind.
Nullspannungsfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem separaten Strompfad (P Null) mindestens eine Impedanz (C6, C10) angeordnet ist.
Nullspannungsfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der separate Strompfad (P Null) den Mittelpunkt des Spannungszwischenkreises mit dem Sternpunkt der Kondensatoren (C2, C3, C4; C7, C8, C9) des Eingangsfilters und/oder Ausgangsfilters verbindet.
Nullspannungsfilter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der separate Strompfad (P Null) die Sternpunkte der Kondensatoren (C2, C3, C4; C7, C8, C9) des Eingangsfilters und des Ausgangsfilters verbindet.
Nullspannungsfilter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der separate Strompfad mindestens einen Gleichspannungspol der Stromrichterventile (IGBT1 bis IGBT6; IGBT11 bis IGBT61) mit dem Sternpunkt der Kondensatoren (C2, C3, C4; C7, C8, C9) des Eingangsfilters und/oder Ausgangsfilters verbindet.