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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Begrenzung von auftretenden
Potenzialverschiebungen eines Zwischenkreises eines Gleichspannungszwischenkreis-Umrichters,
der netzseitig einen selbstgeführten
Stromrichter aufweist, mit zwei elektrisch in Reihe geschalteten
Dioden, die in Flussrichtung von einer negativen zu einer positiven
Zwischenkreisschiene angeordnet sind, und mit einem Mittelabgriff,
der ein Verbindungspunkt der beiden in Reihe geschalteten Dioden
ist.
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Die
Wicklung von Motoren wird bei Speisung mittels Spannungszwischenkreis-Umrichter
durch die schaltende Arbeitsweise des lastseitigen Stromrichters
besonders belastet. Dabei überlagern
sich verschiedene Effekte:
Im einfachsten Fall, wenn man den
Zwischenkreis als ideal geerdet voraussetzt, z.B. wenn der Mittelpunkt des
Zwischenkreises fest auf Erdpotenzial liegt, beträgt der Spitzenwert
der Motorspannung gegen Erde an der Klemme des Motors 1/2UZK.
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Durch
Reflexion aufgrund von langen Motorzuleitungen verdoppeln sich die
Spannungssprünge am
Motor. Der theoretische Maximalwert der Spannung beträgt dann
kurzzeitig 3/2UZK.
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Normalerweise
ist der Zwischenkreis nicht geerdet. Außerdem besitzen sowohl die
Motorzuleitungen als auch der Motor parasitäre Kapazitäten, die gegen Erdpotenzial
geerdet sind. Die Verschiebung des Potenzials eines Mittelabgriffs
des Zwischenkreises eines Gleichspannungszwischenkreis-Umrichters
ist dann zu den oben beschriebenen Ergebnissen zu addieren.
- a) Erfolgt die Einspeisung netzseitig über einen Diodengleichrichter,
auch als netzgeführter Stromrichter
bezeichnet, so beträgt
das (fiktive) Mittelpunktspotenzial des Zwischenkreises bei idealisierter
Betrachtung (nicht lückender
Strom und symmetrisch auf Plus- und Minusschiene verteilte Zwischenkreisdrosseln)
nur maximal 1/4 des Scheitelwertes der Netzstrangspannung.
- b) Bei lückendem
Strom ist die Verschiebung begrenzt auf die Hälfte der Differenz zwischen
Zwischenkreisspannung und dem Scheitelwert der Netzstrangspannung;
was ungefähr
dem gleichen Wert wie unter Punkt a) entspricht.
- c) Bei Speisung mittels eines selbstgeführten netzseitigen Stromrichters,
auch als getaktete Einspeisung bezeichnet, hängt die maximale Verschiebung
von der Betriebsweise ab:
– Bei
Blockstrombetrieb ist immer jeweils eine Phase stromlos; die Verschiebung
entspricht – je nach
Schaltzustand – der
unter Punkt a) oder b).
– Bei
Sinusbetrieb des selbstgeführten
netzseitigen Stromrichters erzwingt der Umrichter bei idealisierter
Betrachtung je nach Schaltzustand eine Verschiebung von +/–UZK/6 oder +/–UZK/2.
Während
eines Modulationsintervalls werden abhängig vom Modulationsverfahren
alle Potenziale durchlaufen.
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Zweck
der Erfindung ist die Verminderung der Spannungsbeanspruchung der
Isolation (Leiter gegen Erde) in Systemen mit Spannungszwischenkreis-Umrichter
mit netzseitig selbst- oder netzgeführtem Stromrichter, beispielsweise
die Verringerung der maximalen Leiter-Erde-Spannung von Motoren
bei drehzahlveränderbaren
Antrieben.
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Beim
Betrieb mit getakteter Einspeisung (siehe Punkt c)) wird bei realen
Anlagen die Verschiebung dadurch erhöht, dass bei jeder Änderung
des Schaltzustandes des netzseitigen selbstgeführten Stromrichters des Gleichspannungszwischenkreis-Umrichters das neue
Potenzial des Mittelabgriffs mit einem Einschwingvorgang eingenommen wird.
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Aufgrund
von Drosseln in der Netzzuleitung und von parasitären Erdkapazitäten des
Zwischenkreises, des Kabels zwischen Umrichter und Motor und des
Motors kommt es zu Schwingungen um das neue Mittelpunktspotenzial.
Dadurch werden die Verschiebungen – und damit die Spannungsbeanspruchung
der Leiter-Erde-Isolationen – kurzzeitig
noch einmal größer. Zusätzlich können sich
auch diese Schwingungen in ihrer Wirkung aufgrund der Spannungsreflexion
am Motor noch einmal verdoppeln.
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Überschreitet
der Spitzenwert der Leiter-Erde-Spannung am Motor die Glimmeinsatzspannung der
Wicklung, so kommt es zu Teilentladung in der Isolation und damit
zur vorzeitiger Alterung bis hin zum Ausfall des Motors.
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Für das beschriebene
Problem gibt es mehrere bekannte Lösungsansätze:
- – Ertüchtigung
der Motorisolation:
– Eine
solche Sonderisolierung verursacht jedoch höhere Kosten, die unerwünscht sind.
- – Verhindern
der Spannungsreflexion am Motor:
– Am Umrichterausgang wird
beispielsweise eine Drossel, ein du/dt-Filter oder ein Sinusfilter
angeschlossen. Diese Maßnahmen
verursachen aber ebenfalls Kosten und Verluste und erhöhen das Volumen
des Umrichters.
- – Filter
an den Motorklemmen:
– Dadurch
steigen jedoch der Installationsaufwand und die Verluste an.
- – Zweite
Motorleitung:
– Dies
erhöht
ebenfalls den Installationsaufwand.
- – Betrieb
der Einspeisung ausschließlich
in Blockstrommodus:
– Dadurch
werden jedoch unerwünschte
Netzrückwirkungen
erzeugt.
- – Stromkompensierte
Drossel mit transformatorischer Dämpfung in der Netzzuleitung:
– Auch durch
diese Maßnahmen
steigen die Kosten und Verluste des Stromrichters.
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Eine
gattungsgemäße Vorrichtung
ist aus der älteren
nationalen Patentanmeldung mit dem amtlichen Aktenzeichen 102 04
040.0 bekannt. Bei dieser gattungsgemäßen Vorrichtung ist der Mittelabgriff
mittels eines spannungsbegrenzenden Mittels mit einem Erdpotenzial
elektrisch leitend verbunden. Voraussetzung für diese gattungsgemäße Vorrichtung
ist, dass eine solche Verbindung zulässig ist. Dies ist z.B. bei
IT-Netzen nicht
gegeben. Außerdem müsste diese
Verbindung die Isolationsprüfung
des Umrichters überstehen,
was im Widerspruch zur eigentlichen Funktion dieser gattungsgemäßen Vorrichtung,
nämlich
der Begrenzung einer möglichen Spannung
zur Erde, steht.
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Der
Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, die gattungsgemäße Vorrichtung
derart weiterzubilden, dass eine Verlagerung eines MittelpunktsPotenzials
eines Zwischenkreises eines Gleichspannungszwischenkreis-Umrichters
mit einem netzseitigen selbstgeführten
Stromrichter begrenzt wird, ohne dass eine Verbindung mit dem Erdpotenzial
benötigt
wird.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den
kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 in Verbindung mit den
gattungsgemäßen Merkmalen des
Anspruchs 1 gelöst.
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Dadurch,
dass ein Mittelabgriff elektrisch leitend mit einem Sternpunkt eines
netzseitigen Sternpunktbildners verbunden ist, der eingangsseitig
jeweils mit den Phasen des speisenden Netzes verknüpft ist,
wird das Erdpotenzial für
die Vorrichtung zur Begrenzung auftretender Potenzialverschiebungen
nicht mehr benötigt.
Dadurch ist diese erfindungsgemäße Vorrichtung
auch bei IT-Netzen funktionsfähig.
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Bei
einer vorteilhaften Ausführungsform
dieser erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist in der Verbindungsleitung zwischen dem Mittelabgriff und dem Sternpunkt
des netzseitigen Sternpunktbildners ein spannungsbegrenzendes Mittel
geschaltet. Dadurch werden angeregte Einschwingvorgänge eines
Mittelpunktpotenzials begrenzt.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist innerhalb des Sternpunktbildners das spannungsbegrenzende Mittel
geschaltet. Dadurch wirkt das spannungsbegrenzende Mittel beim Zuschalten
der Netzspannung strombegrenzend und Resonanzen zwischen der Netzinduktivität und dem
Sternpunktbildner werden gedämpft.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
bei dem das spannungsbegrenzende Mittel in den Sternpunktbildner
verlagert worden ist, ist sein Sternpunkt mittels eines Widerstandes
mit einem Neutralleiter des speisenden Netzes elektrisch leitend
verbunden. Dadurch wird die Verlagerung des Sternpunktes für den Fall
in Grenzen gehalten, dass das Mittelpunktpotenzial des Zwischenkreises
eines Gleichspannungszwischenkreis-Umrichters mehrfach nacheinander
an der gleichen Seite anstößt.
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Diese
Verlagerung des Sternpunktes kann auch dadurch verhindert werden,
dass als Sternpunktbildner mehrere in Stern geschaltete Kondensatoren
vorgesehen sind, denen jeweils ein Widerstand elektrisch parallel
geschaltet ist.
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Es
ist vorteilhaft, wenn ein passives elektrisches Bauelement mit nichtlinearer
Charakteristik oder ein Netzwerk als spannungsbegrenzendes Mittel
vorgesehen ist. Welche Bauelemente für ein spannungsbegrenzendes
Mittel verwendet werden können,
ist den Unteransprüchen
7 bis 12 zu entnehmen.
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Zur
weiteren Erläuterung
wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der mehrere Ausführungsformen
der erfindungsgemäßen Vorrichtung schematisch
veranschaulicht sind.
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1 zeigt eine Vorrichtung
nach der Erfindung in einem Gleichspannungszwischenkreis-Umrichter,
die
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2 zeigt eine erste vorteilhafte
Ausführungsform
der Vorrichtung nach 1,
wogegen die
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3 eine zweite vorteilhafte
Ausführungsform
der Vorrichtung nach 1 zeigt,
die
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4 zeigt eine vorteilhafte
Ausführungsform
der Vorrichtung nach 3,
wobei in der
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5 eine weitere vorteilhafte
Ausführungsform
der Vorrichtung nach 3 veranschaulicht
ist, in der
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6 sind verschiedene elektrische
Bauelemente mit nichtlinearer Charakteristik dargestellt, wobei
in der
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7 verschiedene Netzwerke
für ein
spannungsbegrenzendes Mittel veranschaulicht sind, und die
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8 zeigt eine Ausführungsform
der Vorrichtung nach 5 mit
einem Netzwerk nach 7.
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In
der 1 ist ein Grundprinzip
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Begrenzung auftretender Potenzialverschiebungen eines Zwischenkreises 8 eines
Gleichspannungszwischenkreis-Umrichters 2 näher dargestellt.
Dieser Gleichspannungszwischenkreis-Umrichter 2 weist netzseitig
einen selbstgeführten
Stromrichter 4 und lastseitig ebenfalls einen selbstgeführten Stromrichter 6 auf.
Diese beiden selbstgeführten
Stromrichter 4 und 6 sind gleichspannungsseitig
mittels eines Gleichspannungs-Zwischenkreises 8 miteinander
elektrisch leitend verbunden. Dieser Gleichspannungs-Zwischenkreis 8 weist zwei
elektrisch in Reihe geschaltete Kondensatoren 10 und 12 mit
einem Mittelabgriff 14 auf. Die Zwischenkreisspannung UZK, die dieser Gleichspannung-Zwischenkreis 8 aufweist,
wird vom netzseitigen selbstgeführten
Stromrichter 4 aus einer Netzspannung UN eines
speisenden Netzes 16 generiert. Am Ausgang des lastseitigen
selbstgeführten
Stromrichters 6 ist eine Drehfeldmaschine 18 mittels
einer Motorzuleitung 20 angeschlossen. Der netzseitig selbstgeführte Stromrichter 4 ist
mittels Netz-Drosseln 22 mit den Phasen R, S und T des
speisenden Netzes 16 elektrisch leitend verbunden. Zwischen dem
Mittelabgriff 14 der Zwischenkreiskondensatoren 10 und 12 und
einem Erdpotenzial 24 tritt ein Mittelpunktspotenzial UMP auf, das annähernd Null Volt haben sollte.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Begrenzung von Verlagerung des Mittelpunktspotenzials UMP weist zwei elektrisch in Reihe geschaltete
Dioden 26 und 28 und einen netzseitigen Sternpunktbildner 30 auf.
Der Sternpunkt 32 des netzseitigen Sternpunktbildners 30 ist
elektrisch leitend mit einem Verbindungspunkt 34 der beiden
elektrisch in Reihe geschalteten Dioden 26 und 28 verbunden.
Diese beiden elektrisch in Reihe geschalteten Dioden 26 und 28 sind
in Flussrichtung von einer negativen zu einer positiven Zwischenkreisschiene 36 und 38 im Gleichspannungs-Zwischenkreis 8 angeordnet.
Der netzseitige Sternpunktbildner 30 ist eingangsseitig jeweils
mit einer Phase R, S und T des speisenden Netzes 16 elektrisch
leitend verbunden. Als Sternpunktbildner 30 sind drei Kondensatoren 40 vorgesehen,
da als speisendes Netz 16 ein Drehstromnetz vorgesehen
ist. Mittels der beiden Dioden 26 und 28 und dem
netzseitigen Sternpunktbildner 30 wird die Spannung am
Verbindungspunkt 34 und damit am Mittelabgriff 14 auf
das Potenzial des Sternpunktes 32 des netzseitigen Sternpunktbildners 30 geklemmt.
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Durch
die Verwendung des netzseitigen Sternpunktbildners 30 wird
zur Begrenzung von Potenzialverschiebungen eines Zwischenkreises 8 eines
Gleichspannungszwischenkreis-Umrichters 2 nicht mehr das
Erdpotenzial 24 benötigt.
Somit kann diese erfindungsgemäße Vorrichtung
auch bei Umrichtern 2 eingesetzt werden, die an IT- und
TT-Netzen angeschlossen werden sollen.
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Da
zur Begrenzung von Potenzialverschiebungen eines Zwischenkreises 8 das
Erdpotenzial 24 nicht mehr benötigt wird, treten auch alle
anderen eingangs genannten Nachteile durch die Verwendung des Erdpotenzial 24 auch
nicht mehr auf.
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In
der 2 ist eine erste
vorteilhafte Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach 1 näher dargestellt. Diese vorteilhafte
Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung unterscheidet
sich von der Vorrichtung gemäß 1 dadurch, dass in der Verbindungsleitung
zwischen dem Verbindungspunkt 34, der auch als Mittelabgriff bezeichnet
wird, und dem Sternpunkt 32 des netzseitigen Sternpunktbildners 30 ein
spannungsbegrenzendes Mittel 42 vorgesehen ist. Durch dieses
spannungsbegrenzende Mittel 42 wird verhindert, dass die
Potenzialverschiebung aufgrund von Schwingungseffekten über einen
vorbestimmten Wert ansteigt.
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In
der 3 ist eine zweite
vorteilhafte Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt.
Diese Ausführungsform
unterscheidet sich von der Ausführungsform
nach 2 dadurch, dass
das spannungsbegrenzende Mittel 42 in den Sternpunktbildner 30 verlegt
worden ist. Dadurch weist jeder Strang des netzseitigen Sternpunktbildners 30 ein
spannungsbegrenzendes Mittel 44 auf. Durch die Verlagerung
des spannungsbegrenzenden Mittels 42 in den netzseitigen
Sternpunktbildner 30 wird erreicht, dass diese in den Strängen angeordneten
spannungsbegrenzenden Mittel 44 beim Zuschalten der Netzspannung
UN strombegrenzend wirken und Resonanzen
zwischen einer Netzinduktivität
und dem Sternpunktbildner 30 dämpfen.
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Bei
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform gemäß 4 ist der Sternpunkt 32 des netzseitigen
Sternpunktbildners 30 mittels eines Widerstandes 46 mit
einem Neutralleiter des speisenden Netzes 16 elektrisch
leitend verbunden. In der dargestellten Version weist jeder Strang
des netzseitigen Sternpunktbildners 30 ein spannungsbegrenzendes
Mittel 44 auf. Die Verbindung des Sternpunktes 32 mit
dem Neutralleiter des speisenden Netzes 16 kann auch dann
verwendet werden, wenn nur ein spannungsbegrenzendes Mittel 42 in
der Verbindungsleitung zwischen Sternpunkt 32 und Mittelabgriff 34 der
beiden elektrisch in Reihe geschalteten Dioden 26 und 28 angeordnet
ist. Mittels dieses Widerstandes 46 wird eine Verlagerung
des Sternpunktes 32 für
den Fall in Grenzen gehalten, dass ein Mittelpunktspotenzial UMP des Zwischenkreises 8 mehrfach
nacheinander an der gleichen Seite anstößt. Dies ist denkbar, wenn
das Steuerverfahren des netzseitigen selbstgeführten Stromrichters 4 mit
einer sogenannten "Flat-Top-Modulation" betrieben wird.
Wegen der kleinen Spannungsdifferenz zwischen dem Sternpunkt 32 des
Sternpunktbildners 30 und dem Neutralleiter des speisenden
Netzes 16 sind die Verluste dieser Lösung klein.
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Den
gleichen Zweck erfüllen
auch die Widerstände 48,
die jeweils elektrisch parallel zu einem Kondensator 40 eines
jeden Stranges des netzseitigen Sternpunktbildners 30 geschaltet
sind. Eine derartige Ausführungsform
ist in der 5 näher dargestellt.
Außerdem
weist diese Ausführungsform
ein netzseitiges Filter 50, insbesondere ein EMV-Filter, auf.
Dieser Ausführungsform
ist zu entnehmen, dass der Sternpunktbildner 30 zwischen
dem speisenden Netz 16 und den Netz-Drosseln 22 und
nicht zwischen den Netz-Drosseln 22 und dem Gleichspannungszwischenkreis-Umrichter 2 angeschlossen
ist. Dies ist erst recht zu beachten, wenn ein EMV-Filter, das stromkompensierte
Drosseln enthält,
dem Umrichter 2 netzseitig vorgeschaltet ist.
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Die
Spannungsbegrenzung kann beispielsweise durch Varistoren 52 oder
Zener-Dioden 54 erfolgen, die jeweils mit einem Serienwiderstand 56 gekoppelt
werden können
(6). Da mit dem spannungsbegrenzenden
Mittel 42 bzw. 44 Schwingungen gedämpft werden
sollen, muss dieses Mittel 42 bzw. 44 in beiden
Richtungen einer Schwingung wirken können. Aus diesem Grund sind in
der 6 der Varistor 52 und
die Zener-Diode 54 für
zwei Richtungen ausgeführt.
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Weitere
Ausführungsformen
des spannungsbegrenzenden Mittels 42 bzw. 44 sind
in der 7 näher dargestellt.
Zu diesen Ausführungen
gehört
ein Dämpfungswiderstand 58,
ein RC-Glied 60 und ein RC-Glied 60 mit Entladewiderstand 62.
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Wenn
beispielsweise alle mit der negativen Zwischenkreisschiene 36 verbundenen
Stromrichterventile des netzseitigen selbstgeführten Stromrichters 4 eingeschaltet
sind (Nullzeiger), kann bei unsymmetrischem Netz 16 das
Potenzial der negativen Zwischenkreisschiene 36 von Null
abweichen. In einem solchen Fall ist es vorteilhaft, wenn das spannungsbegrenzende
Mittel 42 bzw. 44 einen Kondensator, wie beim
RC-Glied 60 bzw. beim RC-Glied 60 mit Entladewiderstand 62,
aufweist. Die Zeitkonstante dieses RC-Glied 60 sollte groß gegen
die Dauer des Nullzeigers sein.
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Bei
Modulationsarten, bei denen mehrfach nacheinander der gleiche Nullzeiger
geschaltet wird, sollte der Kondensator zwischen zwei Nullzeigern wieder
entladen werden. Dies wird durch den parallelen Entladewiderstand 62 erreicht.
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In
der 8 ist eine Realisierung
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
veranschaulicht, wobei in jedem Strang des netzseitigen Sternpunktbildners 30 als
spannungsbegrenzendes Mittel 44 ein Dämpfungswiderstand 58 vorgesehen
ist. Außerdem
ist zu jedem Strang-Kondensator 40 ein Widerstand 48 elektrisch
parallel geschaltet. Somit ist diese Ausführungsform eine Realisierung
der Ausführungsform nach 5. Gegenüber der Ausführungsform
nach 5 weist diese Ausführungsform
kein EMV-Filter 50 auf.