DE19522873A1

DE19522873A1 - Umrichterfilter für einen Frequenzumrichter und Verfahren zur Filterung eines durch wenigstens einen Frequenzumrichter umgerichteten und/oder umzurichtenden Wechselstromes

Info

Publication number: DE19522873A1
Application number: DE1995122873
Authority: DE
Inventors: Aloys Wobben
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-06-23
Filing date: 1995-06-23
Publication date: 1997-01-02
Also published as: WO1997001210A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Umrichterfilter für einen zwi schen einem Stromnetz und einem Stromverbraucher, insbesondere einem Elektromotor einzusetzenden Frequenzumrichter.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Filterung ei nes durch wenigstens einen Frequenzumrichter umgerichteten und/oder umzurichtenden Wechselstromes.

Umrichterfilter werden in der Antriebstechnik, beispielswei se bei einer elektronischen Drehzahlverstellung eines Elektromo tors, eingesetzt, um die von einem Frequenzumrichter erzeugten steilen Schaltflanken abzuschwächen. Dadurch sollen die Motor wicklungen des angeschlossenen Elektromotors vor zu großen Spannungsanstiegsgeschwindigkeiten geschützt werden. Zu große Spannungsanstiegsgeschwindigkeiten führen insbesondere zu einer erhöhten Beanspruchung der Isolation der Motorwicklungen und somit zu einem erhöhtem Motorverschleiß. Ausgangsseitig des Frequenzumrichters eingesetzte Umrichterfilter können auch Spannungsüberhöhungen auf einer längeren Motoranschlußleitung, die aus den steilflankigen Schaltvorgängen resultieren, verhin dern. Dabei wird einer Abstrahlung von Störenergie aus der Motoranschlußleitung entgegengewirkt. Umrichterfilter sind auch auf der Eingangsseite, d. h. der Netzseite des Frequenz umrichters, einsetzbar und dienen dabei der Unterdrückung von Oberschwingungen und Funkstörspannungen, mit denen das Stromnetz beaufschlagt sein kann.

Bekannte Umrichterfilter der eingangs genannten Gattung er zielen mit passiven Elementen eine Tiefpaßwirkung, wodurch Nenn frequenzen möglichst unbeeinflußt bleiben, die Schaltfrequenz des Frequenzumrichters aber gedämpft werden soll. Bei den verwendeten Bauelementen handelt es sich um Spulen und Kondensatoren, welche die benötigten Induktivitäten und Kapazi täten bereitstellen. Der Nachteil dieser bekannten Umrich terfilter ist, daß zur Bereitstellung nennenswerter Indukti vitäten Spulen mit Kernen möglichst hoher Permeabilität ver wendet werden müssen. Diese Kerne müssen so dimensioniert sein, daß durch den durch die Spule geleiteten Nennstrom keine Sätti gungserscheinungen auftreten können, die zu einer Verminderung der durch die Spule aufzubringenden Induktivität führen. Die Auslegung der Spulen auf den Nennstrom erfordert durch die ent sprechend großen Kerne eine erhebliche Bauteilgröße und ver ursacht hohe Kosten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Umrichter filter und ein Verfahren zur Filterung eines Wechselstromes der eingangs genannten Gattungen aufzuzeigen, mit denen bei wesent licher Reduzierung der Bauteilgröße und der benötigten Herstel lungskosten eine qualitativ wenigstens gleichwertige Filterung des Wechselstromes möglich ist.

Diese Aufgabe ist vorrichtungsseitig dadurch gelöst, daß der Umrichterfilter einen Transformator umfaßt, dem auf seiner Se kundärseite eine frequenzabhängige Schaltung zugeordnet ist, die den Transformator bezüglich der Nennfrequenz des Stromnetzes zumindest annähernd in einen sekundärseitigen Kurzschlußbetrieb schaltet und den Transformator bezüglich der Schaltfrequenz des Frequenzumrichters zumindest annähernd in einen primärseitigen Leerlaufbetrieb schaltet.

Der eingesetzte Transformator kann zwei voneinander abwei chende Betriebszustände Kurzschluß und Leerlauf zur Verfügung stellen, die mit der erfindungsgemäß vorgesehenen frequenzabhän gigen Schaltung der Nennfrequenz und der Schaltfrequenz des Frequenzumrichters zugeordnet werden. Die Tiefpaßwirkung dieses Umrichterfilters ist so ausgestaltet, daß aufgrund des Kurz schlußbetriebes des Transformators auf der Nennfrequenz ein un gehinderter Durchgang dieser Frequenz durch das Umrichterfilter ermöglicht wird, während aufgrund des Leerlaufbetriebes des Transformators auf der Schaltfrequenz der Durchgang dieser Schaltfrequenz durch den Transformator verhindert ist. Nur im Leerlaufbetrieb wirkt die Hauptinduktivität des Transformators und unterdrückt somit die Schaltfrequenz. Im Kurzschlußbetrieb wirken lediglich Streuinduktivitäten, die wesentlich geringer als die Hauptinduktivität sind und keine Unterdrückung der Nenn frequenz bewirken.

Bei dem erfindungsgemäßen Umrichterfilter ist wirksam umgesetzt, daß die verwendeten Spulen zwar auf den Nennstrom ausgelegt werden, aber nur für die Schaltfrequenz wirksam sein müssen. Dadurch, daß die zu erreichende Induktivität aufgrund des Kurzschlußbetriebes des Transformators für die Nennfrequenz im wesentlichen nicht existent ist, können hochpermeable weichmagnetische Kerne verwendet werden. Sättigungserscheinungen bei Nennstrom, auf den das induktiv wirkende Bauelement nun nicht dimensioniert werden muß, sind ausgeschlossen. Durch den Einsatz dieser Kernstoffe ist der erfindungsgemäße Umrichter filter insgesamt kompakter ausgebildet und seine Herstellung erfordert weniger Kosten.

Nach einer ersten Weiterbildung der Erfindung ist vorge sehen, daß die frequenzabhängige Schaltung auf der Sekundärseite des Transformators ein Reihenschwingkreis ist, dessen Resonanz frequenz auf die Nennfrequenz gelegt ist. Da der Scheinwider stand eines Reihenschwingkreises auf der Resonanzfrequenz sehr klein ist, wird auf dieser Frequenz annähernd ein sekundärsei tiger Kurzschluß des Transformators hergestellt. Durch die Übereinstimmung der Resonanzfrequenz mit der Nennfrequenz ist der Transformator auf der Nennfrequenz insoweit im Kurzschlußbe trieb, so daß vorteilhaft ihr ungehinderter Durchgang ermöglicht ist. Auf der oberhalb der Nennfrequenz des Stromnetzes liegenden Taktfrequenz des Umrichters stellt der Reihenschwingkreis einen sehr hohen Scheinwiderstand dar, so daß der Transformator auf der Schaltfrequenz annähernd in einem Leerlaufbetrieb arbeitet. Aufgrund des hohen Scheinwiderstandes erfolgt kein Durchgang der Schaltfrequenz durch den Transformator des Umrichterfilters.

Eine andere Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß die frequenzabhängige Schaltung auf der Sekundärseite des Trans formators ein Parallelschwingkreis ist, dessen Resonanzfrequenz auf die Schaltfrequenz des Frequenzumrichters gelegt ist. Ein Parallelschwingkreis weist auf der Resonanzfrequenz einen sehr hohen Scheinwiderstand auf, der den Transformator annähernd in den Leerlaufbetrieb schaltet. Indem die Schaltfrequenz wieder diesem hohen Scheinwiderstand zugeordnet wird, ist auch durch den Einsatz des Parallelschwingkreises der Durchgang der Schalt frequenz durch den Transformator verhindert. Auf der unterhalb der Schaltfrequenz liegenden Nennfrequenz weist der Parallel schwingkreis einen sehr niedrigen Scheinwiderstand auf, so daß der Transformator auf der Nennfrequenz wieder im Kurzschlußbe trieb arbeitet und ihr ungehinderter Durchgang durch den Trans formator möglich ist.

Nach bevorzugten Weiterbildungen der Erfindung sind in den Reihenschwingkreis beziehungsweise in den Parallelschwingkreis zusätzlich aktive Bauelemente eingesetzt. Durch die Einsetzung aktiver Bauelemente ist ein verbessertes Schwingkreisverhalten erreichbar, da mit ihnen die Schwingungen gezielt beeinflußbar sind. Als aktive Bauelemente sind beispielsweise elektronisch gesteuerte Quellen und/oder elektronisch gesteuerte Schalter einsetzbar. Vorzugsweise wird zur Steuerung der aktiven Bauele mente die Schaltfrequenz des Frequenzumrichters verwendet, indem zweckmäßigerweise die Schaltfrequenz des Frequenzumrichters zugleich die Steuerfrequenz der aktiven Bauelemente ist.

Die verfahrensseitige Lösung der Aufgabe besteht darin, daß ein Transformator verwendet wird, der bezüglich der Nennfrequenz des Wechselstromes wenigstens annähernd im sekundärseitigen Kurzschluß betrieben wird und der bezüglich der Schaltfrequenz des Frequenzumrichters wenigstens annähernd im primärseitigen Leerlauf betrieben wird.

Bei diesem Verfahren kommt ein Umrichterfilter zum Einsatz, das einen Transformator mit einer frequenzabhängigen Schaltung umfaßt und das somit die vorbeschriebenen Vorteile aufweist.

Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Umrichtfilters, aus denen sich weitere erfinderische Merkmale ergeben, sind in der Zeichnung dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 das Ersatzschaltbild eines Transformators,

Fig. 2 ein Diagramm, in dem ein Verlauf der Induktivität L über eine Frequenz f dargestellt ist,

Fig. 3 das Ersatzschaltbild des Transformators gemäß Fig. 1 im Leerlaufbetrieb,

Fig. 4 das Ersatzschaltbild des Transformators gemäß Fig. 1 im Kurzschlußbetrieb,

Fig. 5 ein Schaltbild des Transformators gemäß Fig. 1, an den sekundärseitig ein Reihenschwingkreis ange schlossen ist,

Fig. 6 ein Diagramm, in dem der Verlauf des Scheinwiderstan des Z des Reihenschwingkreises gemäß Fig. 5 über die Frequenz f dargestellt ist,

Fig. 7 ein Schaltbild des Transformators gemäß Fig. 1, an den sekundärseitig ein Parallelschwingkreis ange schlossen ist und

Fig. 8 ein Diagramm, in dem der Verlauf des Scheinwiderstan des Z des Parallelschwingkreises gemäß Fig. 7 über die Frequenz f dargestellt ist.

Ein Transformator, dessen Ersatzschaltbild in Fig. 1 darge stellt ist, ist erfindungsgemäß Teil eines Umrichterfilters für einen zwischen einem Stromnetz und einem Stromverbraucher, ins besondere einem Elektromotor, angeordneten Frequenzumrichter. Das Ersatzscheinbild setzt sich aus folgenden Komponenten zusammen: Im Primärkreis 6 ist die Hauptinduktivität L1h und die primäre Streuinduktivität L1δ ausgebildet. Der Sekundärkreis 2 weist die sekundäre Streuinduktivität L2δ auf. Zwischen dem Primärkreis 6 und dem Sekundärkreis 2 ist der ideale Übertrager ü angeordnet.

Der Umrichterfilter, der einen derartigen Transformator umfaßt, soll den in Fig. 2 dargestellten, idealen Verlauf der Induktivität L über der Frequenz f haben. Im Bereich der Nennfrequenz fn soll die Induktivität möglichst gering sein. Auf der Schaltfrequenz des Frequenzumrichters soll dagegen eine möglichst hohe wirksame Induktivität vorhanden sein, um die ne gativen Effekte, die aus den steilen Schaltflanken des Frequenz umrichters resultieren, zu unterdrücken.

Der in Fig. 2 dargestellte Induktionsverlauf ist mit einem Transformator herstellbar, indem der Transformator in zwei ver schiedene Betriebszustände, den Leerlaufbetrieb und den Kurz schlußbetrieb, geschaltet wird.

Fig. 3 zeigt das Ersatzschaltbild des Transformators im Leerlaufbetrieb. Neben der primären Streuinduktivität L1δ wirkt hier auch die Hauptinduktivität L1h. Bei dem in Fig. 4 dar gestellten Ersatzschaltbild des Transformators im Kurzschluß betrieb wirken lediglich die primäre Streuinduktivität L1δ und die mit dem Übertragungsfaktor ü transformierte, sekundäre Streuinduktivität L2δ′.

Mit in Fig. 5 und Fig. 7 dargestellten, frequenzabhängigen Schaltungen 5 sind die Betriebszustände "Leerlauf" und "Kurzschluß" des Transformators den im Diagramm der Fig. 2 bezeichneten Frequenzen zuordbar. Dabei wird der Netzfrequenz fn der in Fig. 4 dargestellte Kurzschlußbetrieb des Transformators zugeordnet. Der in Fig. 3 dargestellte Leerlaufbetrieb des Transformators mit seiner hohen Hauptinduktivität L1h wird der Schaltfrequenz des Frequenzumrichters ft zugeordnet.

Fig. 5 zeigt einen Transformator 1, in dessen Sekundärkreis 2 ein aus einer Spule 3 und einem Kondensator 4 gebildeter Rei henschwingkreis eingesetzt ist. Der Verlauf des Scheinwi derstandes Z dieses Reihenschwingkreises, der in dem Diagramm in Fig. 6 dargestellt ist, weist auf der Resonanzfrequenz des Rei henschwingkreises eine Nullstelle auf. Die Nennfrequenz fn wird auf die Resonanzfrequenz gelegt. Wegen des sehr gerängen Scheinwiderstand arbeitet der Transformator 1 somit auf der Nennfrequenz fn im Kurzschlußbetrieb, so daß ihr ungehinderter Durchgang ermöglicht ist. Auf der Schaltfrequenz ft weist der Reihenschwingkreis dagegen einen hohen Scheinwiderstand auf, so daß der Transformator 1 auf dieser Schaltfrequenz annähernd im Leerlaufbetrieb arbeitet, in dem die Hauptinduktivität L1h wirksam ist.

Fig. 7 zeigt, daß in den Sekundärkreis 2 des Transformators ein aus einer Spule 3 und einem Kondensator 4 gebildeter Pa rallelschwingkreis als frequenzabhängige Schaltung 5 eingesetzt ist. Fig. 8 zeigt wieder den dazugehörigen Schein widerstandsverlauf des Parallelschwingkreises über die Fre quenz f. Der Scheinwiderstandsverlauf des Parallelschwingkreises weist auf der Resonanzfrequenz des Parallelschwingkreises ein Maximum auf. Die Schaltfrequenz ft des Frequenzumrichters wird auf die Resonanzfrequenz gelegt und somit diesem hohen Scheinwiderstand zugeordnet. Dadurch arbeitet der Transformator auf der Schaltfrequenz im Leerlaufbetrieb. Für die Nennfrequenz ergibt sich dagegen ein wesentlich geringerer, gegen Null gehender Scheinwiderstand des Parallelschwingkreises, so daß der Transformator 1 auf der Nennfrequenz annähernd im Kurzschlußbetrieb arbeitet und der ungehinderte Durchgang der Nennfrequenz gesichert ist.

Claims

1. Umrichterfilter für einen zwischen einem Stromnetz und einem Stromverbraucher, insbesondere einem Elektromotor, einzu setzenden Frequenzumrichter, dadurch gekennzeichnet, daß der Umrichterfilter einen Transformator (1) umfaßt, dem auf seiner Sekundärseite eine frequenzabhängige Schaltung (5) zuge ordnet ist, die den Transformator (1) bezüglich der Nennfrequenz des Stromnetzes zumindest annähernd in einen sekundärseitigen Kurzschlußbetrieb schaltet und den Transformator (1) bezüglich der Schaltfrequenz des Frequenzumrichters zumindest annähernd in einen primärseitigen Leerlaufbetrieb schaltet.

2. Umrichterfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die frequenzabhängige Schaltung (5) auf der Sekundärseite des Transformators (1) ein Reihenschwingkreis ist, dessen Reso nanzfrequenz auf die Nennfrequenz gelegt ist.

3. Umrichterfilter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in den Reihenschwingkreis zusätzlich aktive Bauelemente ein gesetzt sind.

4. Umrichterfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die frequenzabhängige Schaltung (5) auf der Sekundärseite des Transformators (1) ein Parallelschwingkreis ist, dessen Re sonanzfrequenz auf die Schaltfrequenz des Frequenzumrichters ge legt ist.

5. Umrichterfilter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in den Parallelschwingkreis zusätzlich aktive Bauelemente eingesetzt sind.

6. Umrichterfilter nach Anspruch 3 oder 5, dadurch gekenn zeichnet, daß die aktiven Bauelemente elektronisch gesteuerte Quellen beziehungsweise Senken sind.

7. Umrichterfilter nach Anspruch 3 oder 5, dadurch gekenn zeichnet, daß die aktiven Bauelemente elektronisch gesteuerte Schalter sind.

8. Umrichterfilter nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekenn zeichnet, daß die Schaltfrequenz des Frequenzumrichters zugleich die Steuerfrequenz der aktiven Bauelemente ist.

9. Verfahren zur Filterung eines durch wenigstens einen Fre quenzumrichter umgerichteten und/oder umzurichtenden Wechsel stromes, dadurch gekennzeichnet, daß ein Transformator (1) verwendet wird, der bezüglich der Nennfrequenz des Wechselstromes wenigstens annähernd im sekun därseitigen Kurzschluß betrieben wird und der bezüglich der Schaltfrequenz des Frequenzumrichters wenigstens annähernd im primärseitigen Leerlauf betrieben wird.