DE19611401C2 - Frequenzumrichter für einen Elektromotor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Frequenzumrichter zur Speisung eines Elektromotors mit einem Zwischenkreis, in dem eine Bremsschaltung angeordnet ist, die einen Schalter und einen Verbraucher, der elektrische Energie in andere Energieformen umwandelt, aufweist.

Frequenzumrichter bestehen in der Regel aus einem Gleichrichter, der eine ein- oder mehrphasige Wechsel­ spannung gleichrichtet und in einen Zwischenkreis ein­ speist. Alternativ dazu kann der Zwischenkreis auch von einer anderen Gleichstromquelle versorgt werden. Der Zwischenkreis seinerseits speist wieder einen Wechsel­ richter, der für den angeschlossenen Motor eine Span­ nung mit der gewünschten Frequenz zur Verfügung stellt. Wenn man den Antrieb des Motors unterbrechen möchte, wird das Spannungs/Frequenz-Verhältnis heruntergere­ gelt, so daß sich die Stromrichtung umkehrt. Der Fre­ quenzumrichter gibt also keinen Strom mehr ab. In die­ sem Fall wirkt der Motor als Generator, der Leistung in den Frequenzumrichter zurückspeist, weil die Klemmen­ spannung des Motors größer als die des Wechselrichters ist. Zum Bremsen des Motors wird die zurückgespeiste elektrische Energie vielfach durch einen Verbraucher geleitet, wobei das Einspeisen der elektrischen Energie in den Verbraucher durch einen Schalter, auch Bremschopper genannt, gesteuert wird. Als Verbraucher sollen alle Einrichtungen angesehen werden, die elek­ trische Energie in eine andere Energieform, beispiels­ weise Wärme, umwandeln.

Ein derartiger Frequenzumrichter ist beispielsweise aus US S 420 491 bekannt. Der Verbraucher ist hier als ohm­ scher Widerstand ausgebildet.

Bei Motoren mit höheren Trägheitsmomenten ist die in den Frequenzumrichter zurückgespeiste Energiemenge vielfach relativ groß. Der Verbraucher kann dann nicht mehr in allen Fällen innerhalb des Gehäuses des Fre­ quenzumrichters angeordnet werden. Er muß dann außer­ halb angeordnet werden. In diesem Fall kann er bei­ spielsweise besser gekühlt werden. Auch lassen sich andere Formen der Energieumwandlung von elektrischer Energie in andere Formen besser realisieren. Allerdings hat die Anordnung des Verbrauchers außerhalb des Fre­ quenzumrichters den Nachteil, daß der Verbraucher dann den Umgebungsbedingungen ausgesetzt ist. Es können also Feuchtigkeit und mechanische oder elektromechanische Einflüsse auf den Verbraucher wirken, die zu elektri­ schen Fehlern, beispielsweise Erdschlußfehlern oder Kurzschlüssen, führen können.

Aus diesem Grunde ist es in vielen Ländern vorgeschrie­ ben, daß derartige elektronische Geräte mit einer Schutzbeschaltung versehen werden müssen, beispielswei­ se mit einem Fehlerstromschutzschalter (FI-Schalter).

Derartige FI-Schalter unterscheiden sich im Hinblick auf die Anforderungen, die sie erfüllen müssen. So un­ terscheidet IEC 755 Kapitel 4.2.10 beispielsweise FI- Schalter des Typs A und des Typs B. Der Typ B kann bei­ spielsweise eine Gleichstromkomponente im Erdschluß­ strom detektieren, was beispielsweise der Fall ist, wenn ein Erdschlußfehler am Verbraucher entsteht, der an einen Gleichstromzwischenkreis angeschlossen ist. Hierbei fließt ein Strom, der eine Gleichstromkomponen­ te enthält. FI-Schalter des Typs A können diese Gleich­ stromkomponente nicht erfassen.

Der FI-Schalter des Typs B ist aber relativ kostspielig und hat den Nachteil, daß seine Installation kompli­ ziert und aufwendig ist. Ferner dürfen ihm keine weite­ ren FI-Schalter vorgeschaltet werden.

DE-AS 14 13 998 zeigt eine Anordnung zur Steuerung oder Regelung des Stromes eines netzgeführten Mehrphasen­ wechselrichters. Hierbei ist ein dreiphasiges Netz mit einem Gleichrichter einerseits verbunden, der einen Gleichstromzwischenkreis speist. Andererseits ist das Netz mit einem Wechselrichter verbunden, der elektri­ sche Energie aus dem Gleichstromzwischenkreis zurück in das Netz speisen kann. Der Gleichstromzwischenkreis ist ferner verbunden mit einem Wechselrichter, der einen Motor, insbesondere einen Asynchronmotor, speist. Die Istspannung im Gleichstromzwischenkreis wird mit einer Sollspannung verglichen, wobei die Sollspannung von der Frequenz des Motors abhängig ist. Die Spannung im Zwi­ schenkreis kann dann durch Ansteuern des mit dem Netz verbundenen Wechselrichters verändert werden.

Zürneck, H.: Sinusförmige und nicht sinusförmige Feh­ lerströme in elektrischen Anlagen - Konsequenzen für FI-Schutzschalter in "de/der elektromeister + deutsches elektrohandwerk" 16/82, Seiten 1153 bis 1156 beschreibt das Problem, das Gleichanteile in Fehlerströmen verur­ sachen können. Diese bewirken eine Herabsetzung der An­ sprechempfindlichkeit. Verschiedene Fehlerstrommöglich­ keiten werden untersucht und die Fehlerströme werden in drei Typen eingereiht. Als Maßnahmen, die unzulässige Gleichanteile in den Fehlerströmen vermeiden lassen, werden entsprechende Schaltungen der Betriebsmittel, Schutzisolierungen der Betriebsmittel und die galvani­ sche Trennung genannt.

Kahnau, H.-W.: Neufassung der VDE 0664 "FI-Schutz­ schalter" und ihre Einordnung im internationalen Be­ reich in "de/der elektromeister + deutsches elektro­ handwerk" 8/82, Seiten 508 bis 513 beschreibt ebenfalls das Problem, das FI-Schutzschalter mit Gleichstroman­ teilen haben. Als Lösung wird auch hier angegeben, daß die Betriebsmittel durch Transformatoren vom Netz ge­ trennt werden. Beschrieben werden Entwicklungen, die die FI-Schutzschalter in die Lage versetzen sollen, auch Gleichanteile zu erfassen. Offensichtlich sollen aber die neuen Schalter, obwohl sie teurer sind als die alten, die alten komplett ablösen können.

Solleder, R.: Allstromsensitive Fehlerstrom-Schutz­ einrichtungen für Indiestrieanwendung in "etz", Bd. 115, 1994, H. 16, Seiten 896 bis 901 erwähnt die FI- Schutzschalter vom Typ B.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Anforde­ rungen an Schutzmaßnahmen bei einem Frequenzumrichter zu verringern.

Diese Aufgabe wird bei einem Frequenzumrichter der ein­ gangs genannten Art dadurch gelöst, daß bei Anordnung des Verbrauchers außerhalb des Frequenzumrichters in der Brems­ schaltung Mittel vorgesehen sind, die den Verbraucher vom Zwischenkreis galvanisch entkoppeln.

Damit wird verhindert, daß eine Gleichstromkomponente durch den Verbraucher fließen kann. Die Notwendigkeit, den aufwendigen FI-Schalter des Typs B einzusetzen, entfällt. Man kann den kostengünstigeren FI-Schalter des Typs A verwenden. Sämtliche Gleichstromkomponenten bleiben im Innern des Frequenzumrichters. Diese müssen also nicht mehr getrennt abgesichert werden, wie dies für Ströme und Spannungen der Fall ist, die nach außen gelangen, insbesondere an den Verbraucher.

Vorzugsweise bestehen die Mittel zum galvanischen Ent­ koppeln des Verbrauchers vom Zwischenkreis aus einem Vierpol mit einem Eingangstor und einem Ausgangstor, wobei das Ausgangstor mit dem Verbraucher und das Ein­ gangstor mit dem Zwischenkreis verbunden ist und der Vierpol ausschließlich sich zeitlich verändernde elek­ trische Größen an sein Ausgangstor weiterleitet. Der Vierpol bildet also eine Gleichstromsperre. Lediglich Wechselströme werden an den Ausgang übertragen. Am Ver­ braucher können dementsprechend keine Gleichströme auf­ treten, die entsprechend aufwendig abgesichert werden müssen. Die Absicherung von Wechselströmen im Hinblick auf Erdschluß ist, wie gesagt, kostengünstiger auszu­ führen.

Mit Vorteil liegt das Eingangstor mit dem Schalter in Reihe. Damit wird die Eingangsseite des Vierpols ge­ steuert. Bei einer Unterbrechung der Reihenschaltung durch Öffnen des Schalters können also auch keine Leer­ laufströme auftreten, was insbesondere für den normalen Betrieb des Frequenzumrichters von Bedeutung ist.

Vorzugsweise ist der Vierpol als Transformator ausge­ bildet. Bei einem Transformator, der hier verwendet wird, ist die Primärwicklung und die Sekundärwicklung galvanisch getrennt. Dennoch lassen sich Wechselströme mit relativ geringen Verlusten an den Verbraucher über­ tragen. Die Gleichstromkomponente wird von dem Verbrau­ cher aber zuverlässig ferngehalten.

Hierbei ist bevorzugt, daß die Ausgangsspannung des Transformators kleiner als die Eingangsspannung ist. Der Verbraucher kann also mit einer geringeren Span­ nung, aber mit einem höheren Strom betrieben werden. Auch dies senkt die Anforderungen an die Schutzbeschal­ tung.

Vorzugsweise ist die Bremsschaltung zwischen einer Plus- und einer Minus-Leitung des Zwischenkreises ange­ ordnet. Damit läßt sich eine Spannungserhöhung, die durch die vom Motor zurückgespeiste Energie verursacht wird, schnell und zuverlässig abbauen.

Der Schalter ist vorzugsweise als elektronischer Schal­ ter mit einem Steueranschluß ausgebildet. Hierzu können beispielsweise Transistoren oder andere Halbleiterbau­ elemente verwendet werden. Mit derartigen elektroni­ schen Schaltern lassen sich relativ hohe Schaltfrequen­ zen erzielen, so daß der Transformator entsprechend klein ausgebildet werden kann. Außerdem lassen sie sich mit bekannten Verfahren ansteuern.

Vorzugsweise ist der Verbraucher als ohmscher Wider­ stand ausgebildet. Dies ist die einfachste Art, die vom Motor in den Frequenzumrichter zurückgespeiste elektrische Energie in eine andere Energieform umzuwan­ deln, nämlich in Wärme.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzug­ ten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeich­ nung beschrieben. Hierin zeigt die

einzige Figur: eine schematische Schaltungsanordnung eines Frequenzumrichters.

Ein Frequenzumrichter 15 weist einen dreiphasigen Ein­ gang R, S, T auf, der über eine Fehlerstrom-Schutz­ schaltung 1 mit einem dreiphasigen elektrischen Netz, das durch drei Leitungen L1, L2, L3 dargestellt ist, verbunden ist.

Der Frequenzumrichter 15 weist an seinem Eingang einen dreiphasigen Gleichrichter 2 auf, der den aus dem Netz L1, L2, L3 entnommenen Strom gleichrichtet und an einen Zwischenkreis liefert, der im vorliegenden Ausführungs­ beispiel einen LC-Filter aufweist, der eine Induktivi­ tät 3 und eine Kapazität 4 aufweist. Der LC-Filter dient dazu, die vom Gleichrichter 2 gelieferte Gleich­ spannung zu glätten. Die Gleichspannung wird einem Wechselrichter 5 über eine Plus-Leitung 6 und eine Mi­ nus-Leitung 7 zugeführt. Der Wechselrichter 5 ist drei­ phasig ausgebildet und speist über seinen dreiphasigen Ausgang U, V, W einen elektrischen Motor 14, beispiels­ weise eine Asynchronmaschine. Hierzu weist der Wechsel­ richter 5 für jede Phase zwei Transistoren Q1-Q6 auf, wobei jedem Transistor eine Freilaufdiode D1-D6 paral­ lelgeschaltet ist. In nicht näher dargestellter, aber an sich bekannter Weise ist für den Wechselrichter 5 eine Ansteuerschaltung vorgesehen, die die Transistoren Q1-Q6 so ansteuert, daß am Ausgang U, V, W die Versor­ gungsspannung des Motors 14 mit der gewünschten Fre­ quenz zur Verfügung steht.

Wenn nun der Motor 14 nicht mehr angetrieben werden soll, werden alle Transistoren Q1-Q6 gesperrt oder zum schnelleren Bremsen das Spannungs/Frequenz-Verhältnis heruntergeregelt, so daß sich die Stromrichtung um­ kehrt. Der Motor 14 wirkt dann als Generator, der elek­ trische Leistung zurück in den Frequenzumrichter speist. Der elektrische Strom gelangt hierbei über die Dioden D1-D6 in den Zwischenkreis, so daß sich zwischen der Plus-Leitung 6 und der Minus-Leitung 7 eine Span­ nungserhöhung einstellt. Um die Spannungserhöhung unter einem vorbestimmten Höchstwert zu halten, vor allem aber, um ein Abbremsen des Motors 14 zu beschleunigen, ist im Zwischenkreis zwischen der Plus-Leitung 6 und der Minus-Leitung 7 eine Bremsschaltung vorgesehen.

Die Bremsschaltung weist einen als Transformator 9 aus­ gebildeten Vierpol auf. Eine Primärwicklung 11 des Transformators 9 bildet hierbei das Eingangstor des Vierpols. Die Sekundärwicklung 12 des Transformators 9 bildet das Ausgangstor des Vierpols. An die Sekundär­ wicklung 12 ist ein als ohmscher Widerstand 10 ausge­ bildeter Verbraucher angeschlossen. Wie schematisch angedeutet ist, ist der Widerstand 10 außerhalb des Frequenzumrichters 15 angeordnet. Er ist also mit sei­ ner Größe und mit seiner Leistungsfähigkeit nicht mehr auf die Größe und die Umgebungsbedingungen innerhalb des Frequenzumrichters 15, genauer gesagt, innerhalb des Gehäuses des Frequenzumrichters 15, begrenzt. Man kann in dem Widerstand 10 also größere elektrische Energien "vernichten", also in Wärme umwandeln, ohne daß die Gefahr besteht, daß der Frequenzumrichter 15 selbst thermisch in Mitleidenschaft gezogen wird. Auch kann man andere Verbraucher vorsehen, die elektrische Energie auf andere Weise umwandeln, aber nicht mehr innerhalb des Gehäuses des Frequenzumrichters 15 vor­ gesehen sein können, beispielsweise ein Schwungrad mit Antrieb oder eine Elektrodenanordnung in der Galvanik.

Die Primärwicklung 11 des Transformators 9 liegt in Reihe mit einem als Transistor 8 ausgebildeten Schal­ ter, der von einer Steuerschaltung 13 über einen Steu­ eranschluß 16 gesteuert wird. Der Steuerschaltung 13 wird die Spannung zwischen der Plus-Leitung 6 und der Minus-Leitung 7 als Eingangsgröße zugeführt. Sie kann den Transistor 8 in Abhängigkeit von dieser Spannung, die beispielsweise über die Kapazität 4 abgenommen wer­ den kann, steuern.

Der Transistor 8, der auch als Bremschopper bezeichnet werden kann, schließt oder öffnet einen Strompfad von der Plus-Leitung 6 zur Minus-Leitung 7 durch die Pri­ märwicklung 11 des Transformators 9. Durch das Tastver­ hältnis, also das Verhältnis der Schließzeiten des Transistors zu der Summe aus Öffnungs- und Schließzei­ ten, läßt sich eine gezielte und gesteuerte Spannungs­ verminderung im Zwischenkreis zwischen den beiden Lei­ tungen 6, 7 bewirken. Wenn der Transistor 8 geschlossen wird, kann der Strom von der Plus-Leitung 6 zur Minus- Leitung 7 fließen, wobei dieser Strom dann auch durch die Primärwicklung 11 des Transformators 9 läuft. Da dieser Strom nicht konstant ist, sondern wegen des Öff­ nens und Schließens des Transistors 8 zeitlich zu- und abnimmt, wird in der Sekundärwicklung 12 des Transfor­ mators 9 ein Strom induziert. Dieser Strom ist ein rei­ ner Wechselstrom ohne Gleichstromkomponente, der in dem Widerstand 10 in Wärme umgesetzt wird. Hierdurch wird Energie aus dem Zwischenkreis entfernt.

Sollte während des normalen Betriebes ein Erdschluß am Widerstand 10 entstehen, so hat das keine negativen Folgen, denn auf der Primärseite des Transformators 9 steht nur Gleichspannung an, die auf den Widerstand 10 nicht übertragen werden kann. Das gleiche gilt für den Bremsbetrieb. Auch hier kann kein Gleichstrom an den Widerstand 10 übertragen werden, so daß die Fehler­ strom-Schutzschaltung 1 entsprechend kostengünstiger ausgeführt werden kann. Es reicht also beispielsweise aus, einen FI-Schalter vom Typ A zu verwenden anstelle des FI-Schalters vom Typ B.

Der Transformator 9 kann zusätzlich noch für eine Span­ nungsübersetzung ausgenutzt werden. Wenn man die Aus­ gangsspannung des Transformators kleiner als die Ein­ gangsspannung macht, beispielsweise durch ein entspre­ chendes Verhältnis der Windungszahlen von Primärwick­ lung 11 und Sekundärwicklung 12, steht über den Ver­ braucher 10 eine kleinere Spannung an, die zwar mit einem höheren Strom verbunden ist, aber ebenfalls die Anforderungen an die Schutzbeschaltung herabsetzt.

Anstelle des dargestellten Transformators 9 mit einer Sekundärwicklung 12, die galvanisch von der Primärwick­ lung 11 getrennt ist, können natürlich auch andere Übertrager verwendet werden, die eine galvanische Tren­ nung zwischen der Primärseite und der Sekundärseite aufweisen und die elektrische Energie mit Hilfe von elektrischen, magnetischen oder anderen Feldern von der Primärseite auf die Sekundärseite übertragen.

Claims (8)

1. Frequenzumrichter (15) zur Speisung eines Elektro­ motors (14) mit einem Zwischenkreis (6, 7), in dem eine Bremsschaltung angeordnet ist, die einen Schal­ ter (8) und einen Verbraucher (10), der elektrische Energie in andere Energieformen umwandelt, aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß bei Anordnung des Ver­ brauchers (10)außerhalb des Frequenzumrichters (15) in der Bremsschaltung Mittel vorgesehen sind, die den Verbraucher (10) vom Zwischenkreis (6, 7) galvanisch entkoppeln.

2. Frequenzumrichter nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Mittel zum galvanischen Entkop­ peln des Verbrauchers (10) vom Zwischenkreis (6, 7) aus einem Vierpol (9) mit einem Eingangstor (11) und einem Ausgangstor (12) bestehen, wobei das Aus­ gangstor (12) mit dem Verbraucher (10) und das Ein­ gangstor (11) mit dem Zwischenkreis (6, 7) verbun­ den ist und der Vierpol (9) ausschließlich sich zeitlich verändernde elektrische Größen an sein Ausgangstor (12) weiterleitet.

3. Frequenzumrichter nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Eingangstor (11) mit dem Schalter (8) in Reihe liegt.

4. Frequenzumrichter nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Vierpol (9) als Transforma­ tor ausgebildet ist.

5. Frequenzumrichter nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Ausgangsspannung des Transforma­ tors kleiner als die Eingangsspannung ist.

6. Frequenzumrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Bremsschaltung zwi­ schen einer Plus- und einer Minus-Leitung (6, 7) des Zwischenkreises (1) angeordnet ist.

7. Frequenzumrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schalter (8) als elektronischer Schalter mit einem Steueranschluß (16) ausgebildet ist.

8. Frequenzumrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbraucher (10) als ohmscher Widerstand ausgebildet ist.