DE19738945A1 - Kompensator für asymmetrische Störströme bei Geräten mit schaltenden Leistungsendstufen - Google Patents

Description

Die Erfindung richtet sich auf eine Schaltungsanordnung zur Kompensation asymmetrischer Störströme, welche bei Geräten mit schaltenden Leistungsendstufen durch die Umladung parasi­ tärer Ausgangskapazitäten hervorgerufen werden.

Insbesondere in der elektrischen Antriebstechnik bestand be­ reits seit längerem ein Bedürfnis nach Stromrichtergeräten mit verbesserten Drehzahl- und vor allem Lageregelungseigen­ schaften bei reduzierter Geräuschentwicklung. Dem hieraus entsprungenen Wunsch nach höheren, zulässigen Taktfrequenzen der Leistungsendstufen konnte in jüngerer Zeit aufgrund ver­ besserter Leistungstransistoren, bspw. sog. IGBT-Module, grundsätzlich entsprochen werden, jedoch zeigte sich, daß bei Einsatz derartiger "schneller" Leistungsmodule aufgrund der steileren Spannungsflanken an den aktiven Ausgängen des Stromrichters die dort unvermeidlich vorhandenen, parasitären Kapazitäten in kürzen Zeitabständen umgeladen werden müssen. Hierzu sind deutlich höhere Ladeströme notwendig, welche über das Gerätegehäuse und von dort zum Erdungspotential abflie­ ßen. Diese erhöhten Störströme können das Ansprechen von Schutzschaltungen auslösen und beeinträchtigen die Qualität der Netzspannung in der Umgebung des betreffenden Gerätes. Es ist daher wünschenswert, diese zur Erde abfließenden Stör­ ströme von der Umgebung eines Gerätes fernzuhalten.

Zu diesem Zweck ist beispielsweise in dem Fachaufsatz "High Frequency Leakage Current Reduduction Based on a Common-Mode Voltage Compensation Circuit" in der Fachzeitschrift IEEE 1996, Seiten 1961-1967, eine passive Kompensationsschaltung für die zum Umladen der an den aktiven Ausgängen eines Strom­ richter-Leistungsteils unvermeidlich vorhandenen, parasitären Kapazitäten notwendigen Störströme offenbart. Zu diesem Zweck ist an den Ausgangsanschlüssen des Stromrichter-Leistungs­ teils ein kapazitiver Sternpunkt gebildet, der über eine er­ ste Wicklung eines Koppeltransformators mit Erdpotential ver­ bunden ist. Die andere Wicklung des Koppeltransformators ist einseitig ebenfalls geerdet, ihr freies Ende ist über einen Widerstand mit dem Mittelabgriff eines kapazitiven Spannungs­ teilers verbunden, der parallel zum Zwischenkreiskondensator des Stromrichters an dessen Gleichspannungsschienen ange­ schlossen ist. Im Idealfall soll hierbei der Koppeltransfor­ mator entsprechende Kompensationsströme aus dem Zwischenkreis des Stromrichters nach Erdpotential abfließen lassen. Dies kann jedoch nur in begrenztem Umfang gelingen, da ein realer Kopplungstransformator naturgemäß kein ideales Übertragungs­ verhalten aufweist. Damit ein Transformator eine gute Kopp­ lung zwischen Primär- und Sekundärseite aufweist, muß dessen Wicklung möglichst streuarm ausgeführt sein, was zu aufwendi­ gen und teuren Anordnungen führt.

Weiterhin ist in dem Fachaufsatz "Elimination of Common Mode Voltage in Three Phase Sinusoidal Power Converters" von A. L. Julian, T.A. Lipo und G. Oriti in IEEE 1996, Seiten 1968-1972 eine weitere Kompensationsschaltung für die störenden Erdströme an den aktiven Ausgängen eines dreiphasigen Wech­ selrichters offenbart. Hierbei ist parallel zu der Drehstrom- Brückenschaltung des Wechselrichters an die Zwischenkreis­ spannung ein weiterer Leistungstransistor-Zweig mit zwei in Serie geschalteten Leistungstransistoren vorhanden, deren ge­ meinsamer Knotenpunkt über einen Koppelkondensator an einen kapazitiven Sternpunkt des Wechselrichters angekoppelt ist. Die Leistungsfähigkeit einer derartigen Kompensations­ schaltung ist äußerst begrenzt, da infolge der notwendigen Spannungsfestigkeit eines an die Zwischenkreisspannung ange­ schlossenen Transistors ausschließlich Leistungshalbleiter verwendet werden können, deren dynamisches Verhalten nicht besser ist als das der eigentlichen Leistungsmodule. Um Erd­ kurzschlüsse der Zwischenkreisspannung sicher auszuschließen, kann auch ein derartiger Kompensationsteil ausschließlich ge­ taktet betrieben werden, so daß die Kompensationsspannung ebenfalls ausschließlich bei den beiden Zwischenkreispoten­ tialen definiert vorgegeben werden kann. Eine derartige Kom­ pensationsschaltung kann den Anforderungen moderner Strom­ richter mit höheren Taktfrequenzen nicht entsprechen und be­ deutet außerdem infolge des zusätzlichen Leistungstransistor­ moduls einschließlich der für dieses notwendigen Ansteuer­ schaltungen einen erheblichen Zusatzaufwand.

Aus den geschilderten Nachteilen vorbekannter Kompensations­ schaltungen resultiert das die Erfindung initiierende Pro­ blem, ein Schaltungskonzept zur Kompensation der zum Erdpo­ tential abschließenden Störströme an elektrischen Geräten mit getakteten Leistungsendstufen zu schaffen, das eine für eine gute Kompensation ausreichende Dynamik aufweist und außerdem mit möglichst preiswerten Bauelementen aufgebaut werden kann.

Zur Lösung dieses Problems sieht die Erfindung bei einer gat­ tungsgemäßen Kompensationsschaltung eine zur Erfassung und/oder Beobachtung von Zustandsgrößen an das Gerät angekoppelte Steuer- und/oder Regelungsschaltung vor, deren Ausgangsstufe zur Einspeisung von Kompensationsströmen mit dem Gerätege­ häuse und/oder einer Erdungsklemme gekoppelt ist. Hier wird einerseits auf elektronischem Weg eine aktive Steuerung bzw. Regelung vorgenommen, welche mit verhältnismäßig niedrigem Aufwand dennoch weitaus genauer ist als ein passiver Kopp­ lungstransformator, und andererseits wird hier nicht eine ka­ pazitive Ankopplung an einen virtuellen Sternpunkt vorgenom­ men, sondern ein nach dem Steuerungs- oder Regelalgorithmus bestimmter Kompensationsstrom wird direkt an dem Gerätegehäu­ se und/oder einer Erdungsklemme eingespeist.

Im Gegensatz zu bisherigen, aktiven Kompensationsschaltungen, welche als Leistungsstellglieder relativ langsame Leistungs­ transistoren benötigen, bevorzugt die Erfindung die Verwen­ dung von schnellen Elektronik-Halbleitern im Bereich der Kom­ pensator-Ausgangsstufe, welche eine hohe Regelungsdynamik er­ lauben, so daß die Umgebung eines derart kompensierten Gerä­ tes von Störspitzen weitgehend frei ist.

Um die Dynamik der schnellen Elektronik-Halbleiter ausnutzen zu können, sieht die Erfindung weiterhin vor, daß die Kompen­ sator-Ausgangsstufe als Push-Pull-Verstärker aufgebaut ist.

Um die Verwendung von schnellen (Kleinsignal-)Halbleitern möglich zu machen, sollte die Kompensator-Ausgangsstufe gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung an einer niedrigen (Kleinsignal-)Versorgungsspannung angeschlossen sein. Indem die erfindungsgemäße Kompensationsschaltung nicht von der ho­ hen Zwischenkreisspannung gespeist wird, stehen als Halblei­ ter hochdynamische Kleinsignaltransistoren zur Verfügung, die einerseits ein weitaus besseres Zeitverhalten haben als Lei­ stungstransistoren und andererseits nicht getaktet betrieben werden müssen, sondern infolge reduzierter Verlustleistungen ein kontinuierlich verstellbares Ausgangssignal liefern kön­ nen, welches eine optimale Dynamik und damit Regelungsquali­ tät erlaubt.

Der Schaltungsaufwand läßt sich weiterhin dadurch reduzieren, daß die Kompensator-Ausgangsstufe mit derselben Versorgungs­ spannung verbunden ist wie die Steuer- und/oder Regelungs­ schaltung. Es kann sich hierbei um die bei jedem elektronisch gesteuerten Gerät standardmäßig vorhandene Elektronik-Versor­ gungsspannung handeln, so daß der Zusatzaufwand im Idealfall auf die wenigen Bauteile der Kompensationselektronik be­ schränkt ist.

Wie jeder Verstärker stellt die Kompensator-Ausgangsstufe primär eine Ausgangsspannung zur Verfügung, gemäß deren Amplitude sich der gewünschte Kompensationsstrom einstellt. Um diesen definiert zum Erdpotential abfließen zu lassen, ist ein Anschluß der Kompensator-Ausgangsstufe mit dem Gerätege­ häuse und/oder einer Erdungsklemme direkt oder über ein Kopp­ lungsnetzwerk verbunden, während ein dem gegenüber definiert verstellbarer Spannungsanschluß der Kompensator-Ausgangsstufe bevorzugt an eine Referenzspannung, bspw. eine Zwischenkreis­ spannung direkt oder über ein Kopplungsnetzwerk angeschlossen ist. Das Kopplungsnetzwerk dient primär dazu, Spannungs­ schwankungen oder gar -spitzen des Leistungsteils von der Kompensatorelektronik fernzuhalten und kann im einfachsten Fall aus einem oder mehreren Kondensatoren bestehen. Auch ein Koppeltransformator kann aufgrund seiner galvanischen Tren­ nung zwischen Primär- und Sekundärwicklung verwendet werden. Auch ist es möglich, durch weitere Elemente, insbesondere Spulen, eine gewünschte Dynamik zu erreichen.

Zur Messung des asymmetrischen Störstroms kann bspw. eine die Zuleitungen des Geräts oder die Anschlußleitungen zu dem Ver­ braucher umgebende Induktionsspule verwendet werden, auch kann in der Erdungsleitung ein Stromwandler angeordnet wer­ den. Schließlich ist es auch möglich, die Ausgangsströme in­ direkt aus den Ausgangsspannungen zu bestimmen und hieraus wiederum den zum Erdpotential abfließenden Anteil zu berech­ nen.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile auf der Basis der Erfindung ergeben sich anhand der folgenden Beschreibung ei­ niger bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung sowie anhand der Zeichnung. Hierbei zeigt:

Fig. 1 Ein prinzipielle Blockschaltbild einer ersten Aus­ führungsform der Erfindung;

Fig. 2 eine Konkretisierung des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1; sowie

Fig. 3 eine andere Ausführungsform der Erfindung.

In Fig. 1 ist bei 1 der Leistungsteil eines Drehstromumrich­ ters angedeutet. Man erkennt den Zwischenkreiskondensator C1, der die Zwischenkreisspannung U0 zwischen den beiden Zwi­ schenkreisschienen 2, 3 stabilisiert. Der mit dem Netz gekop­ pelte Gleichrichter ist bei der Darstellung gemäß Fig. 1 weggelassen. Ferner ist eine Ausgangsstufe 4 des Wechselrich­ ters dargestellt. Diese besteht in der üblichen Form aus zwei in Reihe geschalteten Leistungstransistoren T1, T2, welche in ihrer Gesamtheit die Zwischenkreispotentiale 2, 3 miteinander verbinden. Jedem Leistungstransistor T1, T2 ist eine Frei­ laufdiode D1, D2 antiparallel geschaltet. Um die Verlustlei­ stung zu reduzieren, werden die Transistoren T1, T2 getaktet betrieben und ausschließlich abwechselnd eingeschalten, so daß sich keine Querkurzschlüsse der Zwischenkreisspannung U0 ausbilden können. Somit schwankt das Potential an dem aktiven Ausgang 5 dieses Wechselrichterzweigs 4 zwischen dem negati­ ven Zwischenkreispotential 2 und dem positiven Zwischenkreis­ potential 3. Um diese hohen Spannungssprünge von einem ange­ schlossenen Verbraucher zumindest teilweise fernzuhalten, ist an dem Ausgang 5 eine Glättungsdrossel 6 angeschlossen. Den­ noch bilden sich zwischen dem aktiven Ausgang 5 und dem durch die Drossel 6 im Signalverlauf geglätteten Ausgangsanschluß 7 und dem Potential des metallischen Gerätegehäuses 8 parasi­ täre Kapazitäten Cp1, Cp2 aus. Infolge der bei Verwendung von IGBT-Leistungstransistoren T1, T2 möglichen Taktfrequenzen von etwa 20 kHz ergeben sich insbesondere an dem aktiven Ausgang 5, aber auch an dem vorgeglätteten Ausgang 7 relativ steile Spannungsflanken, welche in den parasitären Kapazitä­ ten Cp1, Cp2 Umladeströme mit hohen Stromspitzen nach sich ziehen, die zu dem Gehäuse 8 und von dort über eine Erdungs­ leitung 9 zum Erdpotential 10 abließen.

Diese störenden Erdungsströme können netzseitig Schutzschal­ tungen auslösen oder in der Umgebung installierte Geräte be­ einträchtigen und sind daher vom Gesetzgeber hinsichtlich ih­ rer Maximalwerte reglementiert worden. Es sind daher Gegen­ maßnahmen notwendig, um trotz der getakteten Leistungsendstu­ fen 4 den zum Erdpotential 10 abfließenden Strom auf null zu regeln. Diesem Zweck dient die erfindungsgemäße Kompensati­ onsschaltung 11. Kernstück dieser Kompensationsschaltung ist eine Steuer- oder Regelungsschaltung 12, die eingangsseitig 13 zur Erfassung und/oder Beobachtung des zum Erdpotential 10 abfließenden Störstroms an den Leistungsteil 1, die Erdungs­ leitung 9 und/oder den Regelungsteil des Gerätes angekoppelt ist und aus den solchermaßen zur Verfügung gestellten Infor­ mationen den tatsächlichen Wert des nach Erdpotential 10 ab­ fließenden Störstroms ermittelt, insbesondere berechnet, oder schätzt. Mit dieser Information wird anhand eines Regelalgo­ rithmus G(jw) ein Reglerausgangssignal 14 generiert, mit wel­ chem die Kompensator-Ausgangsstufe 15 angesteuert wird. Diese besteht aus einem Push-Pull-Verstärker mit zwei in Reihe ge­ schalteten Transistoren Tk1, Tk2, deren gemeinsamer Knoten 16 das aktive Ausgangssignal des Kompensatorschaltkreises 11 darstellt, welches über ein Kopplungsnetzwerk 17 mit einer Übertragungsfunktion H(jw) mit dem Metallgehäuse 8, gegebe­ nenfalls auch mit einem Kühlkörper und/oder Erdungsanschluß zur Einspeisung eines Kompensationsstroms gekoppelt ist. Der Regelalgorithmus G(jw) ist derart optimiert, daß der Kompen­ sationsstrom betragsmäßig dem von dem Leistungsteil 1 hervor­ gerufenen Gesamt-Störstrom entspricht, jedoch entgegenge­ setzte Vorzeichen aufweist, so daß dem Leistungsteil 1 als Störstromquelle die Kompensationsschaltung 11 als Störstrom­ senke zugeordnet wird, und der nach Erdpotential 10 abflie­ ßende Strom insgesamt zu null wird.

Für eine optimale Regelung ist auch eine hohe Dynamik des Kompensatorausgangs-Stellglieds 15 notwendig. Hier werden deshalb schnelle Kleinsignaltransistoren Tk1, Tk2 verwendet, wie sie in den vielfältigsten Ausführungen angeboten werden. Dies ist möglich, weil als Versorgungsspannung für die Kom­ pensationsschaltung 11 eine niedrige Hilfsspannung Uh verwen­ det wird, deren negatives Potential 18 mit dem negativen Zwi­ schenkreispotential 2 verbunden ist. Im Idealfall handelt es sich hierbei um die für den Regelungsteil des Gerätes 1, 8 zur Verfügung gestellte Elektronikspannung. Das Kopplungs­ netzwerk 17 kann aus verschiedenen Reaktanzen aufgebaut sein, bspw. einem oder mehreren Kondensatoren und/oder Spulen. Au­ ßerdem ist es möglich, hier einen galvanisch getrennten Kopp­ lungstransformator zu verwenden, dessen Sekundärwicklung bspw. an dem Gehäuse 8 angekoppelt oder in die Erdungsleitung 9 eingeschleift sein kann.

Die einfachste Realisierung des Kopplungsnetzwerks 17 ist in Fig. 2 wiedergegeben und besteht aus einem Koppelkondensator Ck1, der den aktiven Ausgang 16 der Kompensator-Schaltung 11 mit dem Gerätegehäuse 8 verbindet. Dieser hält einerseits Spannungsspitzen von der Kompensatorschaltung 11 ab und hat andererseits ein definiertes Übertragungsverhalten, das von dem Steuer- oder Regelalgorithmus G(jw) zur Erzeugung des ge­ wünschten Kompensationsstroms angesteuert werden kann.

In Fig. 3 ist eine abweichende Ankopplung der Kompensations­ schaltung 11 gezeichnet. Hier ist das negative Potential 19 der Elektronik-Versorgungsspannung Uh direkt mit dem Gehäuse 8 verbunden, um hier den notwendigen Kompensationsstrom di­ rekt einzuspeisen, so daß der zum Erdpotential 10 fließende Strom zu null ausgeregelt werden kann. Die Kompensationsströ­ me werden hierbei aus den Umladeströmen von Koppelkonden­ satoren Ck1, Ck2 gewonnen, deren gemeinsamer Schaltungsknoten mit dem aktiven Ausgang 16 der Kompensator-Ausgangsstufe 15 verbunden ist, während die jeweils freien Anschlüsse der Kop­ pelkondensatoren Ck1, Ck2 mit dem negativen bzw. positiven Zwischenkreispotential 2, 3 verbunden sind. Um die polare Kompensationsströme zu erreichen, können der Kompensator-Aus­ gangsstufe 15 entsprechende Halbleiter-Bauelemente antiparal­ lel geschalten sein.

Claims (8)

1. Schaltungsanordnung (11) zur Kompensation asymmetrischer Störströme, welche bei Geräten (1) mit schaltenden Leistungs­ endstufen (4) durch die Umladung parasitärer Ausgangskapazi­ täten (Cp1, Cp2) hervorgerufen werden, gekennzeichnet durch eine zur Erfassung und/oder Beobachtung von Zustandsgrößen an das Gerät (1) an­ gekoppelte (13) Steuer- und/oder Regelungsschaltung (12), de­ ren Ausgangsstufe (15) zur Einspeisung von Kompensationsströ­ men mit dem Gerätegehäuse (8), Kühlkörper und/oder einer Er­ dungsklemme (9) gekoppelt ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompen­ sator-Ausgangsstufe (15) mit schnellen Elektronik-Halbleitern (Tk1, Tk2) aufgebaut ist.

3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompen­ sator-Ausgangsstufe (15) als Push-Pull-Verstärker aufgebaut ist.

4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompen­ sator-Ausgangsstufe (15) an einer niedrigen (Kleinsignal-) Versorgungsspannung (Uh, 18) angeschlossen ist.

5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompen­ sator-Ausgangsstufe (15) mit derselben Versorgungsspannung (Uh, 18) verbunden ist wie die Steuer- und/oder Regelungs­ schaltung (12).

6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Anschluß (18) der Versorgungsspannung (Uh) der Kompensator-Ausgangs­ stufe (15) mit einer der Versorgungsspannungen (2) der Lei­ stungsendstufe (4), mit dem Gehäuse, Kühlkörper und/oder ei­ ner Erdungsklemme des Geräts verbunden ist.

7. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß der aktive Ausgangsanschluß (16) der Kompensator-Ausgangsstufe (15) mit dem Gehäuse (8), einem Kühlkörper einer Erdungsklemme und/oder einer der Versorgungsspannungen der Leistungsendstufe des Geräts gekoppelt ist.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das/die Kopplungsnetzwerk(e) (17) zwischen dem aktiven Anschluß (16) der Kompensator-Ausgangsstufe (15) und dem Gehäuse (8), einer Erdungsklemme oder einer der Versorgungsspannungen der Lei­ stungsendstufe (4) des Geräts einen oder mehrere Kondensato­ ren (Ck1), Spulen und/oder einen Koppeltransformator aufweist (aufweisen).