DE19812315A1

DE19812315A1 - Entstörschaltung für elektronische Drehzahlregeleinrichtungen

Info

Publication number: DE19812315A1
Application number: DE1998112315
Authority: DE
Inventors: Hans-Joachim Poess
Original assignee: Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Current assignee: Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Priority date: 1998-03-20
Filing date: 1998-03-20
Publication date: 1999-09-30

Abstract

Beschrieben ist eine Entstörschaltung für elektronische getaktete Halbleitersteuerungen (2) umfassend ein Spannungsnetz (3), einen Gleichrichter (8), eine Halbleiterleistungsstufe (9), welche von einer Gleichspannung gespeist wird, eine Steuerungselektronik (15), welche die Halbleiterleistungsstufe steuert, ein Verbindungskabel (5) umfassend mindestens eine, vorzugsweise 3-Phasen, eine stromkompensierte Drossel (1) mit einem Kern (16) und zwischen Spannungsnetz und Gleichrichter angeordneten Kondensatoren (13, 12), sowie ggf. zusätzlich in der Halbleitersteuerung (2) befindliche Transistoren (14), welche dadurch gekennzeichnet ist, daß am Ausgang des Gleichrichters im Zwischenkreis der elektronischen getakteten Halbleitersteuerung (2) Kondensatoren (10, 11) angebracht sind, die eine Verbindung zum gemeinsamen Mittelpol (13) bzw. zur Massen aufweisen und der Kern der stromkompensierten Drossel im wesentlichen aus einem nanokristallinen oder amorphen Metall besteht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Entstörschaltung für elektronische Drehzahlregeleinrichtungen, wie beispielsweise Frequenzumrichter zur Steuerung von 3-Phasenmotoren. Zur Steuerung von elektrischen Verbrauchern werden häufig getak tete Leistungsendstufen eingesetzt, welche im wesentlichen aus Leistungshalbleiterbauelementen aufgebaut sind. So wird beispielsweise in einem Frequenzumrichter für einen 3-Phasenmotor zunächst die dreiphasige Versorgungsspannung des Netzes gleichgerichtet und dann mit geeigneter Frequenz zer hackt. Eine Steuerungselektronik verändert das Puls-/Pausen-Ver hältnis des erzeugten Signals, so daß eine synthetische Sinusspannung mit einstellbarer Frequenz entsteht. Die hier bei erzeugten Oberwellen wirken sich im allgeineinen störend auf die -gebenden Geräte oder auf das Versorgungsnetz aus. So kann es beispielsweise im Motorkabel zu sogenannten Hot- Spots kommen, welche zur Beschädigungen der Isolation führen, oder zu unerwünschten Einspeisungen von hochfrequenten Antei len in das Stromversorgungsnetz. Zudem werden die höher fre quenten Anteile über angeschlossene Leitungen an die Umgebung abgestrahlt. Aus diesen Gründen ist eine Unterdrückung dieser hochfrequenten Anteile mit Hilfe von Filtern unbedingt erfor derlich.

Aus Firmenprospekten der Firma Vacuumschmelze GmbH, Hanau, "Vitroperm 500 F", 1996 und "Stromkompensierte Funkentstör drosseln für die Leistungselektronik", 1996, geht eine Fil teranordnung bestehend aus einer stromkompensierten Drossel und Filterkondensatoren für Schaltnetzteile oder Frequenzum richter hervor. Die stromkompensierten Drosseln weisen einen ringförmigen Kern aus einem gewickelten Band auf, welcher aus einer nanokristallinen Legierung hergestellt ist. Zur Dämp fung der von der Störquelle emittierten hochfrequenten elek tromagnetischen Anteile wird zwischen Störquelle und Netz ei ne stromkompensierte Drossel angeordnet. Zwischen Drossel und Störquelle befinden sich an Phase und Nulleiter jeweils ein sogenannter C_Y-Kondensator, welcher eine Verbindung des be treffenden Leiters zur Erde herstellt. Am netzseitigen Aus gang der Drosselspule ist ein C_X-Kondensator angeordnet, wel cher Nulleiter und Phase miteinander verbindet. Stromkompen sierte Drosseln werden so in den Stromfluß eingebunden, daß sich das Magnetfeld des zum Verbraucher führenden und zum Netz zurückfließenden Stroms im Spulenkern gerade aufhebt. Auf diese Weise kann die zur Verfügung stehende magnetische Induktion des Spulenkerns in Bezug auf die Störsignale voll ausgenutzt werden.

Die Publikation Components 33 (1995), Heft 2, Seite 43 bis 45 beschreibt einen Frequenzumrichter, bestehend aus einem Gleichrichter und einer Leistungsstufe aus MOSFET's oder IGBT's. Zur Unterdrückung der hochfrequenten Störsignalen an den Motorzuleitungen und am Netzanschluß werden herkömmliche Netzfilter am Eingang und am Ausgang des Frequenzumrichters angeordnet. Am Ausgang des Gleichrichter vor dem Eingang des Verstärkungsbereich des Frequenzumrichters (Zwischenkreis) befindet sich zur Glättung des Signals ein Kondensator.

Die Problematik der Entstörung von Netz filtern und Frequen zumrichtern hat sich nach Einführung der neuesten EMV-Richtlinien (in Kraft seit 01.01.1996) noch weiter ver schärft. In "Netzfiltereinsatz in IT-Netzen", EMC Kompendium, 1998, Seite 238 bis Seite 240, sind Vorschläge zur Beschaf fenheit eines Filters bei der Motorsteuerung von 3-Phasenmotoren beschrieben. Geräte, die mit dem CE-Kennzeichen versehen werden sollen, müssen die vorstehend erwähnten EMV-Richtlinien erfüllen. In der Energieversorgung haben sich 3-Phasennetze mit geerdetem Sternpunkt (TN-Netze) oder mit iso liertem Sternpunkt (IT-Netze) durchgesetzt. In beiden Netzty pen lassen sich stromkompensierte Drosseln zwischen Lei stungssteuerelektronik und Netz zur Filterung der ungewünsch ten Frequenzen einsetzen. Gemäß der Publikation werden im Be reich vor der stromkompensierten Drossel und nach der strom kompensierten Drossel die 3-Phasen mit sogenannten C_X-Kondensatoren miteinander verbunden. Jede dieser 3-Phasen wird im Bereich vor der Drossel und nach der Drossel mit der Gerätemasse verbunden.

Es hat sich gezeigt, daß bei Einsatz einer stromkondensierten Drossel mit einem hochpermeablen Wickelkern sich mit Hilfe der vorstehend beschriebenen vorbekannten Schaltungsanordnun gen keine ausreichende Filterwirkung bei handelsüblichen Fre quenzumrichtern oder getakteten Netzteilen erzielen läßt. Es besteht daher nach wie vor das Problem der Filterung von hochfrequenten Störungen bei modernen getakteten Halbleiter leistungssteuerungen aufgrund steigender Anforderungen der üblichen in diesem Zusammenhang gültigen Richtlinien.

Die Erfindung betrifft daher eine Entstörschaltung für elek tronische getaktete Halbleitersteuerungen 2 umfassend ein Spannungsnetz 3, einen Gleichrichter 8, eine Halbleiterlei stungsstufe 9, welche von einer Gleichspannung gespeist wird, eine Steuerungselektronik 15, welche die Halbleiterleistungs stufe steuert, ein Verbindungskabel 5 umfassend mindestens eine, vorzugsweise 3-Phasen, eine stromkompensierte Drossel 1 mit einem Kern 16 und zwischen Spannungsnetz und Gleichrich ter angeordneten Kondensatoren 13, 12, sowie ggf. zusätzlich in der Halbleitersteuerung 2, wobei die Halbleitersteuerung 2 beispielsweise ein Frequenzumrichter ist, befindliche Transi storen 14, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß am Ausgang des Gleichrichters im Zwischenkreis der elektronischen getak teten Halbleitersteuerung 2 Kondensatoren 10, 11 angebracht sind, die eine Verbindung zum gemeinsamen Mittelpol 13 bzw. zur Masse aufweisen und der Kern der stromkompensierten Dros sel im wesentlichen aus einem nanokristallinen oder amorphen Metall besteht.

Die erfindungsgemäße Entstörschaltung bezieht sich auf übli che Netze mit 2 (RS) oder mehr Phasen (z. B. RST).

Als Kern der stromkompensierten Drossel wird vorzugsweise ein Ringbandkern mit weichmagnetischen Eigenschaften eingesetzt. Die eingesetzten Kerne sind vorzugsweise aus Bändern aus dem eingesetzten Material gewickelt. Die Dicke des Bandes beträgt vorzugsweise weniger als 30 µm.

Die Anfangspermeabilität des Kerns in der stromkompensierten Drossel beträgt vorzugsweise mindestens 10.000, insbesondere mehr als 50.000, insbesondere mehr als 90.000. Diese Werte werden vorzugsweise bis zu einer Frequenz von 10 kHz einge halten.

Die Temperaturabhängigkeit der Permeabilität im Temperaturbe reich zwischen -40 und 120°C, bezogen auf die Permeabilität bei Raumtemperatur ist vorzugsweise geringer als ±20%, ins besondere geringer als ±10%.

Der Kern in der stromkompensierten Drossel weist vorzugsweise eine Sättigungsmagnetisierung von mindestens 0,6 T, insbeson dere 0,9 T auf. Ganz besonders bevorzugt sind Kerne mit einer Sättigungsmagnetisierung von mehr als 1,2 T.

Vorzugsweise handelt es sich bei den Kernen um ein nanokri stallines Material, insbesondere ein solches aus einer Fe- Basis-Legierung, wie z. B. ®VITROPERM der Fa. Vacuumschmelze GmbH. Es ist jedoch ebenfalls möglich, eine Go-Basis-Legierung aus einem amorphen Material einzusetzen, wie z. B. ®VITROVAC (Fa. Vacuumschmelze GmbH).

Vorzugsweise beträgt die Induktivität der stromkompensierten Drossel bei 10 kHz mindestens 3 mH, insbesondere mindestens 15 mH.

Die elektronische getaktete Halbleitersteuerung 2 ist vor zugsweise eine Drehzahlregeleinrichtungen. Besonders bevor zugt handelt es sich bei der elektronisch getakteten Halblei tersteuerung 2 um einen Frequenzumrichter bzw. Inverter. Da bei ist die Anzahl der gesteuerten Phasen nicht wesentlich. Bevorzugt wird jedoch eine Steuerung für 3-Phasen eingesetzt. Insbesondere handelt es sich um eine Steuerung für 3-Phasenmotoren 4.

Die gemäß der vorliegende Erfindung einsetzbaren Verbindungs kabel zum Verbraucher werden nach den gewünschten Anforderun gen ausgewählt. Vorzugsweise werden abgeschirmte Kabel einge setzt.

Am Ausgang des Gleichrichters in der Halbleitersteuerung 2, welcher beispielsweise in einem Frequenzumrichter vorhanden ist, sind erfindungsgemäß Zwischenkreiskondensatoren 10, 11 angeordnet, welche sich dadurch von herkömmlichen Kondensato ren 14 unterscheiden, daß sie eine Verbindung nach außen dar stellen. Durch diese zusätzlichen Kondensatoren wird eine Verbesserung der Ableitung der Störungen erreicht. Es ist möglich, daß die nach außen geführten Kondensatoren 10, 11 vor einem eventuell zusätzlich vorhandenen, im Innern befindli chen Kondensator angeordnet sind, oder danach, d. h. es kommt lediglich darauf an, daß die Zwischenkreiskondensatoren am Gleichspannungszwischenkreis angeschlossen sind und nach au ßen, vorzugsweise an die Gerätemasse, geführt sind.

Vorzugsweise ist sowohl die positive Spannung, als auch die negative Spannung im Zwischenkreis über jeweils einen Konden sator 10, 11 mit dem Mittelpol verbunden ist.

Die Kapazität der erfindungsgemäß einsetzbaren Kondensatoren im Zwischenkreis der Halbleitersteuerung 10, 11 beträgt vor zugsweise unabhängig voneinander 0,01 bis 1 µF, insbesondere 0,05 bis 0,2 µF.

Die außerhalb der elektronischen getakteten Halbleitersteue rung 2 vorhandenen Kondensatoren 12, 13, 14 weisen vorzugs weise unabhängig voneinander eine Kapazität von 0,1 bis 10 µF auf.

Die erfindungsgemäße Entstörschaltung ermöglicht eine Verrin gerung des Bauvolumens der Enstördrosseln vorzugsweise um et wa einen Faktor 2 gegenüber üblicherweise eingesetzten Dros seln.

Durch die spezielle erfindungsgemäße Entstörschaltung lassen sich vor allem die Störspannungen von üblichen Beschaltungen verringern. Die Spannungsreduzierung bezogen auf die Stör spannungen beträgt vorzugsweise mehr als 10 dB, vorzugsweise mehr als 20 dB.

Ein weiterer Vorteil ist, daß bei geringen Anforderungen an die Qualität der Entstörung kann auf zumindest ein Teil der außerhalb der Halbleitersteuerung 2 angebrachten Kondensato ren 12, 13 verzichtet werden kann.

Anhand der Fig. 1 bis 3 wird nun die vorliegende Erfindung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine Schaltungsanordnung zur Entstörung eines Frequenzumrichters 2.

Fig. 2 stellt das Spektrum der Störspannungen des erfin dungsgemäßen Frequenzumrichters dar.

Fig. 3 zeigt das Störspektrum des Frequenzumrichters nach Abb. 1 ohne die Kondensatoren 10 und 11.

Bei der Schaltungsanordnung in Fig. 1 wird der Motor 4 durch den Frequenzumrichter 2 gesteuert. Die Verbindung mit dem Frequenzumrichter erfolgt über ein dreiadriges abgeschirmtes Kabel 5, welches eine Verbindung von der Abschirmung zur ge meinsamen Erde 7 aufweist. Die Spannungsversorgung (beispielsweise 250 V, 50 Hz) liefert 3-Phasen, welche über eine stromkompensierte Drossel 1 zum Gleichrichter 8 des Fre quenzumrichters 2 gelangen. Im Frequenzumrichter wird die Wechselspannung des Netzes durch den Gleichrichter 8 in eine Gleichspannung umgewandelt. Diese Spannung wird in der Lei stungsendstufe 9 zerhackt und zu einer frequenzsteuerbaren synthetisch erzeugten sinusförmigen Ausgangsspannung umge formt. Die Steuerung der Leistungsendstufe 9 erfolgt mittels einer Steuerungselektronik 15. Zwischen stromkompensierter Drossel 1 und Netz 3 sind C_X-Kondensatoren 13 angeordnet. An der Seite der stromkompensierten Drossel 1, welche dem Fre quenzumrichter 2 zugewandt ist, sind Kondensatoren C_Y 12 an geordnet, welche jeweils eine Phase mit der gemeinsamen Erde verbinden. Im Zwischenkreis des Frequenzumrichters 2, also am Ausgang des Gleichrichters 8 befinden sich neben dem Ein gangskondensator (C_X) 14 zusätzliche Kondensatoren 10, 11 im Zwischenkreis. Diese Kondensatoren verbinden sowohl den posi tiven als auch den negativen Ausgang des Gleichrichters mit der gemeinsamen Erde. Die Zwischenkreiskondensatoren 10, 11 befinden sich unmittelbar am Ausgang des Brückengleichrich ters 8. Der Kern 16 der stromkompensierten Drossel ringförmig gewickelter Bandkern aus aus einem nanokristallinen Material mit hoher Permeabilität und vergleichsweise hoher Sättigungs induktion.

Das in den Fig. 2 und 3 dargestellte Frequenzspektrum mit und ohne Zwischenkreiskondensatoren 10 und 11, wurde mit ei ner üblichen EMV-Meßanordnung ermittelt. Die gemessene Span nung stellt die in das Netz eingespeiste Spannung dar. Als Motor wurde ein 3-Phasenmotor der Firma EFACEC des Typs BF5 90S 22 mit 1,8 kW eingesetzt. Die Länge des Kabels zwischen Inverter und Motor betrug 30 m, die Drehfrequenz des Motors 10 Hz. Als Frequenzumrichter wurde ein handelsübliches Gerät der Fa. Toshiba, Typ VFS7 mit einer Leistung von 3,7 kW ein gesetzt. Als Drossel wurde bei den Messungen in Fig. 2 eine Drossel mit einem Kern aus ®VITROPEPM 500 F(Fa. Vacuumschmel ze GmbH) mit einem Kerndurchmesser von etwa 4 cm und einem Gewicht von ca. 94 g eingesetzt, bei den Messungen in Fig. 3 eine Drossel mit einem üblichen Ferrit-Kern mit einer Permea bilität im Bereich von 4 bis 5000 (Kerndurchmesser: etwa 6,5 cm, Gewicht: ca. 380 g). Netzseitig wurden die Geräte Emi Test Receiver, Typ ESH10 (Rohde und Schwarz, Deutschland) und Artificial-Mains Network, Typ ESH2-Z5 (Fa. Rohde und Schwarz) verwendet. In den Fig. 2 und 3 ist die obere Kurve das QP- Signal (Quasi-Peak bzw. Quasi-Spitzenwert) und die untere Kurve das AV-Signal (Average). Die durchgezogenen Linien stellen den jeweiligen Grenzwert dar. Wie sich zeigt, werden die geforderten Grenzwerte nur mit Hilfe der zusätzlich im Zwischenkreis angebrachten Kondensatoren unterschritten. Ohne zusätzliche im Zwischenkreis massenschlüssig verbundene Kon densatoren 10 und 11 werden die Grenzwerte in einem Frequenz bereich unterhalb etwa 2 MHz nicht eingehalten.

Bezugszeichenliste

1

Stromkompensierte Drossel

2

Frequenzumrichter

3

Spannungsnetz

4

Dreiphasen-Motor

5

Motorkabel

6

Abschirmung

7

Mittelpol

8

Gleichrichterbrücke

9

Leistungsendstufe

10

Zwischenkreis-Kondensator

11

Zwischenkreis-Kondensator

12

Kondensatorgruppe (Cy)

13

Kondensatorgruppe (Cx)

14

Eingangskondensator (Cx)

15

Steuerungselektronik

16

Kern

Claims

1. Entstörschaltung für elektronische getaktete Halbleiter steuerungen (2) umfassend ein Spannungsnetz (3), einen Gleichrichter (8), eine Halbleiterleistungsstufe (9), welche von einer Gleichspannung gespeist wird, eine Steuerungselek tronik (15), welche die Halbleiterleistungsstufe steuert, ein Verbindungskabel (5) umfassend mindestens eine, vorzugsweise 3-Phasen, eine stromkompensierte Drossel (1) mit einem Kern (16) und zwischen Spannungsnetz und Gleichrichter angeordne ten Kondensatoren (13, 12), sowie ggf. zusätzlich in der Halbleitersteuerung (2) befindliche Transistoren (14), dadurch gekennzeichnet, daß am Ausgang des Gleichrichters im Zwischenkreis der elek tronischen getakteten Halbleitersteuerung (2) Kondensatoren (10, 11) angebracht sind, die eine Verbindung zum gemeinsamen Mittelpol (13) bzw. zur Masse aufweisen und der Kern der stromkompensierten Drossel im wesentlichen aus einem nanokri stallinen oder amorphen Metall besteht.

2. Entstörschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Kern der stromkompensierten Drossel ein Ringbandkern mit weichmagnetischen Eigenschaften eingesetzt wird.

3. Entstörschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anfangspermeabilität des Kerns in der stromkompen sierten Drossel mindestens 10.000 beträgt.

4. Entstörschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern in der stromkompensierten Drossel eine Sätti gungsmagnetisierung von mindestens 0,6 T aufweist.

5. Entstörschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivität der stromkompensierten Drossel bei 10 kHz mindestens 3 mH, vorzugsweise mindestens 15 mH beträgt.

6. Entstörschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronische getaktete Halbleitersteuerung (2) eine Drehzahlregeleinrichtungen, vorzugsweise ein Frequenzumrich ter, für 3-Phasenmotoren (4) ist.

7. Entstörschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungskabel zum Motor eine Abschirmung (6) auf weist.

8. Entstörschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß am Ausgang des Gleichrichters im Frequenzumrichter (2) sowohl die positive Spannung, als auch die negative Spannung über jeweils einen Kondensator (10, 11) mit dem Mittelpol verbunden ist.

9. Entstörschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität der Kondensatoren (10, 11) unabhängig von einander 0,01 bis 1 µF beträgt.

10. Entstörschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität der außerhalb der elektronischen getakteten Halbleitersteuerung (2) vorhandenen Kondensatoren (12, 13, 14) unabhängig voneinander 0,1 bis 10 µF beträgt.