DE19850853A1 - Frequenzumrichter mit bedämpftem Gleichspannungszwischenkreis - Google Patents

Abstract

Ein Frequenzumformer (1) weist in einem Gleichspannungszwischenkreis (5) eine stromkompensierte Drossel (18) mit einem Magnetkern (19) aus einem nanokristallinen Material auf. Die Drossel (18) dient dazu, von einem Wechselrichter (6) erzeugte asymmetrische Störungen zu dämpfen und zu verhindern, daß diese in ein Netz (3) eingespeist werden.

Description

Die Erfindung betrifft einen Frequenzumrichter mit einem ein­ gangsseitigen Gleichrichter und einem ausgangsseitigen Wech­ selrichter und einem zwischen Gleichrichter und Wechselrich­ ter geschalteten Gleichspannungszwischenkreis.

Zur Entstörung von Frequenzumformern ist es allgemein be­ kannt, in die Netzleitungen vor den Gleichrichter stromkom­ pensierte Drosseln mit Ferritkernen zu schalten. Diese strom­ kompensierten Drosseln dienen dazu, asymmetrische Störungen auf den Netzleitungen wirksam zu unterdrücken.

Ein Nachteil der bekannten Drosseln mit Ferritkernen ist de­ ren großes Volumen, das wegen der niedrigen Permeablität von Ferritkernen zum Erzielen einer wirksamen Unterdrückung von Störspannungen erforderlich ist. Dies hat zur Folge, daß die Entstördrosseln mit Ferritkernen nicht in das Gehäuse von Frequenzumrichtern integriert werden können oder daß das Ge­ häuse von Frequenzumrichtern entsprechend groß gewählt werden muß, damit die Entstördrosseln mit Ferritkernen in das Gehäu­ se des Frequenzumrichters aufgenommen werden können. Hinzu kommt, daß die Ferritkerne in ihren magnetischen Eigenschaf­ ten empfindlich auf Temperaturänderungen reagieren. Deshalb sind die in der Form von Ringkernen vorliegenden Ferritkerne möglichst groß auszulegen, so daß Leitungen mit großem Lei­ tungsquerschnitt durch den Innenraum des Ringkerns hindurch­ geführt werden können, um den Leitungswiderstand und damit den Tefüperaturhub beim Betrieb der stromkompensierten Drossel zu begrenzen.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Frequenzumrichter kleiner Bauform mit guter Störungsunterdrückung zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Gleichspannungszwischenkreis wenigstens eine Drossel mit ei­ nem Magnetkern aus einem weichmagnetischen nanokristallinen Material umfaßt.

Die gemäß der Erfindung verwendeten weichmagnetischen nano­ kristallinen Materialien weisen im Vergleich zu Magnetkernen aus Ferrit eine viermal höhere Permeabilität auf. Auch die Sättigungsinduktion der nanokristallinen Materialien liegt um den gleichen Faktor höher als die Sättigungsinduktion von Ferriten. Insofern läßt sich durch die Verwendung von weichmagnetischen nanokristallinen Kernen im Vergleich zu Ferritkernen die gleiche Induktivität mit einer kleineren Windungszahl und kleinerem Kernquerschnitt erzielen.

Bei Verwendung weichmagnetischer nanokristalliner Magnetkerne sind somit für die Drosseln kleine Bauformen möglich. Diese Drosseln lassen sich im Gleichspannungszwischenkreis anord­ nen, ohne daß ein besonders großes Gehäuse für den Frequen­ zumformer erforderlich wird. Durch die Anordnung der Drosseln im Gleichspannungszwischenkreis werden die vom Wechselrichter ausgehenden Störungen außerdem nahe ihrem Entstehungsort be­ dämpft. Dadurch wird aber die von dem Frequenzumformer ausge­ hende elektromagnetische Emission wesentlich besser unter­ drückt als beim Stand der Technik, bei dem die Drosseln ein­ gangsseitig in den Netzleitungen angeordnet sind.

Ein weiterer Vorteil der weichmagnetischen nanokristallinen Materialien ist die Temperaturbeständigkeit der magnetischen Eigenschaften. Während bei Ferriten die Sättigungsinduktion im Temperaturbereich von 20°C bis 100°C stark absinkt, bleibt die Sättigungsinduktion bei weichmagnetischen nanokristalli­ nen Materialien in diesem Temperaturbereich im wesentlichen konstant. Dies bedeutet, daß Drosseln mit Magnetkernen aus weichmagnetischem nanokristallinem Material auch bei einem großen Temperaturhub zuverlässig arbeiten. Insofern lassen sich für die Wicklungen Drähte mit kleinem Querschnitt ver­ wenden, wodurch die Größe der Bauform weiter verringert wird.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen enthalten.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung im einzelnen anhand der beigefügten Zeichnung erläutert. Es zei­ gen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Frequenzumfor­ mers mit bedämpftem Gleichspannungszwischenkreis;

Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Frequenzum­ formers mit bedämpftem Gleichspannungszwischen­ kreis;

Fig. 3 ein Ersatzschaltbild für den Frequenzumformer aus Fig. 1;

Fig. 4 ein weiteres Ersatzschaltbild für den Frequenzum­ former aus Fig. 2; und

Fig. 5 gemessene Störspannungskurven bei Einsatz eines Frequenzumformers ohne bedämpften Gleichspannungs­ zwischenkreis und bei Einsatz eines Frequenzumfor­ mers mit bedämpftem Gleichspannungszwischenkreis.

Fig. 1 stellt einen Frequenzumformer 1 dar, der über Netz­ leitungen 2 an ein Netz 3 angeschlossen ist. Die Netzleitun­ gen 2 führen zu einem eingangsseitigen Gleichrichter 4, der über einen Gleichspannungszwischenkreis 5 mit einem Wechsel­ richter 6 verbunden ist. Der Wechselrichter 6 kann beispiels­ weise ein Isolated Gate Bipolar Transistor (IGBT) sein. Vom Wechselrichter 6 führen ausgangsseitig Motorkabel 7 zu einem Asynchronmotor 8. Der Gleichrichter 4 sowie der Wechselrich­ ter 6 sind in einem Gehäuse 9 angeordnet, das über eine Mas­ seleitung 10 an eine Masse 11 angeschlossen ist. In gleicher Weise ist eine Motorkabelabschirmung 12 über eine Masselei­ tung 13 an die Masse 11 angeschlossen.

Der Frequenzumformer 1 dient nun dazu, die Frequenz und Phase der Antriebsströme für den Asynchronmotor 8 entsprechend der gewünschten Drehzahl des Asynchronmotors 8 einzustellen. Zu diesem Zweck werden die um 120° versetzten Phasen vom Gleich­ richter 4 gleichgerichtet und in den eine positive Nennstrom­ leitung 14 und eine negative Nennstromleitung 15 aufweisenden Gleichspannungszwischenkreis 5 eingespeist. Der Wechselrich­ ter 6 formt nun die Gleichspannung in Antriebsströme mit der gewünschten Phase und Frequenz für den Antrieb des Asynchron­ motors 8 um. Der Antriebsstrom in jedem der drei Motorkabel 7 weist dabei keinen sinusförmigen Verlauf auf, sondern wird durch eine bipolare Dreiecksspannung angenähert. Bei Bela­ stung des Asynchronmotors 8 wird darüber hinaus die Dreiecks­ spannung durch hochfrequente Rechteckpulse überlagert, deren Frequenz üblicherweise im Bereich von 100 kHz liegt.

Durch den Betrieb des Wechselrichters 6 entstehen im Gleich­ spannungszwischenkreis 5 symmetrische und asymmetrische Stö­ rungen. Symmetrische Störungen sind dabei solche Störungen, bei denen Potentialschwankungen zwischen der positiven Nenn­ stromleitung 14 und der negativen Nennstromleitung 15 auftre­ ten. Symmetrische Störungen entstehen beispielsweise wenn die Drehzahlfrequenz des Asynchronmotors 8 geändert wird. Dann ändert sich die Stromstärke in der positiven Nennstromleitung 14 und der negativen Nennstromleitung 15 und es treten Poten­ tialschwankungen zwischen der positiven Nennstromleitung 14 und der negativen Nennstromleitung 15 auf.

Aufgrund der kapazitiven Kopplung des Wechselrichters 6 mit dem über die Masseleitung 10 mit der Masse 11 verbundenen Ge­ häuse 9 führen die vom Wechselrichter 6 erzeugten hochfre­ quenten Pulse im Frequenzbereich von 100 kHz auf der Nenn­ stromleitung 14 und der Nennstromleitung 15 zu asymmetrischen Störungen, die als Potentialschwankungen zwischen der Nenn­ stromleitung 14 und der Masse 11 oder der Nennstromleitung 15 und der Masse 11 gemessen werden.

Falls die symmetrischen und asymmetrischen Störungen nicht gedämpft werden, pflanzen sie sich über die Netzleitungen 2 ins Netz 3 fort. Außerdem sendet ein derartiger Frequenzum­ former ein beträchtliches Maß an Störstrahlung aus. Insbeson­ dere aus letzterem Grund ist es erforderlich, die Störsignale möglichst in der Nähe des Ortes ihrer Entstehung zu dämpfen.

Zur Dämpfung symmetrischer Störsignale ist im Gleichspan­ nungszwischenkreis 5 zwischen der positiven Nennstromleitung 14 und der negativen Nennstromleitung 15 ein Ausgleichskon­ densator 16 angeordnet. Zur weiteren Dämpfung symmetrischer Störsignale ist zwischen den Netzleitungen 2 außerdem ein Sternkondensator 17 vorgesehen.

Zur Dämpfung asymmetrischer Störungen ist im Gleichspannungs­ zwischenkreis 5 eine stromkompensierte Drossel 18 angeordnet, die zwei auf einen Magnetkern 19 aufgewickelte Drosselspulen 20 und 21 aufweist. Die Drosselspulen 20 und 21 sind dabei so an die Nennstromleitungen 14 und 15 angeschlossen, daß sich die von den Drosselspulen 20 und 21 im Magnetkern 19 erzeug­ ten magnetischen Flüsse bei gleicher Stromstärke der durch die Drosselspulen 20 und 21 fließenden Nennströme zu Null kompensieren. Wenn nun ein Teil der Nennströme durch die ka­ pazitive Kopplung des Wechselrichters 6 an die Masse 11 abge­ leitet wird, entsteht auf den Nennstromleitungen 14 und 15 eine asymmetrische Störung, die die stromkompensierte Drossel 18 aussteuert. Falls die Induktivität der stromkompensierten Drossel 18 ausreichend hoch ist, wird die asymmetrische Stö­ rung nun entsprechend gedämpft.

Um den Frequenzumformer 1 klein zu halten, ist der Magnetkern 19 der stromkompensierten Drosselspule 18 aus einem weichma­ gnetischen nanokristallinen Material hergestellt. Bei dem weichmagnetischen nanokristallinen Material handelt es sich beispielsweise um die in der EP 0 271 657 B1 beschriebenen Legierungen auf Eisenbasis, insbesondere eine Legierung der Zusammensetzung Fe_73,5Cu₁Nb₃Si_15,5B₇. Diese Legierungen auf Ei­ senbasis eignen sich aufgrund der hohen Sättigungsinduktion und des großen Temperatureinsatzbereichs besonders für den Einsatz in den Drosseln 18. Magnetkerne mit dieser Zusammen­ setzung weisen eine Sättigungsinduktion von 1,2 T auf. Die Permeabilitäten dieses Werkstoffes liegen bei Banddicken von 20 µm und Betriebsfrequenzen von 10 kHz zwischen 12.000 und 70000 und bei Betriebsfrequenzen von 100 kHz zwischen 20.000 bis 30.000. Die Sättigungsinduktion und die Permeabilität bleiben außerdem im Temperaturbereich zwischen Raumtemperatur und einer Temperatur von 120°C im wesentlichen unverändert. Da bei Betrieb des Frequenzumformers 1 im Inneren des Gehäu­ ses 5 Temperaturen im Bereich von 60°C bis 80°C herrschen, kann der Leitungsquerschnitt der die Drosselspule 20 und 21 bildenden Leitungen so klein gewählt werden, daß beim Betrieb der stromkompensierten Drossel 18 ein Temperaturhub von bis zu 60°C auftritt. Bei kleinem Leitungsquerschnitt kann aber auch der Innendurchmesser eines als Magnetkern 19 verwendeten Ringkerns klein gewählt werden. Der Einsatz von nanokri­ stallinen Legierungen für den Magnetkern 19 ermöglicht somit kleine Bauformen für die stromkompensierte Drossel 18. Das Gehäuse 9 des Frequenzumformers 1 ist demzufolge nur wenig größer als ein Gehäuse eines ungedämpften Frequenzumformers.

Außerdem hat die Verwendung eines weichmagnetischen nanokri­ stallinen Magnetkerns 19 den Vorteil, daß die Vibrationsfe­ stigkeit nanokristalliner Materialien wesentlich größer als die Vibrationsfestigkeit von Ferriten ist. Dies ist insbeson­ dere für Traktionsanwendungen von Bedeutung.

Zur Bedämpfung von asymmetrischen Störungen sind ferner zwi­ schen den Nennstromleitungen 14 und 15 und der Masse 11 Sperrkondensatoren 22 und 23 vorgesehen, die zusammen mit den Drosselspulen 20 und 21 einen Parallelschwingkreis bilden. Bei dem in Fig. 1 dargestellten Frequenzumformer 1 sind die Sperrkondensatoren 22 und 23 im Gleichspannungszwischenkreis 5 jeweils zwischen dem Wechselrichter 6 und der stromkompen­ sierten Drossel 18 angeordnet.

Bei einem weiteren abgewandelten Ausführungsbeispiel des Fre­ quenzumformers 1 sind im Gleichspannungszwischenkreis 5 zwi­ schen der stromkompensierten Drossel 18 und dem Gleichrichter 4 jeweils von den Nennstromleitungen 14 und 15 zur Masse 11 führende Ableitkondensatoren 24 und 25 angeordnet, die zusam­ men mit den Drosselspulen 20 und 21 jeweils einen Serien­ schwingkreis bildet. Die Funktion der Sperrkondensatoren 22 und 23 sowie der Ableitkondensatoren 24 und 25 wird nachfol­ gend anhand der in Fig. 3 und 4 dargestellten Ersatzschalt­ bilder erläutert.

Fig. 3 zeigt ein erstes Ersatzschaltbild für das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel des Frequenzumformers 1. Da­ bei stehen die Störquellen V1 und V2 für die vom Wechselrich­ ter 6 ausgehenden Störsignale. Die ohmschen Widerstände R1 und R2 stellen den Innenwiderstand des Wechselrichters 6 dar, während die Abschlußwiderstände R3 und R4 das Netz 3 veran­ schaulichen. Wie man leicht anhand Fig. 3 erkennt, bilden die Induktivitäten L1 und L2, die für die Drosselspulen 20 und 21 stehen, jeweils zusammen mit dem zugeordneten Sperr­ kondensator 22 und 23, die in Fig. 3 durch die Kapazitäten C1 und C2 angedeutet sind, einen Parallelschwingkreis. Bei der Resonanzfrequenz weisen die Impedanzen der von den Induk­ tivitäten L1 und L2 sowie den Kapazitäten C1 und C2 gebilde­ ten Parallelschwingkreise ein Maximum auf. Zweckmäßigerweise werden die Induktivitäten L1 und L2 sowie die Kapazitäten C1 und C2 so ausgelegt, daß die Resonanzfrequenz auf der Grund­ frequenz des Wechselrichters 6 zu liegen kommt, so daß die Grundfrequenz und die zugeordneten Oberwellen der Störsignale auf wirksame Weise bedämpft werden. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß die Störsignale in nächster Nähe zum Ort ihrer Entstehung unterdrückt werden und daß ihre Ausbreitung ins Netz auf wirksame Weise unterbunden wird.

Fig. 4 zeigt nun ein weiteres Ersatzschaltbild für das in Fig. 2 dargestellte abgewandelte Ausführungsbeispiel des Frequenzumformers 1, wobei die Kapazitäten C3 und C4 für die Ableitkondensatoren 24 und 25 stehen. Die Kapazitäten C3 und C4 bilden zusammen mit den Induktivitäten L1 und L2 einen Se­ rienschwingkreis, dessen Impedanz bei der Resonanzfrequenz ein Minimum aufweist. Dementsprechend lassen sich bei diesem Ausführungsbeispiel einzelne starke Frequenzkomponenten im Störspektrum des Wechselrichters 6 auf wirksame Weise bedämp­ fen, da diese über die Serienschwingkreise kurzgeschlossen werden.

Fig. 5 zeigt schließlich mit einer gestrichelten Kurve 26 den Verlauf eines gemessenen Störspektrums bei Verwendung ei­ nes ungedämpften Frequenzumformers. In Fig. 5 ist die über eine Zeitkonstante gemittelte Störspannung V_S über die Fre­ quenz f aufgetragen. Man erkennt anhand Fig. 5, daß in die­ sem Fall der zulässige Grenzwert 27 für Frequenzen unterhalb von 800 kHz wesentlich überschritten wird. Bei Verwendung des mit der stromkompensierten Drossel 18 im Gleichspannungszwi­ schenkreis bedämpften Frequenzumformer 1 ergibt sich das mit einer durchgezogenen Linie in das Diagramm in Fig. 5 einge­ zeichnete Spektrum 28, das im gesamten, dargestellten Fre­ quenzbereich mindestens einen Abstand von 10 dB zum erlaubten Grenzwert aufweist.

Claims (8)

1. Frequenzumrichter mit einem eingangsseitigen Gleichrichter (4) und einem ausgangsseitigen Wechselrichter (6) und einem zwischen Gleichrichter (4) und Wechselrichter (6) geschalte­ ten Gleichspannungszwischenkreis (5), dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichspannungszwischenkreis (5) wenigstens eine Drossel (18) mit einem Magnetkern (19) aus einem weichmagne­ tischen nanokristallinen Material umfaßt.

2. Frequenzumrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichspannungszwischenkreis (5) zwei von einer stromkompensierten Drossel (18) bedämpfte Nennstromleitungen (14, 15) umfaßt.

3. Frequenzumrichter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die stromkompensierte Drossel (18) einen Ringkern mit zwei Drosselspulen (20, 21) umfaßt.

4. Frequenzumrichter nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Nennstromleitungen (14, 15) eine Kapazität (16) geschaltet ist.

5. Frequenzumrichter nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der stromkompensierten Drossel (18) und dem ein­ gangsseitigen Gleichrichter (4) jeweils eine Kapazität (24, 25) zwischen den Nennstromleitungen (14, 15) und einer Masse (11) geschaltet sind.

6. Frequenzumrichter nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen stromkompensierter Drossel (18) und Wechselrich­ ter (6) jeweils eine Kapazität (22, 23) zwischen den Nenn­ stromleitungen (14, 15) und einer Masse (11) geschaltet sind.

7. Frequenzumrichter nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des von der Induktivität jeweils einer Dros­ selspule (20, 21) und der zugeordneten Kapazität (24, 25, 26, 27) gebildeten Schwingkreises auf die Schaltfrequenz des Wechselrichters (6) abgestimmt ist.

8. Frequenzumrichter nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eingangsseitig vor den Gleichrichter (4) zwischen den Netzleitungen (2) ein Sternkondensator (17) geschaltet ist.