DE19853693A1 - Einrichtung zur Verhinderung von Überspannungen auf den Ausgangsleitungen eines selbstgeführten Umrichters - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung liegt auf dem Gebiet der Frequenzumrichter oder Wechselrichter, die häufig zur Speisung von ohmsch-induktiven Lasten eingesetzt werden. Solche Umrichter wandeln eine Gleichspannung - die sog. Zwischenkreisspannung - im Wechselrichterteil mittels Leistungshalbleiterschaltern zu einer pulsweitenmodulierten Rechteckspannung um, so daß das gewünschte Ein- oder Mehrphasenstromnetz mit veränderlicher Effektivspannung und Frequenz bereitgestellt wird. Werden solche mit langen Umrichter-Last-Verbindungsleitungen betrieben, können durch Mehrfachreflexionen auf der Leitung Überspannungen auf der Leitung und an der Last entstehen. DOLLAR A Die vorliegende Erfindung ist nun eine Einrichtung zum Einbau in Umrichter- oder Lastnähe, die die Entstehung von Überspannungen durch Verhinderung von Mehrfachreflexionen auf der Verbindungsleitung erreicht. Die Schaltungsanordnung basiert auf einer verlustbehafteten Dioden-Klemmschaltung und eines spannungsbegrenzenden Schaltungsteils (Sb) zur Bildung einer Vergleichsklemmspannung. Im Gegensatz zu bekannten Anordnungen ist kein Anschluß an die Zwischenkreisspannung des Umrichters notwendig. Last kann eine ein- oder mehrphasige ohmsch-induktive Last oder ein Netzeinspeisungspunkt sein. DOLLAR A Fig. 1 enthält ein Ausführungsbeispiel der Einrichtung (5) in der Anwendung an einem 3-Phasen-Umrichter (1) mit 3-Phasen-Last (4) DOLLAR A (2: Zwischenkreis, Sb: spannungsbegrenzender Schaltungsteil).

Description

Die vorliegende Erfindung liegt auf dem Gebiet der Frequenzumrichter oder Wechsel­ richter, die verstärkt zur Speisung von ohmsch-induktiven Ein- und Mehrphasenlasten (z. B. Motoren, Transformatoren, Generatoren oder auch Netzeinspeisungen) eingesetzt werden. Häufig werden Pulsumrichter verwendet, die aus einem Gleichspannungs- Zwischenkreis gespeist. Dabei wird die Gleichspannung- die sog. Zwischenkreisspannung - im Wechselrichterteil mittels Leistungshalbleiterschaltern so zu einer pulsweitenmodulierten Rechteckspannung geschaltet, daß das gewünschte Ein- oder Mehrphasenstromnetz mit veränderlicher Effektivspannung und Frequenz bereitgestellt wird.

Als Leistungshalbleiter werden Bauteile verwendet, die zur Erzielung eines möglichst hohen Wirkungsgrades sehr schnell schalten und mit sehr kurzen Spannungs­ anstiegszeiten der Impulse arbeiten. Zur Anwendung kommen häufig FET's oder IGBT's (Feldeffekt- bzw. Insulated-Gate-Bipolar-Transistoren). Werden an solche Umrichter ohmsch-induktive Lasten mit langen Verbindungskabeln angeschlossen, so führt das schnelle Schalten zu folgendem Effekt:
Abhängig von der Leitungslänge entstehen hochfrequente Einschwingvorgänge auf den Zuleitungen, hervorgerufen durch Reflexionen der Impulse an den Leitungsenden und der Signallaufzeit der Leitung.

Das hat folgende Nachteile für den Betrieb:

• - Es entstehen an der Last Überspannungen, deren Amplitude bis zum zweifachen der Zwischenkreisspannung betragen kann. Resultat ist eine unzulässig hohe Beanspruchung der Isolation der angeschlossenen Last, einerseits durch die sehr hohe Steilheit der hochfrequenten Spannungsimpulse (du/dt-Belastung), anderseits durch die absolute Höhe der Überspannung selbst. Eine fortwährend hohe Umpolarisation innerhalb der Isolation, die zu Ermüdungserscheinungen des Isolationsmaterials und damit zur Reduzierung der Lebensdauer der Last(-Maschine) führt, ist die Folge.
• - Es entstehen am Umrichter hochfrequente Stromimpulse, die sich dem normalen Betriebsstrom überlagern. Eine unzulässige hohe Beanspruchung der Leistungshalbleiter im Umrichter kann die Folge sein. Diese zusätzliche Belastung steigt mit der Länge der Motorzuleitung.
• - Benachbarte Baugruppen sowie der Lastzuleitung parallel geführte Kabel können unzulässig beeinflußt werden: Durch die sehr kurzen Spannungsanstiegs und -abfallzeiten der hochfrequenten Störimpulse können über induktive und kapazitive Kopplung sowie über Abstrahlung Fehlfunktionen ausgelöst werden.

Die Erfindung betrifft nun eine Einrichtung zur Verhinderung der Entstehung von Refle­ xionen und Überspannungen auf den Ausgangsleitungen eines selbstgeführten Umrichters, welcher Ausgangsklemmen für den Anschluß von mindestens einer Ein- oder Mehrphasenlast oder einer Netzeinspeisung aufweist.

Aus der EP-0-473 192 A2 ist ein Filter bekannt, das im wesentlichen aus einer Kombination von Dioden, Widerstanden und Induktivitäten besteht. Dieses Filter zum Einbau in den Ausgang eines Umrichter enthält als Tiefpaß sogenannte Stromanstiegs­ begrenzungsdrosseln, denen drei Zweige mit je zwei Dioden nachgeschaltet sind. Die Stromanstiegsbegrenzungsdrosseln sind jeweils an das den Kathodenanschluß der einen Diode mit dem Anodenanschluß der anderen Diode eines Diodenzweige verbindende Lei­ tungsstück angeschlossen. Die anderen Anschlüsse der Dioden sind wiederum über jeweils einen Widerstand mit positiven bzw. negativen Zwischenkreisspannung verbunden. Diese bekannte Einrichtung kann zwar einige der vorstehend aufgezählten Probleme vermindern, insbesondere die Beanspruchung der Isolation der angeschlossenen Drehfeldmaschinen durch steile Spannungsimpulse oder die Beanspruchung der Leistungshalbleiter durch die Verbindungskabel merklich reduzieren, ist aber nur einsetzbar am Ausgang eines Umrichters. Das hängt u. a. damit zusammen, daß für die Verwendung der Schaltung ein Eingriff in den Frequenzumrichter notwendig ist, da ein Anschluß an die Zwischenkreisspannung des Umrichters erfolgt.

Im Gegensatz dazu ist die erfindungsgemässe Lösung dieser Aufgabe dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Zusatzschaltung in Umrichternähe oder nach der Umrichter-Last- Verbindungsleitung in Lastnähe installiert wird, die keinen Anschluß an die Zwischenkreisspannung des Umrichters benötigt. Ein Eingriff in den Umrichter entfällt daher.

Die erfindungsgemässe Einrichtung verhindert hochfrequente Einschwingvorgänge nach jedem der vom Umrichter erzeugten Spannungsimpuls, wodurch die Probleme mit der Beanspruchung der Isolation der Last auf ein geringes Maß reduziert werden. Gleichzeitig wirkt sie auf die unsymmetrischen Spannungen gegenüber dem Erdpotential, wodurch auch die durch diese unsymmetrischen Spannungen verursachten Störungen ausgeschaltet oder zumindest weitgehend reduziert werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und der Zeichnungen näher erläutert; dabei zeigt:

• - Fig. 4 Grundschaltung eines typischen Frequenzumrichters mit angeschlossener Drehfeldmaschine ohne eine erfindungsgemäße Einrichtung.
• - Fig. 1 wie Fig. 4, jedoch eingefügt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Verhinderung von Überspannungen auf den Ausgangsleitungen des Umrichters, für den Einbau in Lastnähe.
• - Fig. 2 wie Fig. 1, jedoch eingefügt ein anderes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Verhinderung von Überspannungen auf den Ausgangsleitungen des Umrichters, ebenfalls für den Einbau in Lastnähe.
• - Fig. 3 wie Fig. 4, jedoch eingefügt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Einrichtung zur Verhinderung von Überspannungen auf den Ausgangsleitungen des Umrichters, für den Einbau am Ausgang des Umrichters.

Fig. 4 zeigt einen für die Steuerung von Drehfeldmaschinen vorgesehenen Wechselrichter oder Frequenzumrichter 1, der an einen durch einen Kondensator symbolisierten Gleich­ spannungs-Zwischenkreis 2 angeschlossen ist. Dieser wird durch einen an das Versor­ gungsnetz mit üblicherweise konstanter Spannung und konstanter Frequenz angeschlossenen Netzgleichrichter (nicht dargestellt) gespeist. Der Wechselrichter 1 schaltet die Gleichspannung des Gleichspannungs-Zwischenkreises 2 mittels Leistungs­ halbleiterschaltern und stellt an seinen Ausgangsklemmen für die angeschlossenen Drehfeldmaschinen 4 (z. B. Motoren M) das gewünschte dreiphasige Drehstromnetz mit veränderlicher Frequenz und Effektiv-Spannung bereit. 3 symbolisiert die Zuleitung zur Drehfeldmaschine.

Um die Verluste im Wechselrichter 1 möglichst gering zu halten und einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen, werden als Leistungshalbleiterschalter beispielsweise FET's oder IGBT's verwendet, die sehr schnell und mit sehr steilen Anstiegsflanken der Impulse arbeiten. Es ergeben sich daher die am Beginn der Beschreibungseinleitung aufgezählten nachteiligen Probleme.

Fig. 1 zeigt den gleichen Aufbau, jedoch mit der Einfügung eines erfindungsgemäßen Filters 5, das alle vorne diskutierten nachteiligen Eigenschaften der bekannten Umrichter weitgehend beseitigt. Darstellungsgemäß ist nach der Lastzuleitung 3 an jeder Anschlußklemme der Drehfeldmaschine 4 ein Widerstand R angeschlossen, der wiederum mit dem Verbindungspunkt zweier in Reihe geschalteter Dioden verbunden ist. Alle nicht mit den genannten Verbindungspunkten angeschlossenen Anoden der Dioden führen auf eine gemeinsame Spannungsbegrenzerschaltung für positive Spannungen, hier symbo­ lisiert durch Sb1, alle nicht mit den genannten Verbindungspunkten angeschlossenen Kathoden der Dioden führen auf eine gemeinsame Spannungsbegrenzerschaltung für negative Spannungen, hier symbolisiert durch Sb2. Die Spannungsbegrenzerschaltungen Sb sind so ausgelegt, daß sie bei einer Spannung leitend werden, die der halben Zwischenkreisgleichspannung des verwendeten Umrichters entspricht. Als Spannungs­ begrenzerschaltung Sb können bespielsweise Leistungs-Z-Dioden, oder Varistoren eingesetzt werden. Treten durch Reflexionen auf der Leitung Überspannungen an den Anschlußklemmen der Drehfeldmaschine 4 auf; so wird eine der Dioden leitend, die betroffene Leitung ist dann mit einem der Widerstände R abgeschlossen, eine Mehrfach­ reflexion wird wirkungsvoll verhindert, Störungen werden über eine der Spannungs­ begrenzerschaltungen Sb gegen Erdpotential abgeleitet.

Fig. 2 beinhaltet eine zweiten Aufbau des erfindungsgemäßen Filters 5. jedoch finden sich die Widerstände in Reihe zu den Dioden wieder. Als Spannungsbegrenzerschaltungen Sb wurden hier je eine Parallelschaltung einer Z-Diode und eines Kondensators eingesetzt. Die Wirkungsweise der Schaltung ist dieselbe wie die unter Fig. 1 beschriebene.

Fig. 3 beinhaltet eine dritten Aufbau des erfindungsgemäßen Filters 5, in einer Aus­ führung für den Einbau am Ausgang des Umrichters. Als Last ist hier der Netzeinspei­ sungspunkt zu einem Drehstromnetz angegeben. Die Wirkungsweise der Schaltung ist dieselbe wie die unter Fig. 1 beschriebene.

Claims (6)

1. Schaltungsanordnung zur Verhinderung von Überspannungen und Mehrfachrefle­ xionen auf der Umrichter-Last-Verbindungsleitung eines selbstgeführten ein- oder mehrphasigen Umrichters in Brückenschaltung, welcher Ausgangsklemmen für den Anschluß von mindestens einer Ein- oder Mehrphasenlast aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanordnung aus einer verlustbehafteten Dioden-Klemmschaltung, und eines spannungsbegrenzenden Schaltungsteils zur Bildung einer Vergleichs­ klemmspannung besteht. Als Last wird hier eine ein- oder mehrphasige ohmsch­ induktive Last oder eine Netzeinspeisung bezeichnet.

2. Die Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für den Einsatz in Lastnähe an jede spannungsführende Anschlußklemme der Last 4 ein Widerstand R angeschlossen ist, der wiederum mit dem Verbindungspunkt zweier gleichsinnig in Reihe geschalteter Dioden verbunden ist. Alle nicht mit den genannten Verbindungs­ punkten angeschlossenen Anoden der Dioden führen auf eine gemeinsame Spannungs­ begrenzerschaltung für positive Spannungen Sb1, alle nicht mit den genannten Ver­ bindungspunkten angeschlossenen Kathoden der Dioden führen auf eine gemeinsame Spannungsbegrenzerschaltung für negative Spannungen Sb2. Der jweilige zweite Anschluß der Spannungsbegrenzerschaltungen ist mit Erdpotential (0) verbunden.

3. Die Anordnung nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, daß die die Lastanschluß­ klemmen und die Dioden verbindenden Widerstände durch eine leitende Verbindung ersetzt sind und daß in Reihe zu j eder Diode ein Widerstand R eingefügt ist.

4. Anordnung nach Anspruch 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltungsanord­ nung statt an die Anschlußklemmen der Last, in Umrichternähe zwischen dem Aus­ gang des Umrichters und der Lastzuleitung geschaltet ist, wobei zwischen dem Aus­ gang des Umrichters und der Schaltungsanordnung Stromanstiegsbegrenzungs­ drosseln geschaltet sind.

5. Anordnung nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich in Reihe zu den Stromanstiegsbegrenzungsdrosseln stromkompensierte Drosseln geschaltet sind.

6. Anordnung nach Anspruch 2 und 3 sowie Anspruch 4 und 5 dadurch gekennzeichnet, daß zwei Schaltungsanordnungen, und zwar je eine für den Einsatz in umrichternähe (Anspruch 4 oder 5) und eine für den Einsatz in Lastnähe (Anspruch 2 oder 3) kombiniert werden.