DE19952886A1 - Multi-way current regulator e.g. for electric motor, has local earth provided for each current regulator unit coupled to common line earth via earthing impedance - Google Patents
Multi-way current regulator e.g. for electric motor, has local earth provided for each current regulator unit coupled to common line earth via earthing impedanceInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Leistungselektronik. Sie be zieht sich auf einen Mehrfach-Stromrichter gemäss dem Oberbegriff des Pa tentanspruches 1.The invention relates to the field of power electronics. You be extends to a multiple converter according to the generic term of Pa claim 1.
Stromrichter mit Spannungszwischenkreis weisen Wechselspannungs anschlüsse auf, die schnellen Spannungsänderungen unterworfen sind. Spannungsimpulse haben Anstiegszeiten unter einer Mikrosekunde und füh ren durch eine Umladung von angeschlossenen externen Kapazitäten in Ka beln, Motoren und Filtern zu hohen impulsförmigen Strömen durch ein Erd system des Stromrichters. Dadurch wird die elektromagnetische Verträglich keit des Stromrichters erheblich verschlechtert. Als Gegenmassnahme wer den Induktivitäten oder Filter in die Wechselspannungsanschlüsse geschaltet und dadurch die Strom- und Spannungsimpulse für angeschlossene Wech selspannungsnetze oder Verbraucher verringert. Eine solche Anordnung ist in der EP-A-0 682 401 gezeigt. Als weitere Gegenmassnahme wird der Kreis für die Umladeströme der externen Kapazitäten innerhalb des Stromrichters geschlossen. Dies geschieht durch Schaltung einer Kapazität zwischen einem Filtererdpunkt und dem Zwischenkreis des Stromrichters. Eine solche An ordnung ist in der EP-A-0 899 859 offenbart. Diese Massnahmen sind jedoch nicht ausreichend, wenn ein Mehrfach-Stromrichter mit mehreren Stromrich tern an einem Zwischenkreis vorliegt. Bei Mehrfach-Stromrichtern im Mittel- oder Hochspannungsbereich liegen die einzelnen Stromrichter aufgrund ih rer Grösse mehrere Meter auseinander. Dadurch liegt kein gemeinsamer konzentrierter Massepunkt vor. Durch niederimpedante Erdkreise fliessen Ausgleichströme zwischen den Stromrichtern und es treten schwach ge dämpfte Resonanzen auf. Da erst seit neuerer Zeit Stromrichter hoher Lei stung mit hohen Schaltfrequenzen eingesetzt werden, stellt sich die Aufga be, dass entsprechende Mehrfachstromrichter eine gute elektromagnetische Vertäglichkeit aufweisen und dass gleichzeitig weder im Betrieb noch bei ei ne Kurzschluss gefährliche Spannungen an Kabeln, Maschinen oder Anlagen teilen auftreten.Power converters with a voltage intermediate circuit have alternating voltage connections that are subject to rapid voltage changes. Voltage pulses have rise times below one microsecond and lead to ren by reloading connected external capacities in Ka cables, motors and filters to high pulsed currents through an earth system of the converter. This makes the electromagnetic compatibility speed of the converter deteriorates considerably. As a countermeasure, who the inductors or filters are connected to the AC voltage connections and thereby the current and voltage pulses for connected changes voltage grids or consumers reduced. Such an arrangement is shown in EP-A-0 682 401. As a further countermeasure, the circle for the charge transfer currents of the external capacities within the converter closed. This is done by switching a capacitance between one Filter earth point and the intermediate circuit of the converter. Such an approach order is disclosed in EP-A-0 899 859. However, these measures are not sufficient if a multiple converter with several converters t is present on an intermediate circuit. With multiple converters in the middle or high voltage range, the individual converters are due to them The size is several meters apart. This means there is no common one concentrated mass point. Flow through low-impedance earth circles Equalizing currents between the converters and there are weak ge dampened resonances. Since recently, high-power converters the task with high switching frequencies be that corresponding multiple converter a good electromagnetic Have compatibility and that at the same time neither in the company nor at egg ne Short circuit dangerous voltages on cables, machines or systems share occur.
Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, einen Mehrfach-Stromrichter zu schaf fen, welcher die oben genannten Nachteile behebt.It is therefore an object of the invention to create a multiple converter fen, which overcomes the disadvantages mentioned above.
Diese Aufgabe löst ein Mehrfach-Stromrichter mit den Merkmalen des Pa tentanspruches 1.This task is solved by a multiple converter with the characteristics of Pa claim 1.
Der erfindungsgemässe Mehrfach-Stromrichter mit mindestens zwei Strom richtereinheiten, wobei jede dieser Stromrichtereinheiten eine lokale Erde aufweist, weist eine gemeinsame Leistungserde der mindestens zwei Strom richtereinheiten auf, wobei die Leistungserde bei jeder der mindestens zwei Stromrichtereinheiten über eine Erdungsimpedanz mit der lokalen Erde ver bunden ist. The multiple converter according to the invention with at least two currents converter units, each of these converter units being a local earth has a common power ground of the at least two current judge units, with the power earth at each of the at least two Converter units are connected to the local earth via a grounding impedance is bound.
Es wird also erfindungsgemäss eine Impedanz in eine Erdung eingefügt. Die se Erdungsimpedanz erreicht, dass Ausgleichströme durch die Erdung zwi schen den mindestens zwei Stromrichtereinheiten verringert werden und gleichzeitig, bei geeigneter Wahl einer Kapazität zur Gleichtaktunterdrüc kung und der Erdungsimpedanz, für alle Frequenzen von im Normalbetrieb auftretenden störenden Gleichtaktspannungen die Spannung an der lokalen Erde jeder Stromrichtereinheit einen vorgegebenen Wert nicht überschreitet. Dadurch ist für einen mit der lokalen Erde verbundenen Kabelschirm kein Be rührungsschutz erforderlich.According to the invention, an impedance is thus inserted into an earthing. The se grounding impedance ensures that equalizing currents through the ground between between the at least two converter units are reduced and at the same time, with a suitable choice of a common-mode suppressor kung and the grounding impedance, for all frequencies of in normal operation disturbing common mode voltages occurring the voltage at the local Earth of each converter unit does not exceed a specified value. This means that there is no need for a cable shield connected to the local earth protection against touch required.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Leistungserde getrennt von einer Anlagenerde geführt. In einer weiteren vorteilhaften Aus führungsform der Erfindung sind die Leistungserde und die Anlagenerde an einem zentralen Anlagenerdpunkt miteinander verbunden.In an advantageous embodiment of the invention, the power earth run separately from a system earth. In a further advantageous way The invention is based on the power earth and the system earth connected to one another at a central plant earth point.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die lokale Erde mit einem Kabelschirm oder mit Einzelkabelschirmen eines zu einem Verbraucher führenden Kabels verbunden.In a further advantageous embodiment of the invention, the local Earth with a cable shield or with single cable shields one to one Consumer leading cable connected.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung besteht die Erdungs impedanz aus einer Parallelschaltung einer Erdungsinduktivität mit einem Erdungswiderstand. Dies bewirkt, dass durch die Erdungsinduktivität Aus gleichströme zwischen den Stromrichtereinheiten reduziert werden, und dass durch den Erdungswiderstand Resonanzen der Ausgleichströme ge dämpft werden.In an advantageous embodiment of the invention there is the grounding impedance from a parallel connection of a ground inductance with a Earth resistance. This causes the ground inductance to turn off DC currents between the converter units are reduced, and that due to the earth resistance, resonances of the equalizing currents be dampened.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist jede der minde stens zwei Stromrichtereinheiten einen Stromrichter mit einer Gleichspan nungsseite und einer Wechselspannungsseite auf, weist die Gleichspan nungsseite einen Pluspol, einen Minuspol und optional einen Neutralpunkt auf, weist die Wechselspannungsseite mindestens zwei Phasen und ein Aus gangsfilter auf, und weist das Ausgangsfilter einen Filtererdpunkt auf. Da bei ist der Filtererdpunkt über mindestens eine Kapazität zur Gleichtaktun terdrückung mit mindestens einem von Pluspol, Minuspol oder Neutralpunkt verbunden, und ist der Filtererdpunkt mit dem lokalen Erdpunkt verbunden.In an advantageous embodiment of the invention, each of the minds at least two converter units one converter with one DC voltage voltage side and an AC voltage side, has the DC voltage a positive pole, a negative pole and optionally a neutral point , the AC side has at least two phases and an off gangsfilter, and the output filter has a filter ground point. There at is the filter earth point over at least one common mode capacitance Suppression with at least one of positive pole, negative pole or neutral point connected, and the filter earth point is connected to the local earth point.
Vorteilhafterweise ist die Erdungsinduktivität eine Stromschiene, die von ei nem ferromagnetischen Material umgeben ist. Dies hat den Vorteil, dass im Falle eines im Stromrichter auftretenden Erdschlusses ein Kurzschlusstrom durch die Erdungsinduktivität diese in die magnetische Sättigung treibt, wo durch sich die Induktivität verringert und damit auch eine potentiell gefähr liche Spannung am lokalen Erdpunkt des Stromrichters verringert.Advantageously, the grounding inductance is a busbar that of ei is surrounded by ferromagnetic material. This has the advantage that in In the event of an earth fault in the converter, a short-circuit current through the ground inductance this drives them into magnetic saturation where by reducing the inductance and thus potentially dangerous voltage at the local earth point of the converter is reduced.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen gehen aus den abhängigen Patent ansprüchen hervor.Further preferred embodiments are based on the dependent patent claims.
Im folgenden wird der Erfindungsgegenstand anhand bevorzugter Ausfüh rungsbeispiele, welche in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind, näher erläutert. Es zeigen:In the following the subject matter of the invention is based on a preferred embodiment Example, which are shown in the accompanying drawings, explained in more detail. Show it:
Fig. 1 eine Schaltung eines Mehrfach-Stromrichters; Fig. 1 shows a circuit of a multi-converter;
Fig. 2 eine erste Schaltung einer Stromrichtereinheit mit zugeordneten Elementen; Fig. 2 shows a first circuit of an inverter unit with associated elements;
Fig. 3 eine zweite Schaltung einer Stromrichtereinheit mit zugeordne ten Elementen; Fig. 3 shows a second circuit of a converter unit with assigned elements;
Fig. 4 eine Ersatzschaltung für zwei Stromrichtereinheiten; Fig. 4 is an equivalent circuit for two inverter units;
Fig. 5 eine Ersatzschaltung zur Auslegung von Parametern des Mehr fach-Stromrichters; Figure 5 is an equivalent circuit for the design parameters of the multiple power converter.
Fig. 6 einen Ausschnitt aus einer Schaltung einer Stromrichtereinheit; und Fig. 6 shows a detail of a circuit of an inverter unit; and
Fig. 7 Impedanzverhältnisse; und Fig. 7 impedance ratios; and
Fig. 8 eine erfindungsgemässe Erdungsinduktivität. Fig. 8 shows an inventive Erdungsinduktivität.
Die in den Zeichnungen verwendeten Bezugszeichen und deren Bedeutung sind in der Bezugszeichenliste zusammengefasst aufgelistet. Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.The reference symbols used in the drawings and their meaning are summarized in the list of reference symbols. Basically the same parts are provided with the same reference numerals in the figures.
Die Fig. 1 zeigt schematisch einen Mehrfach-Stromrichter 10, bestehend aus mindestens zwei Stromrichtereinheiten 20, die gleichspannungsseitig und erdungsseitig parallel zueinander geschaltet sind. Jede der Stromrich tereinheiten 20 ist an einer Gleichspannungsseite an einen gemeinsamen Dreipunkt-Zwischenkreis mit einem Pluspol 4, einem Minuspol 6 und an ei nem Neutralpunkt 5 angeschlossen. In einer Variante der Erfindung liegt kein Neutralpunkt 5 vor und ist somit der Zwischenkreis ein Zweipunkt- Zwischenkreis. Jeder der Stromrichtereinheiten 20 ist mit einer gemeinsa men Anlagenerde 1 und einer gemeinsamen Leistungserde 3 verbunden. Die Anlagenerde 1 und die Leistungserde 3 sind an einem zentralen Anla generdpunkt 2 miteinander verbunden jede der Stromrichtereinheiten 20 ist an einer Wechselspannungsseite über ein dem jeweiligen Stromrichter zuge ordnetes Verbraucherkabel oder Kabel 30 mit einem zugeordneten Verbrau cher 40 verbunden. Die Verbraucher 40 sind beispielsweise Antriebsmoto ren. Sie weisen optional eine Verbrauchererdung 41 auf. In einer Variante der Erfindung sind die Stromrichtereinheiten 20 aktive Gleichrichter. Fig. 1 shows schematically a multi-converter 10 consisting of at least two inverter units 20, which are connected in the direct voltage side and ground-side parallel to each other. Each of the power converter units 20 is connected on a DC voltage side to a common three-point intermediate circuit with a positive pole 4 , a negative pole 6 and a neutral point 5 . In a variant of the invention there is no neutral point 5 and the intermediate circuit is therefore a two-point intermediate circuit. Each of the converter units 20 is connected to a common system earth 1 and a common power earth 3 . The system ground 1 and power ground 3 are generdpunkt at a central Appendices 2 are joined together, each of the converter units 20 is connected to an alternating voltage side with an approved the respective converter arranged consumer cable or cable 30 to an associated consumer cher 40th The consumers 40 are, for example, drive motors. They optionally have a consumer earth 41 . In a variant of the invention, the converter units 20 are active rectifiers.
Die Fig. 2 zeigt schematisch eine einzelne Stromrichtereinheit 20 mit ihrem zugeordnetem Kabel 30 und ihrem zugeordneten Verbraucher 40. Die Stromrichtereinheit 20 weist einen Stromrichter 8 mit Beschaltungselemen ten auf. Der Stromrichter 8 ist an einer Gleichspannungsseite an den Drei punkt-Zwischenkreis angeschlossen. Zwischen dem Pluspol 4 und dem Neu tralpunkt 5, sowie zwischen dem Neutralpunkt 5 und dem Minuspol 6 sind jeweils Zwischenkreiskapazitäten CDC geschaltet. An einer Wechselspan nungsseite ist der Stromrichter 8 über ein Ausgangsfilter 9 und über das Kabel 30 mit dem Verbraucher 40 verbunden. Das Ausgangsfilter 9 weist ei nen Filtererdpunkt 11 auf. Dieser ist über eine lokale Erde 12 und eine Ka pazität zur Gleichtaktunterdrückung CPGN mit dem Neutralpunkt 5 des Zwi schenkreises verbunden. FIG. 2 schematically shows a single converter unit 20 with its associated cable 30 and its associated consumer 40 . The converter unit 20 has a converter 8 with wiring elements. The converter 8 is connected on a DC voltage side to the three-point intermediate circuit. Between the positive pole 4 and the neutral point 5 , and between the neutral point 5 and the negative pole 6 , DC link capacitances C DC are connected in each case. On an AC voltage side, the converter 8 is connected to the consumer 40 via an output filter 9 and the cable 30 . The output filter 9 has a filter ground point 11 . This is connected via a local earth 12 and a capacitance for common mode rejection C PGN to the neutral point 5 of the intermediate circuit.
Die Wechselspannungsseite weist vorzugsweise drei Phasen auf. In einer Va riante der Erfindung weist die Wechselspannungsseite zwei Phasen oder eine einzige Phase auf.The AC voltage side preferably has three phases. In a Va Riante of the invention, the AC side has two phases or one only phase on.
Die Variante der Erfindung mit einem Zweipunkt-Zwischenkreis entspricht der Fig. 2, jedoch mit einem Gleichspannungszwischenkreis gemäss Fig. 6. Dabei weist der Zwischenkreis eine einzelne Zwischenkreiskapazität CDC auf und ist die lokale Erde 12 über eine erste Kapazität zur Gleichtaktunter drückung CPGN mit dem Pluspol 4 und über eine zweite Kapazität zur Gleichtaktunterdrückung CPGN mit dem Minuspol 6 verbunden. In einer wei teren, asymmetrischen Variante ist die lokale Erde 12 über nur eine Kapazi tät CPGN mit dem Pluspol 4 oder mit dem Minuspol 6 verbunden.The variant of the invention with a two-point intermediate circuit corresponds to FIG. 2, but with a direct voltage intermediate circuit according to FIG. 6. The intermediate circuit has a single intermediate circuit capacitance C DC and is the local earth 12 via a first capacitor for common-mode suppression C PGN the positive pole 4 and connected to the negative pole 6 via a second capacitance for common mode suppression C PGN . In a further, asymmetrical variant, the local earth 12 is connected to the positive pole 4 or to the negative pole 6 via only one capacitance C PGN .
Das Ausgangsfilter 9 weist vorzugsweise für jede Phase eine in die Phase ge schaltete Filterinduktivität LF und eine zwischen die Phase und den Fil tererdpunkt 11 geschaltete Serieschaltung aus einer Filterkapazität CF und einem Filterwiderstand RF auf. In einer weiteren Variante der Erfindung ent fällt der Filterwiderstand RF. In weiteren Varianten der Erfindung ist das Ausgangsfilter 9 ein anderes Filter als hier gezeigt, wobei das Ausgangsfilter 9 einen erdbaren Sternpunkt 11 aufweist, der bei einer gleichmässigen Bela stung der Phasen nominell Erdpotential aufweist. The output filter 9 preferably has, for each phase, a filter inductor L F switched into the phase and a series circuit, connected between the phase and the filter earth point 11 , of a filter capacitance C F and a filter resistor R F. In a further variant of the invention, the filter resistance R F is eliminated . In further variants of the invention, the output filter 9 is a different filter than shown here, the output filter 9 having a groundable star point 11 , which has nominal ground potential with a uniform loading of the phases.
Das Kabel 30 weist vorzugsweise einen gemeinsamen Kabelschirm 31 für alle Phasen der Wechselspannungsseite der Stromrichtereinheit 20 auf. Erfindungsgemäss ist der lokale Erdpunkt 12 über eine Erdungsimpedanz XG mit der Leistungserde 3 verbunden. Die Erdungsimpedanz XG besteht aus einer Parallelschaltung eines Erdungswiderstands RG mit einer Erdungsin duktivität LG.The cable 30 preferably has a common cable shield 31 for all phases of the AC voltage side of the converter unit 20 . According to the invention, the local earth point 12 is connected to the power earth 3 via an earth impedance X G. The earth impedance X G consists of a parallel connection of an earth resistance R G with an earth inductance L G.
Vorteilhafterweise ist die lokale Erde 12 mit einem stromrichterseitigen An schluss des gemeinsamen Kabelschirms 31 über eine stromrichterseitige Er dung 32 des gemeinsamen Kabelschirms verbunden. Ein lastseitiger An schluss des gemeinsamen Kabelschirms 31 ist optional über eine lastseitige Erdung 33 des gemeinsamen Kabelschirms mit der Leistungserde 3 verbun den, wie in Fig. 2 gezeigt, oder mit der Anlagenerde 1.The local earth 12 is advantageously connected to a converter-side connection of the common cable shield 31 via a converter-side connection 32 of the common cable shield. A load-side connection of the common cable shield 31 is optionally connected via a load-side ground 33 of the common cable shield to the power ground 3 , as shown in FIG. 2, or to the system ground 1 .
Ein Gehäuse der Stromrichtereinheit 20 ist an einem Gehäuseerdpunkt 13 mit der Anlagenderde 1 verbunden. Die Anlagenerde 1 und die Leistungser de 3 sind an einem zentralen Anlagenerdpunkt 2 miteinander verbunden.A housing of the converter unit 20 is connected to the system end 1 at a housing ground point 13 . The system earth 1 and the power earth de 3 are connected to one another at a central system earth point 2 .
Fig. 3 zeigt eine Variante der Erfindung, in welcher jede einzelne Phase des Kabels 30 zusätzlich einen Einzelkabelschirm 34 aufweist. In dieser Variante ist die lokale Erde 12 nicht mit dem gemeinsamen Kabelschirm 31 sondern über eine stromrichterseitige Erdung 35 der Einzelkabelschirme mit den Ein zelkabelschirmen 34 verbunden. Die stromrichterseitige Erdung 32 des ge meinsamen Kabelschirms ist in dieser Variante mit der Anlagenerde 1, wie in Fig. 3 gezeigt, oder mit der Leistungserde 3 verbunden. Fig. 3 shows a variant of the invention in which each phase of the cable 30 further comprises a single cable screen 34. In this variant, the local earth 12 is not connected to the common cable shield 31 but via a converter-side ground 35 of the individual cable shields to the individual cable shields 34 . In this variant, the converter-side ground 32 of the common cable shield is connected to the system ground 1 , as shown in FIG. 3, or to the power ground 3 .
Die Schaltung funktioniert wie folgt:
Der Gleichspannungszwischenkreis wird vorzugsweise über eine nicht einge
zeichnete Quelle gespeist und liefert in allgemein bekannter Weise Energie
für die über die Stromrichtereinheiten 20 gespeisten Verbraucher 40.
The circuit works as follows:
The DC voltage intermediate circuit is preferably fed via a source (not shown) and supplies energy in a generally known manner for the loads 40 fed via the converter units 20 .
Die Anlagenerde 1 hat keine funktionsbedingten Ströme zu tragen und ist deshalb mit geringem Querschnitt ausgelegt. Sie dient zur Erdung von Anla genschränken, Gehäusen von Elektronikbaugruppen und Massepunkten von Elektronikschaltungen. Die Anlagenerde 1 weist eine zentrale Verbindung 2 zu einer Gebäudeerdung auf.The system earth 1 has no function-related currents and is therefore designed with a small cross-section. It is used to ground system cabinets, housings of electronic modules and earth points of electronic circuits. The system earth 1 has a central connection 2 to a building earth.
Die Leistungserde 3 führt betriebsbedingte Ströme und ist deshalb mög lichst niederimpedant, das heisst mit hohem Querschnitt und niedriger In duktivität auszulegen. Sie ist mit allen Stromrichtereinheiten 20 und mit der zentralen Verbindung 2 zur Gebäudeerdung verbunden.The power earth 3 carries operational currents and is therefore as low-impedance as possible, that is, designed with a high cross-section and low inductance. It is connected to all converter units 20 and to the central connection 2 for building grounding.
Die lokale Erde 12 führt Gleichtakt oder Common-Mode-Ströme, die durch Gleichtakt- oder Common-Mode-Spannungen innerhalb des Stromrichters 8, das heisst zwischen der Gleich- und der Wechselspannungsseite des Strom richters 8 entstehen. Die lokale Erde ist mit der Kapazität zur Gleichtaktun terdrückung CPGN, dem Ausgangsfilter 9 und einer parallel zum Ausgangs filter 9 liegenden Kabelkapazität verbunden, welche einen Common-Mode- Kreis zur Aufnahme der Common-Mode-Ströme bilden. Da die Common- Mode-Ströme hohe Werte annehmen können, ist der Common-Mode-Kreis besonders niederohmig auszulegen.The local earth 12 carries common mode or common mode currents, which arise from common mode or common mode voltages within the converter 8 , that is, between the DC and AC sides of the converter 8 . The local earth is connected to the capacitance for common-mode suppression C PGN , the output filter 9 and a cable capacitance lying parallel to the output filter 9 , which form a common-mode circuit for receiving the common-mode currents. Since the common mode currents can assume high values, the common mode circuit must be designed with a particularly low resistance.
Das Ausgangsfilter 9 glättet lastseitige Ströme und Spannungen und sorgt damit für eine elektromagnetische Verträglichkeit mit dem Verbraucher 40 und anderen Geräten in der Umgebung der Stromrichtereinheit.The output filter 9 smoothes the currents and voltages on the load side and thus ensures electromagnetic compatibility with the consumer 40 and other devices in the vicinity of the converter unit.
Die Kabelkapazität entsteht, falls keine Einzelkabelschirme 34 vorhanden sind, durch eine Kapazität zwischen den Phasen der Wechselspannungsseite und dem Kabelschirm 31, andernfalls durch Kapazitäten zwischen den Pha sen der Wechselspannungsseite und den Einzelkabelschirmen 34. If there are no individual cable shields 34, the cable capacity arises from a capacitance between the phases of the AC voltage side and the cable shield 31 , otherwise through capacitances between the phases of the AC voltage side and the individual cable shields 34 .
Umladeströme der Kabelkapazität werden, falls keine Einzelkabelschirme 34 vorhanden sind, durch die stromrichterseitige Erdung 32 des gemeinsamen Kabelschirms aufgenommen. Falls Einzelkabelschirme 34 vorhanden sind, werden diese Umladströme durch die stromrichterseitige Erdung 35 der Ein zelkabelschirme aufgenommen. Die lastseitige Erdung des 33 gemeinsamen Kabelschirms entlastet den gemeinsamen Kabelschirm 31 von induzierten oder anderen Ausgleichsströmen zwischen der Stromrichtereinheit 20 und dem Verbraucher 40.If there are no individual cable shields 34 , charge-reversal currents of the cable capacity are absorbed by the grounding 32 of the common cable shield on the converter side. If single cable shields 34 are present, these charge currents are absorbed by the converter-side grounding 35 of the individual cable shields. The load-side grounding of the 33 common cable shield relieves the common cable shield 31 of induced or other compensation currents between the converter unit 20 and the consumer 40 .
Die Erdungsimpedanz XG begrenzt und dämpft Ausgleichsströme zwischen verschiedenen Stromrichtereinheiten 20. Dabei wird gleichzeitig durch eine Wahl der Erdungsimpedanz XG und der Kapazität zur Gleichtaktunter drückung CPGN gewährleistet, dass eine Spannung an der fokalen Erde 12 weder im Normalbetrieb noch im Kurzschlussfall gefährliche Werte anneh men kann. Dies hat den Vorteil, dass hohe Ausgleichsströme, die aufgrund der ansonsten niederimpedanten Erdungen entstehen würden und zu elek tromagnetische Störungen führen würden, vermindert werden.The grounding impedance X G limits and damps equalizing currents between different converter units 20 . At the same time, a choice of the grounding impedance X G and the capacitance for common-mode rejection C PGN ensures that a voltage at the focal earth 12 can not assume dangerous values either in normal operation or in the event of a short circuit. This has the advantage that high equalizing currents that would arise due to the otherwise low-impedance groundings and that would lead to electromagnetic interference are reduced.
Ein weiterer Vorteil ist, dass die Spannung am gemeinsamen Kabelschirm 31 keine gefährlichen Werte annimmt und somit kein Schutz des gemeinsamen Kabelschirms 31 gegen Berührung erforderlich ist. Die Begrenzung des Aus gleichsstroms geschieht vorwiegend durch die Erdungsinduktivität LG, wäh renddem der parallelgeschaltete Erdungswiderstand RG Schwingungen des Ausgleichsstroms dämpft.A further advantage is that the voltage on the common cable shield 31 does not assume any dangerous values and therefore no protection of the common cable shield 31 against contact is required. The limitation of the equalizing current occurs mainly through the ground inductance L G , while the parallel ground resistance R G dampens vibrations of the equalizing current.
Die Erklärung der Funktionsweise der Erdungsimpedanz XG geschieht an hand der Fig. 4 und 5. Fig. 4 zeigt eine einphasige Ersatzschaltung für zwei Stromrichtereinheiten 20. Zueinander symmetrische Schaltungen für je eine Stromrichtereinheit 20 sind über den Neutralpunkt 5 und die Leistungs erde 3 miteinander verbunden. Die einphasige Ersatzschaltung für eine ein zelne Stromrichtereinheit 20 weist die folgenden Elemente auf: Eine Gleichtakt-Spannungsquelle UCM repräsentiert die in einem Stromrichter 8 erzeugte Common-Mode-Spannung. Die Spannungsquelle UCM ist an einem ersten Anschluss mit dem Neutralpunkt 5 und über die Kapazität zur Gleichtaktunterdrückung CPGN mit der lokalen Erde 12 verbunden. Die Spannungsquelle UCM ist an einem zweiten Anschluss über Elemente des Ausgangsfilters 9 (LF, RF, CF) und über die Kabelkapazität CC mit der loka len Erde 12 verbunden. In der einphasigen Ersatzschaltung betragen die numerischen Werte von zusammengefassten Induktivitäten und Widerstän den ein Drittel, die Werte von zusammengefassten Kapazitäten das Dreifa che des entsprechenden Wertes in der dreiphasigen Schaltung. Die Kabelka pazität beinhaltet auch eine allfällige Kapazität CM des Verbrauchers 40. Die lokale Erde 12 ist über eine Kabelinduktivität LC mit einer Erdung verbun den, sowie über eine Serieschaltung einer Stromschieneninduktivität LB der Leistungserde 3 mit einer Parallelschaltung des Erdungswiderstands RG und der Erdungsinduktivität LG mit der Leistungserde 3 verbunden. Die Kabelin duktivität LC tritt nur in der Variante der Erfindung ohne Einzelkabelschirme auf, da bei einzeln abgeschirmten Kabeln die Einzelkabelschirme 34 nur stromrichterseitig geerdet sind.The operation of the ground impedance X G is explained with reference to FIGS. 4 and 5. FIG. 4 shows a single-phase equivalent circuit for two converter units 20 . Mutually symmetrical circuits for each converter unit 20 are connected to one another via the neutral point 5 and the power earth 3 . The single-phase equivalent circuit for a single converter unit 20 has the following elements: A common mode voltage source U CM represents the common mode voltage generated in a converter 8 . The voltage source U CM is connected at a first connection to the neutral point 5 and to the local earth 12 via the capacitance for common-mode suppression C PGN . The voltage source U CM is connected to the local earth 12 at a second connection via elements of the output filter 9 (L F , R F , C F ) and via the cable capacitance C C. In the single-phase equivalent circuit, the numerical values of combined inductances and resistances are one third, the values of combined capacities three times the corresponding value in the three-phase circuit. The cable capacity also includes a possible capacity C M of the consumer 40 . The local earth 12 is connected via a cable inductance L C to a ground, and via a series connection of a busbar inductance L B of the power ground 3 with a parallel connection of the ground resistance R G and the ground inductance L G to the power ground 3 . The Kabelin ductivity L C only occurs in the variant of the invention without individual cable shields, since in the case of individually shielded cables the individual cable shields 34 are only grounded on the converter side.
Der Ausgleichsstrom zwischen den beiden Stromrichtereinheiten fliesst über die gemeinsamen Punkte, also den Neutralpunkt 5 und die Leistungserde 3. Der Ausgleichsstrom wird durch die Werte der Gleichtakt-Spannungsquellen UCM bestimmt, welche wiederum durch eine lokale Antriebssteuerung des jeweiligen Stromrichters 8 bestimmt werden. Der höchste Strom tritt auf, wenn die Spannungswerte der beiden Gleichtakt-Spannungsquellen UCM gleich sind, also wenn die entsprechenden Stromrichter 8 gleich schalten. In diesem Falle wird der Neutralpunkt 5 zu einer virtuellen Erdung und es kön nen die sich identisch verhaltenden Ersatzschaltungen der einzelnen Strom richtereinheiten 20 zusammengefasst werden. The compensating current between the two converter units flows through the common points, i.e. the neutral point 5 and the power earth 3 . The compensating current is determined by the values of the common mode voltage sources U CM , which in turn are determined by a local drive control of the respective converter 8 . The highest current occurs when the voltage values of the two common mode voltage sources U CM are the same, that is, when the corresponding converters 8 switch in the same way. In this case, the neutral point 5 becomes a virtual ground and the identically behaving equivalent circuits of the individual converter units 20 can be summarized.
Fig. 5 zeigt diese zusammengefasste Schaltung zweier Stromrichterein heiten 20 für den grössten Ausgleichsstrom. Die Elemente der Schaltung sind zu einer ersten Impedanz Z1 und einer zweiten Impedanz Z2 zusam mengefasst. Ein geerdeter erster Anschluss der Spannungsquelle UCM ist über die zweite Impedanz Z2 mit der lokalen Erde 12 verbunden, welche wiederum über die erste Impedanz Z1 mit einem zweiten Anschluss der Spannungsquelle UCM verbunden ist. Die erste Impedanz Z1 besteht aus ei ner Serieschaltung der Filterinduktivitäten LF mit einer Parallelschaltung der Kabelkapazität oder der Kabelkapazitäten CC mit einer Serieschaltung der Filterkapazitäten CF mit dem Filterwiderständen RF. Die zweite Impedanz Z2 besteht aus einer Parallelschaltung der Kapazität zur Gleichtaktunterdrüc kung CPGN mit der Kabelinduktivität LC und mit einer Serieschaltung der Er dungsimpedanz XG mit der Stromschieneninduktivität LB. Die Erdungsimpe danz XG besteht aus einer Parallelschaltung der Erdungsinduktivität LG mit dem Erdungswiderstand RG. Fig. 5 shows this combined circuit of two converter units 20 for the largest compensating current. The elements of the circuit are combined to form a first impedance Z1 and a second impedance Z2. A grounded first connection of the voltage source U CM is connected via the second impedance Z2 to the local earth 12 , which in turn is connected via the first impedance Z1 to a second connection of the voltage source U CM . The first impedance Z1 consists of a series connection of the filter inductances L F with a parallel connection of the cable capacitance or the cable capacitances C C with a series connection of the filter capacitances C F with the filter resistors R F. The second impedance Z2 consists of a parallel connection of the capacitance for common-mode suppression C PGN with the cable inductance L C and with a series connection of the earth impedance X G with the busbar inductance L B. The earth impedance X G consists of a parallel connection of the earth inductance L G with the earth resistance R G.
Die Elemente der beiden Impedanzen Z1, Z2 sind derart dimensioniert, dass auch beim maximalen Ausgleichsstrom und bei allen Anregungsfrequenzen der Gleichtakt-Spannungsquelle UCM die Spannung an der lokalen Erde 12 im Normalbetrieb minimiert ist. Dies bedeutet, dass in einem durch Z1 und Z2 gebildeten Spannungsteiler die zweite Impedanz Z2 für alle Frequenzen möglichst klein gegenüber der ersten Impedanz Z1 sein soll. Dabei werden vorteilhafterweise die Kapazität zur Gleichtaktunterdrückung CPGN und die Erdungsimpedanz XG entsprechend gewählt, währenddem die übrigen Ele mente als durch die Anlage als vorgegeben angenommen werden. Insbeson dere ist Z1 durch elektrische Kabeleigenschaften durch und eine Länge des Kabels 40 sowie durch einen Entwurf des Ausgangsfilters 9 gegeben.The elements of the two impedances Z1, Z2 are dimensioned such that the voltage at the local earth 12 is minimized in normal operation even at the maximum compensating current and at all excitation frequencies of the common mode voltage source U CM . This means that in a voltage divider formed by Z1 and Z2, the second impedance Z2 should be as small as possible for all frequencies compared to the first impedance Z1. The capacitance for common mode rejection C PGN and the grounding impedance X G are advantageously chosen accordingly, while the other elements are assumed to be predetermined by the system. In particular, Z1 is given by electrical cable properties and a length of the cable 40 and by a design of the output filter 9 .
Die Dimensionierung der Kapazität zur Gleichtaktunterdrückung CPGN und
die Erdungsimpedanz XG erfolgt gemäss folgenden Regeln:
The dimensioning of the capacitance for common mode rejection C PGN and the grounding impedance X G is based on the following rules:
- - Eine Resonanzfrequenz der zweiten Impedanz Z2 soll möglichst gross gegenüber einer Resonanzfrequenz der ersten Impedanz Z1 sein. Dazu werden die Werte der Kapazität zur Gleichtaktunterdrückung CPGN und der Erdungsinduktivität LG variiert.- A resonance frequency of the second impedance Z2 should be as large as possible compared to a resonance frequency of the first impedance Z1. For this purpose, the values of the capacitance for common mode rejection C PGN and the ground inductance L G are varied.
- - Ein Maximum der Spannung an der lokalen Erde 12 über alle Frequenzen soll möglichst klein sein oder einen vorgegebenen Wert nicht überschrei ten. Dazu wird der Wert der Kapazität zur Gleichtaktunterdrückung CPGN variiert.- A maximum of the voltage on the local earth 12 over all frequencies should be as small as possible or not exceed a predetermined value. For this purpose, the value of the capacitance for common mode suppression C PGN is varied.
- - Eine Resonanzüberhöhung der zweiten Impedanz Z2 soll möglichst ge ring sein. Dazu wird der Wert des Erdungswiderstand RG variiert.- A resonance increase of the second impedance Z2 should be as low as possible. To do this, the value of the earth resistance R G is varied.
Die Fig. 7 zeigt beispielhaft einen frequenzabhängigen Verlauf von Werten
der Impedanzen Z1, Z2 für verschiedene Werte des Erdungswiderstands RG,
sowie für ein langes Kabel mit Einzelkabelschirmen und einer Länge von ca.
300 Metern und ein kurzes Kabel ohne Einzelkabelschirme und einer Länge
von ca. 50 Metern. Die Anregungsfrequenz der Gleichtakt-Spannungsquelle
UCM ist entlang einer horizontalen Achse f in kHz aufgetragen, die Impe
danzwerte sind entlang einer vertikalen Achse Z1, Z2 in Ohm aufgetragen.
Die verschiedenen Verläufe entsprechen den folgenden Impedanzen:
71: erster Verlauf der ersten Impedanz Z1, langes Kabel;
72: zweiter Verlauf der ersten Impedanz Z1, kurzes Kabel;
73: erster Verlauf der zweiten Impedanz Z2, langes Kabel, RG = 0.01 Ohm;
74: zweiter Verlauf der zweiten Impedanz Z2, langes Kabel, RG = 0.15 Ohm;
75: dritter Verlauf der zweiten Impedanz Z2, langes Kabel, RG = 10 Ohm;
76: vierter Verlauf der zweiten Impedanz Z2, kurzes Kabel, RG = 0.15 Ohm. Fig. 7 shows an example of a frequency-dependent course of values of the impedances Z1, Z2 for different values of the earth resistance R G , as well as for a long cable with individual cable shields and a length of approx. 300 meters and a short cable without individual cable shields and a length of approx 50 meters. The excitation frequency of the common mode voltage source U CM is plotted along a horizontal axis f in kHz, the impedance values are plotted along a vertical axis Z1, Z2 in ohms. The different courses correspond to the following impedances:
71 : first course of the first impedance Z1, long cable;
72 : second course of the first impedance Z1, short cable;
73 : first course of the second impedance Z2, long cable, R G = 0.01 ohm;
74 : second course of the second impedance Z2, long cable, R G = 0.15 ohm;
75 : third course of the second impedance Z2, long cable, R G = 10 ohms;
76 : fourth course of the second impedance Z2, short cable, R G = 0.15 ohm.
Der zweite, durchgehend gezeichnete Verlauf 74 der zweiten Impedanz Z2 ist im Vergleich zum ersten und dritten Verlauf 73, 75 gut gedämpft. Im Ver gleich des zweiten Verlaufs 74 der zweiten Impedanz Z2 mit dem ersten Verlauf 71 der ersten Impedanz für das gleiche lange Kabel ist die erste Im pedanz Z1 bei jeder Frequenz annähernd hundert mal grösser als die zweite Impedanz Z2. Wird bei gleichem Erdungswiderstand RG das lange Kabel durch ein kurzes ersetzt, so sind der zweite Verlauf 72 der ersten Impedanz Z1 und der vierte Verlauf 76 der zweiten Impedanz Z2 miteinander zu ver gleichen. Auch in diesem Fall ist die erste Impedanz Z1 bei jeder Frequenz annähernd zehn bis hundert mal grösser als die zweite Impedanz Z2. Dies zeigt die Robustheit der erfindungsgemässen Anordnung gegenüber Varia tionen in den Kabeleigenschaften. Dies ergibt den Vorteil, dass der gleiche Erdungswiderstand RG über einen weiten Bereich von Kabellängen ohne An passung eingesetzt werden kann. Insbesondere kann, wenn ein Stromrichter auf eine bestimmte Kabellänge dimensioniert wurde, ohne weiters ein kürze res Kabel verwendet werden. Eine maximale Kabellänge beträgt ungefähr 1000 Meter.The second, continuously drawn curve 74 of the second impedance Z2 is well damped in comparison to the first and third curves 73 , 75 . In comparison of the second curve 74 of the second impedance Z2 with the first curve 71 of the first impedance for the same long cable, the first impedance Z1 is approximately 100 times greater than the second impedance Z2 at each frequency. If the long cable is replaced by a short one at the same earth resistance R G , the second profile 72 of the first impedance Z1 and the fourth profile 76 of the second impedance Z2 are to be compared with one another. In this case too, the first impedance Z1 is approximately ten to one hundred times greater than the second impedance Z2 at each frequency. This shows the robustness of the arrangement according to the invention with regard to variations in the cable properties. This gives the advantage that the same earth resistance R G can be used over a wide range of cable lengths without adjustment. In particular, if a converter has been dimensioned to a certain cable length, a shorter cable can be used without further ado. A maximum cable length is approximately 1000 meters.
Eine vorteilhafte Ausführungsform einer Erdungsinduktivität LG ist in der Fig. 8 dargestellt. Vorteilhafterweise besteht die Erdungsinduktivität LG aus einer Stromschiene 81, die mit Ferrit-Eisenpulver oder anderen ferromagne tischen Materialien umgeben ist. Eine ferromagnetische Umhüllung wird bei spielsweise aus mindestens einem vorgeformten ferromagnetischen Umhül lungselement 82 hergestellt, indem beispielsweise zwei Umhüllungselemen te 82 um die Stromschiene gespannt sind. In einer anderen Ausführungs form der Erfindung besteht die Umhüllung aus einem einzelnen vorgeform ten Umhüllungselement 82 mit einem Loch zur Durchführung der Strom schiene 8. Die ferromagnetische Umhüllung wirkt sich wie folgt aus: Im Falle eines Kurzschlusses gerät die Erdungsinduktivität LG in die magnetische Sät tigung. Dadurch verringert sich der Wert der Erdungsinduktivität LG mar kant, beispielsweise auf annähernd ein Zehntel des im Normalbetrieb wirk samen Wertes. Durch die verringerte Impedanz fällt die Spannung an der lo kalen Erde, wodurch eine Personengefährdung durch die an der fokalen Erde angeschlossenen Elemente, insbesondere durch den gemeinsamen Kabel schirm 31 vermieden wird. Im Normalbetrieb können die ferromagnetischen Umhüllungselemente 82 mit ihrer Magnetisierung den hochfrequenten Erd strömen folgen, so dass sie keinen wesentlichen Einfluss auf die Begrenzung und Dämpfung der Ausgleichsströme zwischen verschiedenen Stromrich tereinheiten 20 haben. Der Querschnitt der Stromschiene 81 ist für den ma ximalen Strom im Falle eines Erdschlusses ausgelegt.An advantageous embodiment of a ground inductance L G is shown in FIG. 8. Advantageously, the ground inductance L G consists of a busbar 81 , which is surrounded with ferrite iron powder or other ferromagnetic materials. A ferromagnetic cladding is made at the pitch of at least one preformed ferromagnetic Umhül lung element 82 by for example two Umhüllungselemen te 82 are tensioned around the busbar. In another embodiment of the invention, the sheath consists of a single preformed th sheathing element 82 with a hole for carrying out the busbar 8th The ferromagnetic cladding has the following effects: In the event of a short circuit, the grounding inductance L G becomes saturated. This reduces the value of the ground inductance L G mar kant, for example to approximately one tenth of the effective value in normal operation. Due to the reduced impedance, the voltage drops at the local earth, thereby endangering people through the elements connected to the focal earth, in particular through the common cable shield 31 , is avoided. In normal operation, the ferromagnetic sheathing elements 82 can follow the high-frequency earth currents with their magnetization, so that they have no significant influence on the limitation and damping of the compensating currents between different converter units 20 . The cross section of the busbar 81 is designed for the maximum current in the event of an earth fault.
Der erfindungsgemässe Mehrfach-Stromrichter wird vorzugsweise mit Strom richtern 8 mit Schaltfrequenzen um 300 bis 500 Hz oder höher eingesetzt. Die Leistung eines einzelnen Stromrichters 8 beträgt dabei beispielsweise annähernd 3 bis 9 MVA oder mehr. Solche hart geschalteten Stromrichter im Mittelspannungsbereich werden beispielsweise mit Kompressoren oder Pumpen, in Walzwerken und auf Schiffen eingesetzt. Der erfindungsgemässe Mehrfach-Stromrichter lässt sich auch bei hochgetakteten Stromrichtern mit Schaltfrequenzen von beispielsweise 20 kHz und mit niedrigerer Leistung, mit beispielsweise einigen hundert kW einsetzen. Die Mehrfach-Stromrichter verhindert dabei auch, dass Erdschutzschalter aufgrund von ins Netz zurück fliessenden Common-Mode-Strömen ansprechen.The multiple converter according to the invention is preferably used with converters 8 with switching frequencies around 300 to 500 Hz or higher. The power of a single converter 8 is, for example, approximately 3 to 9 MVA or more. Such hard-switched medium-voltage converters are used, for example, with compressors or pumps, in rolling mills and on ships. The multiple converter according to the invention can also be used in high-clocked converters with switching frequencies of, for example, 20 kHz and with a lower power, for example a few hundred kW. The multiple converter also prevents earth protection switches from responding due to common mode currents flowing back into the network.
11
Anlagenerde
System earth
22nd
zentraler Anlagenerdpunkt
central plant earth point
33rd
Leistungserde
Power earth
44th
Pluspol
Positive pole
55
Neutralpunkt
Neutral point
66
Minuspol
Negative pole
88th
Stromrichter
Power converter
99
Ausgangsfilter
Output filter
1010th
Mehrfach-Stromrichter
Multiple converter
1111
Filtererdpunkt
Filter earth point
1212th
lokale Erde
local earth
1313
Gehäuseerdpunkt
Housing ground point
2020th
Stromrichtereinheit
Converter unit
3030th
Kabel
electric wire
3131
gemeinsamer Kabelschirm
common cable shield
3232
stromrichterseitige Erdung des gemeinsamen Kabelschirms
Grounding of the common cable shield on the converter side
3333
lastseitige Erdung des gemeinsamen Kabelschirms
load-side earthing of the common cable shield
3434
Einzelkabelschirm
Single cable screen
3535
stromrichterseitige Erdung der Einzelkabelschirme
Grounding of the individual cable shields on the converter side
4040
Verbraucher
consumer
4141
Verbrauchererdung
Consumer grounding
71-7571-75
Impedanzverläufe
Impedance curves
8181
Stromschiene
Track
8282
Umhüllungselement
CPGN Wrapping element
C PGN
Kapazität zur Gleichtaktunterdrückung
CDC Common mode rejection capacity
C DC
Zwischenkreiskapazität
XG DC link capacity
X G
Erdungsimpedanz
RG Grounding impedance
R G
Erdungswiderstand
LG Earth resistance
L G
Erdungsinduktivität
CF Ground inductance
C F
Filterkapazität
LF Filter capacity
L F
Filterinduktivität
RF Filter inductance
R F
Filterwiderstand
CC Filter resistance
C C
Kabelkapazität
LC Cable capacity
L C
Kabelinduktivität
CM Cable inductance
C M
Verbraucherkapazität
LB Consumer capacity
L B
Stromschieneninduktivität
UCM Track inductance
U CM
Gleichtakt-Spannungsquelle
Z1 erste Impedanz
Z2 zweite Impedanz
Common mode voltage source
Z1 first impedance
Z2 second impedance
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Priority Applications (1)
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Applications Claiming Priority (1)
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Publications (1)
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ID=7927771
Family Applications (1)
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