DE202006015609U1 - Wechselrichterbaugruppe - Google Patents

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    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02M1/44Circuits or arrangements for compensating for electromagnetic interference in converters or inverters
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01FMAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00Details of transformers or inductances, in general
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    • H01F27/2876Cooling
    • HELECTRICITY
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Abstract

Wechselrichterbaugruppe, die einen Wechselrichter, der für jede seiner Ausgangsphasen wenigstens einen Ausgangszweig (U1) umfasst, und Ausgangsdrosselmittel aufweist, die für jede Ausgangsphase des Wechselrichters wenigstens eine Drosselspule (L1) aufweisen, die mehrere Windungen umfasst und die an den wenigstens einen Ausgangszweig (U1) der betreffenden Ausgangsphase des Wechselrichters gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die erwähnte wenigstens eine Drosselspule (L1) eine Drossel mit einem Luftkern ist.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung bezieht sich auf Wechselrichter und insbesondere auf mit Ausgangsdrosselmitteln versehene Wechselrichter.
  • Es ist bekannt, bei einem Wechselrichter, wie zum Beispiel bei einem Wechselrichter eines Frequenzumrichters, eine sog. Ausgangsdrossel zu verwenden. Die Ausgangsdrossel des Frequenzumrichters beschränkt die Ableitung du/dt der Ausgangsspannung des Umrichters und schützt somit eine Vorrichtung, die der Frequenzumrichter speist. Wenn die zu speisende Vorrichtung ein Motor ist, schützt die Ausgangsdrossel Motorwicklungen vor Teilentladungen und beschränkt Lagerströme, die eine durch eine impulsförmige Dreiphasenspannung des Umrichters gebildete Gleichtaktspannung im Motor verursacht.
  • Je nach der Konstruktion des Wechselrichters können seine Ausgangsdrosselmittel eine oder mehrere einzelne Drosselspulen pro Phase aufweisen. Zum Beispiel in Wechselrichterbaugruppen mit großem Strom ist es bekannt, mehrere Schalterkomponenten zum Erreichen der erforderlichen Strombelastbarkeit parallel zu schalten, wobei der Wechselrichter für jede Phase mehrere Ausgangszweige aufweist, von denen jeder mit einer Ausgangsdrossel versehen werden kann.
  • In der Offenlegungsschrift WO 2004/019475 A1 "Output choke arrangement for inverter, and method in conjunction therewith" ist eine Ausgangsdrosselbaugruppe eines Wechselrichters dargestellt, in der für jeden Zweig einer Phase eines Wechselrichterausgangs eine entsprechende Drosselspule bewirkt worden ist. In der Veröffentlichung wird eine Baugruppe dargestellt, in der jede Phase drei Drosselspulen aufweist, die symmetrisch in die Form eines Dreiecks gesetzt sind, wobei eine magnetische Kupplung zwischen parallelen Zweigen jeder Phase klein und symmetrisch ist. Mit einer Konstruktion, in der für jeden Zweig des Ausgangs eine entsprechende Drosselspule bewirkt worden ist, können Ströme der Schalterkomponenten verschiedener Zweige des Ausgangs ausgeglichen werden, und die Überwachung der Durchzündung der Schalterkomponenten kann damit erleichtert werden.
  • Die üblichste Ausgangsdrossel weist mehrere Windungen auf, die um einen Eisenkern gewickelt sind. Probleme bei einer derartigen Ausgangsdrosselkonstruktion sind u. a. das große Gewicht und das Heißlaufen insbesondere bei den größten Ausgangsfrequenzen des Wechselrichters. Es sind auch Ausgangsdrosselkonstruktionen bekannt, die ausschließlich bei großen Frequenzkomponenten effektiv sind. Im Gebrauch sind zum Beispiel Ringe aus einem Material mit sehr großer relativer Permeabilität, die Spannungsübergangszustände dämpfen, wenn sie um Ausgangsphasenschienen oder -leiter gesteckt sind. Ein Nachteil bei diesen Komponenten liegt darin, dass sie sehr teuer sind. Ein Problem bei solchen Ringen ist auch ihre relativ große Dimension.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine mit Ausgangsdrosselmitteln versehene Wechselrichterbaugruppe zu entwickeln, mit der die oben erwähnten Probleme gelöst werden können. Die Aufgabe der Erfindung wird mit einer Wechselrichterbaugruppe gelöst, die durch das gekennzeichnet ist, was im unabhängigen Schutzanspruch gesagt wird. Die vorteilhaften Ausführungsformen der Erfindung sind als Gegenstand der abhängigen Schutzansprüche.
  • Die Erfindung beruht darauf, dass als Ausgangsdrossel eines Wechselrichters eine Drossel mit einem Luftkern verwendet wird. Hier wird mit dem Luftkern ein Kern gemeint, der sehr kleine elektrische und magnetische Leitfähigkeit hat.
  • Vorteile der erfindungsgemäßen Wechselrichterbaugruppe gegenüber den mit Ausgangsdrosseln mit einem Eisenkern versehenen Wechselrichtern sind die Leichtigkeit, der geringere Raumbedarf und der günstigere Preis sowie der umfangreiche ver wendbare Frequenzbereich. Der durch die Ausgangsdrosselmittel der erfindungsgemäßen Wechselrichterbaugruppe verursachte Spannungsverlust bei Basisstromfrequenzen ist auch kleiner, ebenso wie das Heißlaufen der Ausgangsdrosselmittel bei großen Ausgangsfrequenzen.
  • Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Wechselrichterbaugruppe, deren jede Ausgangsphase mehrere Ausgangszweige aufweist, von denen jeder mit einer Drosselspule versehen ist, ist zusätzlich das geringe Übersprechen zwischen verschiedenen Drosselspulen derselben Ausgangsphase, obwohl die Drosselspulen physisch nahe beieinander liegen würden. Die Überwachung der Durchzündung von Halbleiterschaltern des Wechselrichters, der Stromausgleich zwischen den Halbleiterschaltern und die Beschränkung der Spannungsableitungen sowie der Lagerströme funktionieren auch gut bei der erfindungsgemäßen Wechselrichterbaugruppe.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
  • Die Erfindung wird jetzt im Zusammenhang mit vorteilhaften Ausführungsformen unter Hinweis auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert, von denen:
  • 1 zeigt Schalterbaugruppen und Ausgangsdrosseln einer Wechselrichterbaugruppe nach einer Ausführungsform der Erfindung;
  • 2 zeigt den Schaltplan einer Schalterbaugruppe der 1 und
  • 3 zeigt ein vereinfachtes Ersatzschaltbild einer Ausgangsdrossel.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • 1 zeigt Schalterbaugruppen S1–S3 eines dreiphasigen Wechselrichters und mit ihnen verbundene Drosselspulen L1–L9. Jede Ausgangsphase des Wechselrichters weist eine Schalterbaugruppe auf, die drei Ausgangszweige umfasst. An jeden Ausgangszweig ist eine Drosselspule angeschlossen, weshalb insgesamt neun Drosselspulen vorhanden sind. Jede Drosselspule ist eine Drossel mit einem Luftkern.
  • Jede Drosselspule L1–L9 mit einem Luftkern weist mehrere Windungen auf, die um den Luftkern gewickelt sind. Mit dem Luftkern wird hier ein Kern einer Spule gemeint, der sehr kleine elektrische und magnetische Leitfähigkeit hat. Der Luftkern kann Luft und/oder andere Stoffe aufweisen, die diamagnetisch oder paramagnetisch sein können.
  • Ein erstes Ende jeder Drosselspule ist an einen entsprechenden Ausgangszweig einer entsprechenden Schalterbaugruppe des Wechselrichters angeschlossen. Ein erstes Ende einer ersten Drosselspule L1 einer ersten Phase U ist somit an einen ersten Ausgangszweig U1 einer ersten Schalterbaugruppe S1 des Wechselrichters angeschlossen, ein erstes Ende einer Drosselspule L4 ist an einen zweiten Ausgangszweig U2 der Schalterbaugruppe S1 angeschlossen und ein erstes Ende einer Drosselspule L7 ist an einen dritten Ausgangszweig U3 der Schalterbaugruppe S1 angeschlossen. Drosselspulen L2, L5 und L8 einer zweiten Phase V sind auf entsprechende Weise an ihren ersten Enden an einen ersten V1, einen zweiten V2 und einen dritten V3 Ausgangszweig einer zweiten Schalterbaugruppe S2 des Wechselrichters angeschlossen und Drosselspulen L3, L6 und L9 einer dritten Phase W sind entsprechend an ihren ersten Enden an einen ersten W1, einen zweiten W2 und einen dritten W3 Ausgangszweig einer dritten Schalterbaugruppe S3 des Wechselrichters angeschlossen. Die zweiten Enden der Drosselspulen jeder Phase sind verbunden, wobei die Wechselrichterbaugruppe nur einen Ausgang für jede Phase aufweist. Die zweiten Enden der Drosselspulen L1, L4 und L7 der ersten Phase U sind somit zum Ausgang der Phase U verbunden, die zweiten Enden der Drosselspulen L2, L5 und L8 der zweiten Phase V sind zum Ausgang der Phase V verbunden und die zweiten Enden der Drosselspulen L3, L6 und L9 der dritten Phase W sind zum Ausgang der Phase W verbunden.
  • In 1 sind die Drosselspulen jeder Phase symmetrisch in die Form eines Dreiecks so gesetzt, dass die Mittellinien der Drosselspulen miteinander parallel sind und sich an den Spitzen eines gleichseitigen Dreiecks befinden. Alternativ können die Drosselspulen zum Beispiel im Wesentlichen in die L-Form so gesetzt werden, dass sich ihre Mittelpunkte an den Spitzen eines solchen gleichseitigen Dreiecks befinden, dessen Winkelspitze 80°–105° beträgt.
  • In 1 sind die Drosselspulen von ihrem Querschnitt her rund, wobei ihre Mittellinien auch ihre Symmetrieachsen sind. Die Drosselspulen können von ihrem Querschnitt her auch eine andere Form, wie zum Beispiel die Form einer Ellipse, so haben, dass die Halbachsen jeder Ellipse im Mittelpunkt einer entsprechenden Drosselspule beginnen.
  • In der erfindungsgemäßen Wechselrichterbaugruppe kann in jede Drosselspule mit einem Luftkern ein Kühlelement zustande gebracht werden. In 1 werden die Drosselspulen mit einem ersten Kühlelement 11, mit einem zweiten Kühlelement 12 und mit einem dritten Kühlelement 13 gekühlt. Jedes Kühlelement erstreckt sich linear, und sie sind miteinander parallel. Um jedes Kühlelement sind drei Drosselspulen angebracht. Die Windungen jeder Drosselspule definieren in die Drosselspule einen röhrenartigen Gang, in dem sich ein entsprechendes Kühlelement erstreckt. Um das erste Kühlelement 11 sind die erste Spule L1 der ersten Phase U, die erste Spule L2 der zweiten Phase V und die erste Spule L3 der dritten Phase W gesetzt. Um das zweite Kühlelement 12 sind die zweite Spule L4 der ersten Phase U, die zweite Spule L5 der zweiten Phase V und die zweite Spule L6 der dritten Phase W gesetzt. Um das dritte Kühlelement 13 sind die dritte Spule L7 der ersten Phase U, die dritte Spule L8 der zweiten Phase V und die dritte Spule L9 der dritten Phase W gesetzt.
  • Jedes Kühlelement 11, 12 und 13 weist einen Kühlmittelkanal auf, in dem beim Verwenden der Drosselbaugruppe Kühlmittel fließt. Das Kühlmittel kann flüssig oder gasförmig sein.
  • In der Wahl des Materials der in die Drosselspulen mit einem Luftkern zu montierenden Kühlelemente sollen die elektromagnetischen Eigenschaften des Materials berücksichtigt werden. Zum Material der Kühlelemente kann ein Material gewählt werden, dessen magnetischer Widerstand sowie elektrischer Widerstand groß sind. Das Material der Kühlelemente kann zum Beispiel Kunststoff sein.
  • Auch in der Wahl des in den Kühlelementen eventuell fließenden Kühlmittels sollen die magnetischen und die elektrischen Eigenschaften des Kühlmittels berücksichtigt werden.
  • 2 zeigt den Schaltplan einer Schalterbaugruppe S1 der 1. Die Schalterbaugruppe S1 weist drei parallele Schalterpaare auf, die gleichzeitig zum Erreichen des erforderlichen Ausgangsstroms gesteuert werden. Ein erstes Schalterpaar bilden Schalter T1 und T2, ein zweites Schalterpaar bilden Schalter T3 und T4 und ein drittes Schalterpaar bilden Schalter T5 und T6.
  • Neben jeden Schalter ist eine entsprechende Nulldiode angeschlossen. Dem Schalter T1 entspricht eine Nulldiode D1, dem Schalter T2 entspricht eine Nulldiode D2 und so weiter. Der Ausgang jedes Schalterpaares, der sich im Punkt zwischen den Schaltern des betreffenden Schalterpaares befindet, ist an einen entsprechenden Ausgangszweig der Schalterbaugruppe angeschlossen. Zum Beispiel ist der Punkt zwischen den Schaltern T1 und T2 an einen Ausgangszweig U1 angeschlossen.
  • In einen Eingang der Schalterbaugruppe S1 wird eine Gleichspannung Udc gebracht, die mittels der Schalterkomponenten T1–T6 auf eine Weise wechselgerichtet wird, die auf dem Gebiet völlig bekannt ist. Die Schalterkomponenten T1–T6 sind Halbleiterschalter. Vorzugsweise sind die Schalterkomponenten schnelle Halbleiterschalter, wie IGBT-Transistoren. Schalterbaugruppen S2 und S3 sind von ihrer Konstruktion her ähnlich wie die Schalterbaugruppe S1.
  • In 3 wird ein vereinfachtes Ersatzschaltbild einer Ausgangsdrossel dargestellt. Einzelne Windungen einer Drosselspule werden mit einer Induktanz Lwt, mit einer von der Frequenz abhängigen Resistanz Rwt (Widerstand) und mit einer Kapazitanz Cwt modelliert. Die Induktanz Lwt und die von der Frequenz abhängige Resistanz Rwt sind in Serie geschaltet und die Kapazitanz Cwt ist mit der Serienschaltung der Induktanz Lwt und der von der Frequenz abhängigen Resistanz Rwt parallel geschaltet.
  • Der Kern der Drosselspule wird windungsbezogen mit einer Induktanz Lco und mit einer von der Frequenz abhängigen Resistanz Rco modelliert. Die Induktanz Lco und die von der Frequenz abhängige Resistanz Rco sind in Serie geschaltet. Die die Windungen modellierenden Komponenten befinden sich in einem Oberzweig des Ersatzschaltbildes und die den Kern der Drosselspule modellierenden Komponenten befinden sich in einem Unterzweig des Ersatzschaltbildes. Eine zwischen dem Oberzweig und dem Unterzweig angebrachte Spannungsquelle Uvs stellt einen Wechselrichter dar. Zwischen dem Oberzweig und dem Unterzweig sind windungsbezogene Kapazitanzen Cp angebracht, um die Kapazitanz des Kerns gegenüber der Erde darzustellen.
  • Die Kapazitanzen Cp des Kerns der Drosselspule der erfindungsgemäßen Wechselrichterbaugruppe gegenüber der Erde sind im Vergleich zu entsprechenden Kapazitanzen der Drosselspule mit einem Eisenkern sehr klein. Die kleinen Kapazitanzen Cp sind für die Beschränkung der Wellenspannung und der Lagerströme vorteilhaft.
  • Die von der Frequenz des Kerns der Drosselspule der erfindungsgemäßen Wechselrichterbaugruppe abhängigen Resistanzen Rco sind wesentlich größer als in einer entsprechenden Drosselspule mit einem Eisenkern. Somit entstehen in der erfindungsgemäßen Baugruppe weniger Verluste im Kern. Der Unterschied ist bei hohen Ausgangsfrequenzen des Wechselrichters am größten. Die hohe Ausgangsfrequenz kann zum Beispiel 350 Hz–450 Hz betragen.
  • Eine Drosselspule mit einem Luftkern kann angeordnet sein, bei den Frequenzen 10 kHz–10 MHz zu funktionieren. Die Induktanz der Drosselspule mit einem Luftkern kann bei Ausgangsfrequenzen des Wechselrichters, zum Beispiel im Frequenzbereich 0–450 Hz, im Vergleich zur Induktanz einer entsprechenden Drosselspule mit einem Eisenkern sehr klein sein.
  • Die Erfindung ist oben betreffend eine dreiphasige Wechselrichterbaugruppe erläutert, die drei Drosselspulen für jede Ausgangsphase aufweist. Es ist jedoch klar, dass die Erfindung auch in solchen Wechselrichterbaugruppen angewandt werden kann, deren Ausgangsphasenanzahl und/oder Drosselspulenzahl pro Ausgangsphase von der Anzahl drei abweicht.
  • Es ist für einen Fachmann offenbar, dass der Grundgedanke der Erfindung auf viele verschiedene Weisen verwirklicht werden kann. Die Erfindung und ihre Ausführungsformen beschränken sich somit nicht auf die oben beschriebenen Beispiele, sondern sie können im Rahmen der Schutzansprüche variieren.

Claims (9)

  1. Wechselrichterbaugruppe, die einen Wechselrichter, der für jede seiner Ausgangsphasen wenigstens einen Ausgangszweig (U1) umfasst, und Ausgangsdrosselmittel aufweist, die für jede Ausgangsphase des Wechselrichters wenigstens eine Drosselspule (L1) aufweisen, die mehrere Windungen umfasst und die an den wenigstens einen Ausgangszweig (U1) der betreffenden Ausgangsphase des Wechselrichters gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die erwähnte wenigstens eine Drosselspule (L1) eine Drossel mit einem Luftkern ist.
  2. Wechselrichterbaugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter für jede Ausgangsphase mehrere Ausgangszweige (U1, U2, U3) umfasst und die Ausgangsdrosselmittel für jeden Ausgangszweig eine Drosselspule (L1, L4, L7) aufweisen, die eine Drossel mit einem Luftkern ist und an den betreffenden Ausgangszweig gekoppelt ist.
  3. Wechselrichterbaugruppe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass alle Ausgangszweige jeder Ausgangsphase des Wechselrichters nach den Drosselspulen verbunden sind.
  4. Wechselrichterbaugruppe nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter für jede Ausgangsphase drei Ausgangszweige (U1, U2, U3) umfasst und die Ausgangsdrosselmittel drei Drosselspulen (L1, L4, L7) für jede Phase (U1) umfassen.
  5. Wechselrichterbaugruppe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter für jede seiner Ausgangsphasen eine Schalterbaugruppe (S1, S2, S3) aufweist, die angeordnet ist, eine in einen Eingang der betreffenden Schalterbaugruppe zu bringende Gleich spannung (Udc) mittels Halbleiterschaltern (T1–T6) wechselzurichten und der Ausgangsphase auf diese Weise zu schaffenden Wechselstrom zuzuführen.
  6. Wechselrichterbaugruppe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erwähnten Halbleiterschalter (T1–T6) IGBT-Transistoren sind.
  7. Wechselrichterbaugruppe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in jeder Drosselspule (L1–L9) sich ein zum Kühlen der betreffenden Drosselspule angeordnetes Kühlelement (11, 12, 13) erstreckt.
  8. Wechselrichterbaugruppe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern jeder Drossel mit einem Luftkern sehr kleine elektrische und magnetische Leitfähigkeit hat.
  9. Wechselrichterbaugruppe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern jeder Drossel mit einem Luftkern Luft und/oder andere Stoffe aufweist, die diamagnetisch oder paramagnetisch sind.
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