DE202009006280U1

DE202009006280U1 - Umrichterfilterkonstruktion

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Publication number: DE202009006280U1
Application number: DE200920006280
Authority: DE
Original assignee: ABB Oy
Current assignee: ABB Schweiz AG
Priority date: 2008-04-28
Filing date: 2009-04-28
Publication date: 2009-07-16
Anticipated expiration: 2019-04-29
Also published as: FI8465U1; FIU20090158U0; EP2113928A1

Abstract

Filterkonstruktion für einen Umrichter oder für einen Netzumrichter, worin die Filterkonstruktion zumindest eine Drossel per Phase (U, V, W) aufweist und jede Drossel eine Luftkerndrossel ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftkerndrosseln auf derselben Achse derart angeordnet sind, dass die magnetische Achse jeder Luftkerndrossel sich gegenseitig entspricht.

Description

BEREICH DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Filter und insbesondere auf eine an einen Ausgang eines Umrichters anzuschliessende Filterkonstruktion.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Eine Umrichterbrücke eines Frequenzumrichters erzeugt eine asymmetrische Spannung in ihrem Normalbetrieb. Die asymmetrische Spannung dient als Spannungsquelle für kapazitive Ströme, die durch die Streukapazitäten eines Frequenzumrichterantriebs geschlossen werden.
In hochleistungsfähigen Systemantrieben wird asymmetrischer Strom durch sowohl Ausgangsfilter als auch asymmetrische Drosseln L_cm vermindert, wie in 1 gezeigt wird. Der Ausgangsfilter L_f, R_f, C_f wird auch zum Filtern von symmetrischen Spannungen, d. h. zum Verlängern der Anstiegszeit der Spannungsschritte, verwendet. Ausgangsfilter werden auch für Ausgleichung von Strömen zwischen unterschiedlichen Ausgangsmodulen verwendet, wenn ein Phasenausgang aus mehreren Zweigen besteht, was jedem Ausgangsmodul eine höhere Belastbarkeit schenkt. Ausgangsfilter sind auch nützlich, wenn parallel geschaltete Schalter in Zusammenhang mit mehreren Zweigen überwacht werden. Durch zweigspezifische Induktivitäten kann ein fehlerhaft funktionierender IGBT-Schalter festgestellt werden, indem Spannungen über leitfähige IGBT-Schalter gemessen werden.
2 zeigt die Umrichterphase eines Frequenzumrichters, wo jede Ausgangsphase drei obere und untere IGBT-Schalter, d. h. drei Zweige, aufweist. Die zwischen der DC-Spannung U_DC überbrückt geschaltete Schalter werden derart gesteuert, dass obere Schalter einer Ausgangsphase gleichzeitig gesteuert werden und untere Schalter einer Ausgangsphase dementsprechend gleichzeitig gesteuert werden.
Jeder Zweig in jeder Ausgangsphase weist eine Drossel auf. Die ersten Enden der Drosseln sind an einen Punkt zwischen den oberen und unteren Schaltern angeschlossen. Die zweiten Enden der Drosseln jeder Phase sind aneinander angeschlossen, um Phasenausgänge U_out, V_out, W_out auszubilden. Somit besteht jede Phase in 2 aus drei parallelen Zweigen mit drei Drosseln.
Es ist bekannt, für asymmetrische Filterung Ringe aus Nanokristallmaterial zu verwenden. Beispielsweise sind drei solche Ringe um die DC-Leiter jedes Umrichtermoduls angeordnet, um asymmetrische Ströme zu unterdrücken. Diese Lösung ist jedoch ziemlich teuer und die Kühlung der Ringe ist schwer erreichbar. Weiterhin werden die Ringe leicht gesättigt und ihre Leistung in Bezug auf hohe Frequenzen ist schwach. Asymmetrische Filterung kann auch im Ausgang des Umrichters durchgeführt werden, indem beispielsweise die Ausgangsphasen mit den oben erwähnten Ringen umgegeben werden.
3 zeigt ein Beispiel für Induktivitäten von Nanokristallringen als Funktion der Frequenz und des Stroms. Stromimpulse mit einer Größe von Dutzenden von Amperen können im Zwischenkreis eines Frequenzumrichters vorhanden sein. Typischerweise variieren die Frequenzen dieser Stromimpulse von 10 kHz bis 1 MHz. Wie aus 3 ersichtlich, sind die Nanokristallringe nicht am besten, wenn die Frequenzen oder Ströme hoch sind, obwohl die Induktivität des Rings bei niedrigen Frequenzen und Strömen ziemlich hoch ist. Dieses Verhalten kann natürlich verbessert werden, indem ein Material mit einer niedrigeren Permeabilität und eine größere Querschnittsfläche in den Ringen verwendet werden.
Differenzialfilterung wird typischerweise mit einer Eisenkern- oder Luftkerndrossel durchgeführt, die zum Beschränken der Anstiegsgeschwindigkeit der Ausgangsspannung verwendet wird. Eine bekannte Ausgangsdrosselkonstruktion wird in 4 dargestellt, die dem Stromkreis der 2 entspricht. 4 zeigt neun separate Spulen, was bedeutet, dass es drei Spulen pro jede Ausgangsphase U, V, W wie in 2 gibt. Im Aufbau nach 4 erzeugt der asymmetrische Strom keinen gemeinsamen magnetischen Fluss für jede Drossel wegen der physikalischen Anordnung und der Konstruktion der Drosseln. Das bedeutet, dass asymmetrische Induktivität ziemlich niedrig ist. In der Praxis wird asymmetrische Induktivität aus einer Parallelschaltung der Phaseninduktivitäten gebildet, und somit beträgt sie im Beispiel der 4 ein Neuntel der symmetrischen Induktivität einer Drossel. 4 zeigt drei parallele Leistungsstufen. Die Anzahl von parallelen Stufen ist aber nicht beschränkt und kann von 2 bis zu einer beliebigen erwünschten Nummer sein.
Ein mit bekannten Filterkonstruktionen verbundenes Problem bezieht sich auf den Betrieb insbesondere auf hohen Frequenzen und auf die Kosten der Konstruktion. Ferner werden separate Drosseln für asymmetrische und symmetrische Ströme gebraucht.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Filterkonstruktion bereitzustellen, mit der die oben erwähnten Nachteile vermieden werden. Die Aufgabe der Erfindung wird mit einer Filterkonstruktion gelöst, die dadurch gekennzeichnet ist, was im unabhängigen Anspruch gesagt wird. Die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung sind der Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Durch Messungen und Simulation ist herausgefunden worden, dass eine überraschend niedrige Induktivität für Unterdrückung von asymmetrischen Strömen benötigt wird. Die Induktivität muss sowohl für hohe Betriebsfrequenzen als auch für große Ströme vorhanden sein. Eine Drossel mit einem Luftkern behält ihre magnetischen Eigenschaften ziemlich gut auf hohen Frequenzen, und 5 zeigt an der Drossel mit einem Luftkern gemessene Induktivität als Funktion der Frequenz. Wie aus 5 ersichtlich, ist die Induktivität fast linear in Bezug auf die Frequenz.
Die Erfindung beruht auf der Idee, dass ein Filter derart ausgebildet wird, dass die Luftkerne oder die Wicklungen der Drosseln auf derselben Achse angeordnet sind. Indem die separaten Spulen aufeinander angeordnet werden, wird die von den separaten Drosseln stammende asymmetrische Induktivität maximiert, und der asymmetrische Strom bildet einen gemeinsamen magnetischen Fluss, der durch alle Spulen strömt.
Das von der erfindungsgemäßen Filterkonstruktion benötigte Volumen ist wesentlich kleiner als das der bekannten Konstruktionen und auch die Leistungsverluste im Filter sind geringer als die Leistungsverluste mit entsprechend dimensionierten Lösungen nach dem Stand der Technik.
Durch die Konstruktion der vorliegenden Erfindung ist es auch möglich, die Nanokristallringe im Spannungszwischenkreis auszulassen, da die asymmetrische Induktivität jetzt am Ausgang des Umrichters mit dem Filter erzeugt wird. Die gesamte Filterkonstruktion wird somit einfacher, wenn die Ringe ausgelassen werden.
Da die Drosseln Luftkerne aufweisen, wird mit der Konstruktion das Problem vermieden, das sich auf die Sättigung der magnetischen Materialien in Drosseln bezieht. Das bedeutet auch, dass die Induktivität in Bezug auf die Frequenz fast linear ist. Somit hat die Konstruktion der vorliegenden Erfindung bessere Filterungseigenschaften als die Lösungen nach dem Stand der Technik. Auch die in Filtern zu verwendende Materialien betreffenden Kosten werden geringer, da die Nanokristallringe mit der vorliegenden Erfindung vermieden werden können.
Es ist auch festgestellt worden, dass der asymmetrische Strom effizienter am Ausgang des Umrichters als im Zwischenspannungskreis gefiltert wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von bevorzugten Ausführungsformen unter Hinweis auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Frequenzumrichterkonstruktion nach dem Stand der Technik mit einer asymmetrischen Drossel und einem Ausgangsfilter,
2 die Schaltung von Spulen von Ausgangsdrosseln an einen Leistungsmodul mit drei parallelen Zweigen,
3 eine Induktivitätskurve von Nanokristallringen als Funktion des Stroms und der Frequenz,
4 eine bekannte Ausgangsfilterkonstruktion, die dem Stromkreis der 2 entspricht,
5 eine Induktivitätskurve eines Luftkernfilters als Funktion der Frequenz,
6 und 7 Filterkonstruktionen gemäß der vorliegenden Erfindung,
8 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Filterkonstruktion, und
9 einen schematischen Schaltplan, der eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
6 zeigt eine Konstruktion nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Nach der vorliegenden Erfindung umfasst die Filterkonstruktion zumindest eine Drossel per Ausgangsphase des Umrichters und jede Drossel ist eine Luftkerndrossel. In 6 ist der Filter ein dreiphasiger U-, V-, W-Filter, worin jede Phase aus drei parallelen Zweigen besteht. Diese Konstruktion entspricht somit der Konstruktion der 4 und kann wie in 2 elektrisch geschaltet werden.
Nach der vorliegenden Erfindung werden weiterhin die Luftkerndrosseln auf derselben Achse angeordnet, so dass die magnetische Achse jeder Luftkerndrossel sich gegenseitig entspricht. Wie 6 zeigt, sind die Drosseln derart gestapelt, dass die Luftkerne der Drosseln in eine Linie gebracht sind. Die magnetische Achse einer Luftkerndrossel bezieht sich auf eine imaginäre Achse, die zwischen den magnetischen Polen einer magnetisierten Drossel gebildet ist. Wenn ein Strom in der Drossel fließt, wird ein magnetischer Fluss gebildet und die magnetischen Pole werden auf der magnetischen Achse gebildet, die durch die Drossel ungefähr in der Mitte der Drossel verläuft. Demnach ist die magnetische Achse eine gerade Linie, die durch die Drossel ungefähr im physikalischen Mittelpunkt der Drossel verläuft.
Wie oben erwähnt, zeigt 6 eine Ausführungsform eines Filters der vorliegenden Erfindung, die drei Phasen aufweist. Jede von diesen Phasen U, V, W weist drei separate, aufeinander angeordnete Spulen auf. Die Wicklungen dieser zu derselben Phase gehörenden Spulen oder Drosseln sind an ihren ersten Enden elektrisch aneinander angeschlossen, und die zweiten Enden sind an parallelbetriebene Zweige eines Umrichters angeschlossen, wenn die Konstruktion auf gleiche Weise wie in 2 verwendet wird. In dem Beispiel der 6 werden die neun separaten Spulen dargestellt. Die Spulen sind nur als Blöcke gezeigt, die keine spezifische Anzahl von Wicklungsdrehungen aufweisen. Es ist jedoch klar, dass jede Spule mehrere Wicklungsdrehungen aufweisen kann. Es sollte auch bemerkt werden, dass die Wicklungsenden, die zum Herstellen der elektrischen Verbindungen verwendet werden, in den Zeichnungen nicht gezeigt werden.
7 zeigt eine andere Ausführungsform der Erfindung. Diese Ausführungsform weist auch neun separate Spulen (drei Phasen und drei Spulen per Phase) auf, aber die Geometrie unterscheidet sich von der der 6. Die Konstruktion in 7 ist breiter und kürzer in Richtung der magnetischen Achse als die Konstruktion der 6. Die Spulen in 6 und 7 sind ferner auf derselben magnetischen Achse angeordnet.
Die induktiven Eigenschaften der Filterkonstruktion können durch Änderung der Spulengeometrie verändert werden. In Bezug auf 6 und 7 zeigt 6 eine Konstruktion, in der man versucht, die symmetrische Induktivität zu maximieren, und 7 ist eine Konstruktion, in der die asymmetrische Induktivität maximiert wird. Das liegt daran, dass die Induktivität steigt, indem die Wicklung verkürzt und der Durchmesser der Spule vergrößert wird. Hinsichtlich des symmetrischen Betriebs ist die Konstruktion der 6 optimaler. Falls dieselbe symmetrische Induktivität wie bei der bekannten Konstruktion der 5 benötigt wird, wird die Größe der separaten Spulen vermindert. Die kleinere Größe verringert auch die Materialkosten. Indem die Induktivität der separaten Drosseln optimiert wird, kann die asymmetrische Induktivität vergrößert werden, aber in Bezug auf die asymmetrische linduktivität ist diese optimierte Form nicht optimal.
Falls die asymmetrische Induktivität der erfindungsgemäßen Filterkonstruktion maximiert werden soll, sollte die Konstruktion so flach als möglich und der Durchmesser der Spule groß ausgebildet werden. Die flache Konstruktion bezieht sich auf die Höhe des Spulenstapels, d. h. auf die Dimension senkrecht zum Durchmesser. Ein mit gestapelten Konstruktionen verbundener Nachteil ist, dass die symmetrischen Induktivitäten in einem dreiphasigen Betrieb unterschiedliche Werte haben. Das liegt an den unterschiedlichen Stromrichtungen, die zu Flüssen führen, die sich gegenseitig teilweise löschen.
Dieser mit der Konstruktion verbundene Nachteil kann vermieden werden, indem die physikalische Konstruktion derart dimensioniert wird, dass ausreichend asymmetrische und symmetrische Induktivität erhalten werden. Eine andere Weise, gleichmäßig verteilte symmetrische Induktivitäten zu erhalten, wird im Beispiel der 8 gezeigt. In dieser Ausführungsform der Erfindung sind die Spulen der unterschiedlichen Phasen U, V, W voneinander physikalisch getrennt, was bedeutet, dass sich Spalten 81 zwischen den Spulen in Richtung der magnetischen Achse bilden. Diese Spalten 81 sorgen für die Trennung von unterschiedlichen Phasen und die magnetische Kupplung wird lockerer, was die Anzahl von Variationen in den symmetrischen Induktivitäten verringert. Die asymmetrische Induktivität, der der asymmetrische Strom ausgesetzt wird, wird auch wegen der Spalten 81 verändert. Die mit der Basiskonstruktion von gestapelten Spulen ohne Spalten erreichte Größe der asymmetrischen Induktivität ist jedoch trotz der Spalten ausreichend hoch, so dass die problematischen asymmetrischen Filter im Zwischenkreis ausgelassen werden können. Die Spalten 81 können so ausgebildet werden, dass beispielsweise eine nichtmagnetische Stützkonstruktion zwischen den unterschiedlichen zu trennenden Gruppen verwendet wird. Es soll bemerkt werden, dass 8 die Drosseln als Toroide zeigt, die keine Spulen enthalten. 8 wird jedoch für die Veranschaulichung der Idee verwendet, dass zwischen Spulengruppen Spalten bereitgestellt werden.
Es bestehen auch bestimmte Unterschiede in Induktivitäten von zu derselben Phase gehörenden Spulen wegen der unterschiedlichen Phasenströme. Diese Unterschiede können kompensiert werden, indem Spulen, die eine unterschiedliche Anzahl von Wicklungen innerhalb einer Phase aufweisen, oder unterschiedliche Durchmesser für jede Spule verwendet werden.
Die bei der Erfindung einzusetzenden Drosseln sind zum Beispiel aus Kupfer hergestellt, das formgewickelt ist und seine Struktur somit ohne jegliche Stütze behält. Es wird jedoch verstanden, dass unterschiedliche Spulenmaterialien bei der Erfindung benutzt werden können. Es versteht sich auch, dass, da die Drosseln Luftkerndrosseln sind, ein beliebiges nichtmagnetisches Material innerhalb der oder um die Drosseln verwendet werden kann, da es angesehen wird, dass nichtmagnetisches Material in Zusammenhang mit Magnetkreisen der Luft entspricht. Solche innerhalb der oder um die Drosseln verwendeten Materialien können zum Beispiel Kunststoff oder dergleichen sein, der zu Befestigungs- und Stützzwecken benutzt wird.
9 zeigt die elektrische und magnetische Schaltung der Drosseln der erfindungsgemäßen Konstruktion in Verbindung mit drei Phasen und drei parallelen Zweigen. Die Eingänge der Drosseln U_in, V_in, W_in sind vorgesehen, an parallele Zweige des Umrichters wie in 2 angeschlossen zu werden. Zum Beispiel besteht der Eingang U_in aus drei Anschlusspunkten, die an drei parallele Zweige angeschlossen werden können, die zusammen den Phasenausgang eines Umrichters ausbilden. Wie aus 9 ersichtlich, sind alle Drosseln in derselben Richtung gewickelt, d. h. die Polaritäten der Drosseln entsprechen sich gegenseitig. Das bedeutet, dass die vom Umrichter an den Drosseln ankommenden Ströme Flüsse bilden, die dieselbe Richtung aufweisen.
Die Drosseln sind magnetisch geschaltet, wie aus 9 ersichtlich ist. Die magnetische Kupplung zwischen unterschiedlichen Phasen wird mit der in 8 offenbarten Ausführungsform schwächer gemacht. Im Stromkreis der 9 bedeutet das, dass die Drosselgruppen weg voneinander bewegt werden aber dass sie sich noch auf derselben magnetischen Achse befinden. 9 umfasst auch Spalten 81, die dazu dienen, das Verhältnis zwischen 9 und 8 zu veranschaulichen.
6, 7 und 8 veranschaulichen eine Konstruktion, in der der Filter für Umrichter mit drei Ausgangszweigen ausgebildet ist. Die erfindungsgemäße Filterkonstruktion kann aber auch in Zusammenhang mit Umrichtern verwendet werden, die nur einen Ausgang per Phase aufweisen. In einigen Fällen, beispielsweise bei langen Motorverkabelungen, müssen oft dU/dt-Filter benutzt werden, die zum Verlängern der Anstiegszeit des Spannungsschritts im Motor eingesetzt werden. Solche dU/dt-Filter werden meistens derart aufgebaut, dass Drosseln benutzt werden, die an den Ausgang des Umrichters angeschlossen, d. h. mit den Motorkabeln in Serie geschaltet, sind. Die erfindungsgemäße Konstruktion, in der Drosseln eine gemeinsame magnetische Achse haben, sorgt für eine dU/dt-Funktion und auch für asymmetrische Filterung mit denselben Drosseln ohne jegliche Zusatzkonstruktionen.
Wie aus 6, 7 und 8 ersichtlich, ist der Durchmesser der einzelnen Drosseln der Konstruktion größer als die Höhe der betreffenden Drossel. Der Durchmesser bezieht sich auf das Mail quer durch die Drossel und die Höhe bezieht sich auf die Dimension der Drossel in derselben Richtung wie die magnetische Achse. Es sollte bemerkt werden, dass die Drosseln nicht unbedingt rund sind aber auch rechteckig mit gerundeten Ecken sein können. Wegen dieser Dimensionierung können die Drosseln gestapelt werden und die Konstruktion kann mit erforderlichen Induktivitäten vorgesehen werden.
Die erfindungsgemäße Filterkonstruktion wird oben betreffend einen Umrichterausgangsfilter ausführlich erläutert. Es ist jedoch klar, dass dieselbe Konstruktion auch als Filter in einem Netzumrichter angewandt werden kann.
Es ist für einen Fachmann offenbar, dass die erfinderische Idee auf 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 Ansprüche variieren.

Claims

Filterkonstruktion für einen Umrichter oder für einen Netzumrichter, worin die Filterkonstruktion zumindest eine Drossel per Phase (U, V, W) aufweist und jede Drossel eine Luftkerndrossel ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftkerndrosseln auf derselben Achse derart angeordnet sind, dass die magnetische Achse jeder Luftkerndrossel sich gegenseitig entspricht.
Konstruktion nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosseln in der Konstruktion in einem Stapel angeordnet sind, was ermöglicht, dass ein mit jeder der Drosseln in der Konstruktion erzeugbarer magnetischer Fluss zumindest teilweise über jede Drossel in der Konstruktion geschlossen wird.
Konstruktion nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterkonstruktion mehrere Drosseln per Phase aufweist, wobei die Drosseln jeder Phase aufeinander angeordnet sind und jede Drossel der Konstruktion auf derselben Achse angeordnet ist.
Konstruktion nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosseln der Konstruktion dieselbe Polarität aufweisen und, wenn sie an den Ausgang des Umrichters angeschlossen sind, der vom Umrichter fließende Strom vorgesehen ist, Flüsse in den Drosseln zu bilden, wobei die produzierten Flüsse dieselbe Richtungen aufweisen.
Konstruktion nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftkerndrosseln jeder Phase zusammen gruppiert sind, um eine Drosselgruppe auszubilden, und eine Spalte (81) zwischen den Drosselgruppen vorgesehen ist.
Konstruktion nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosselgruppe zumindest eine Drossel aufweist.
Konstruktion nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterkonstruktion mehrere zwischen den Drosselgruppen angeordnete Spalten (81) aufweist.
Konstruktion nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser jeder Drossel größer als die Höhe der Drossel ist.