DE202009013362U1

DE202009013362U1 - Filter und Anordnung mit einem Filter bei einem Frequenzumrichter

Info

Publication number: DE202009013362U1
Application number: DE202009013362U
Authority: DE
Original assignee: ABB Oy
Current assignee: ABB Schweiz AG
Priority date: 2009-09-29
Filing date: 2009-10-16
Publication date: 2009-12-31
Anticipated expiration: 2019-10-17
Also published as: FIU20090343U0; CN201656920U; FI8560U1

Abstract

Filter mit einer Kernstruktur, dadurch gekennzeichnet, dass der Filter eine Sekundärwicklung (4) umfasst, an die eine Impedanz (5) geschaltet ist.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Filter nach dem Oberbegriff des unabhängigen Schutzanspruchs 1 und eine den Filter umfassende Anordnung bei einem Frequenzumrichter.
Ein typisches dreiphasiges sinusförmiges Versorgungsnetz ist unter normalen Betriebsverhältnissen symmetrisch. Dabei ist die Vektorsumme der Spannung der drei Phasen gegen Erde Null. Wenn ein typischer dreiphasiger Gleichzwischenkreis-Wechselrichter (Inverter Unit, INU) zur Verfügung steht, ist jede Phase entweder an das positive oder das negative Spannungspotential des Gleichzwischenkreises geschaltet. Somit weichen die Summe und der Durchschnittswert der Spannungen dieser Phasen von Null ab. Der Durchschnittswert der Phasenspannungen wird als Gleichtaktspannung bezeichnet. Schnelle Änderungen der Gleichtaktspannung bewirken einen Gleichtaktstrom über Streukapazitäten des Stromkreises. Streukapazitäten gibt es in Speise- und Motorkabeln, einem Motor, einem Speisetransformator und einem Frequenzumrichter. Dient ausserdem eine aktive Versorgungseinheit (IGBT Supply Unit, ISU) statt einer Diodenversorgungseinheit als Versorgungseinheit, vergrößern die gleichzeitigen Schaltvorgänge der aktiven Versorgungseinheit und des Wechselrichters die Änderungsgeschwindigkeit der Gleichtaktspannung und den Gleichtaktstrom. Gleichtaktstrom und -spannung führen zu Lagerströmen des Motors und Spannungsbelastungen an der Isolierung zwischen den Phasenspannungen und der Erde des Motors. Zudem stört die Gleichtaktspannung andere an dasselbe Versorgungsnetz angeschlossene Vorrichtungen auf der Versorgungsseite und es ist möglich, dass sich der Gleichtaktstrom an andere Vorrichtungen induktiv oder über eine gemeinsame Erdungsroute schaltet.
Für Gleichtaktfilterung werden typisch auf der Versorgungsseite zwischen Phasenspannung und die Erde geschaltete Filterkondensatoren (Y-Kondensatoren) und mit ihnen in Serie geschaltete Gegentakt- und Gleichtaktinduktivität verwendet. Der Filter kann aus mehreren aufeinanderfolgenden Stufen bestehen.
Es ist jedoch denkbar, dass ein lediglich auf der Versorgungsseite montierter Filter die Situation auf der Motorseite verschlechtert. Falls man sich die Filterdrosseln sättigen lässt, vergrößern sich die Gleichtaktströme auf der Motorseite, weil die Gleichtaktimpedanz auf der Versorgungsseite aufgrund der gegen die Erde des Filters geschalteteten Kondensatoren klein ist. In Frequenzumrichtern hoher Leistung, die viele parallelgeschaltete Kabel und somit Kapazität gegen die Erde aufweisen, kann der Spitzenwert für Gleichtaktstrom unfiltriert Hunderte von Amperen betragen und auch mit dem Filter Dutzende von Amperen sein. Die Dimensionierung der Sättigung einer Gleichtaktdrossel für solche Ströme würde die Drossel größer machen und die Kosten erheblich steigern, weshalb wahrscheinlich ist, dass die Drosseln derart dimensioniert sind, dass sie sich in Wirklichkeit zumindest gelegentlich sättigen. Falls im Filter zudem lediglich die Induktivität als Reihenimpedanz eingesetzt wird, ist es möglich, dass, obwohl die Frequenzkomponenten höherer Frequenz (beispielsweise über 100 kHz) von Gleichtaktstrom und -spannung gedämpft werden, sich eine Komponente mit hoher Amplitude auf der Resonanzfrequenz (zum Beispiel 10 bis 20 kHz) des Stromkreises befindet und der Effektivwert des Gleichtaktstroms größer als ohne Filter ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen Filter bereitzustellen, mit dem die oben erwähnten Probleme gelöst werden. Die Aufgabe der Erfindung wird durch einen Filter erreicht, der dadurch gekennzeichnet ist, was im unabhängigen Schutzanspruch gesagt wird. Die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung sind der Gegenstand der abhängigen Schutzansprüche.
Die Erfindung basiert darauf, dass Gleichtaktstrom und/oder -spannung anhand einer Filterkonstruktion mit einem Sekundärkreis gefiltert wird. Mit der an den Sekundärkreis geschalteten Impedanz werden Verluste im Gleichtaktkreis verursacht. Erfindungsgemäße Filter können in Verbindung mit einem elektrischen Gerät wie einem Frequenzumrichter verteilt untergebracht werden, um Gleichtaktströme zu kontrollieren.
Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Filters ist die gegenüber dem Stand der Technik bessere Beständigkeit gegen Gleichtaktstrom. Mit dem erfindungsgemäßen Filter wird der Gleichtaktstrom auf der Motorseite besser kontrolliert und in Serieninduktivitäten auf der Resonanzfrequenz im Gleichtaktstrom erzeugte ungünstige Verstärkungen vermieden. Dank der oben erwähnten Vorteile kann der Filter kleiner und mit geringeren Produktionskosten als im Stand der Technik hergestellt werden. Die kleine Größe hat auch einen direkten Einfluss auf die Größe desjenigen elektrischen Geräts, in dem Filter montiert werden.
Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Anordnung bei einem Frequenzumrichter, bei der die Filterung mit dem erfindungsgemäßen Filter durchgeführt wird. Bei der erfindungsgemäßen Anordnung können die Vorteile der Filter mit einer einfachen Konstruktion erreicht werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
Die Erfindung wird im Folgenden in Zusammenhang mit bevorzugten Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlicher erläutert. Es zeigen:
1 einen erfindungsgemäßen Filter; und
2 eine den erfindungsgemäßen Filter umfassende Anordnung bei einem Frequenzumrichter.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Bei der erfindungsgemäßen Lösung werden in einem Gleichtaktstromkreis Verluste anhand eines Filters mit einem Sekundärkreis verursacht. An den Sekundärkreis des Filters ist eine Impedanz geschaltet, um den Effektivwert von Gleichtaktspannung und -strom zu dämpfen. 1 zeigt eine Konstruktion eines Filters 1. Eine Kernstruktur 2 ist angeordnet, Leiter 3 eines Hauptstromkreises aufzunehmen, so dass der Gleichtaktstrom der Leiter einen Magnetfluss in der Kernstruktur erzeugt. Diese Leiter bilden somit einen Primärkreis 3 im Filter. Dieser Primärkreis 3 kann gestaltet werden, indem die Leiter des Hauptstromkreises durch die Kernstruktur des Filters eingeführt werden. Ein Sekundärkreis 4 des Filters ist aus einer Wicklung gebildet, die um die Kernstruktur 2 mit einer gewissen Windungsanzahl gewickelt ist.
Die dämpfende Impedanz 5 des Sekundärkreises des Filters hat eine wesentlich ohmsche Natur und kann durch Schaltung eines Widerstands zwischen den Polen des Sekundärkreises verwirklicht werden. Mit dem Widerstand kann auch Kapazität oder Induktivität parallel oder in Serie geschaltet werden, damit ein günstiges Frequenzverhalten des Filters erreicht wird. Mit der Impedanz 5 des Sekundärkreises 4 kann auch die Sättigung der Kernstruktur 2 beeinflusst werden, weil der Gesamtfluss des Kerns 2 durch den vom Sekundärstrom erzeugten Fluss kleiner wird. Die Impedanz des Sekundärkreises 4 wird derart dimensioniert, dass mit dem Sekundärkreis 4 der größte zulässige Leistungsverlust in der tatsächlichen Betriebsumgebung bereitgestellt wird, obwohl sich die Kernstruktur 2 gelegentlich sättigen würde.
Die Kernstruktur des Filters kann zum Beispiel aus Eisenpulver oder einem nanokristallinen magnetischen Material bestehen. Ein nanokristallines magnetisches Material, das als Material der Kernstruktur 2 des Filters dient, ermöglicht einen Magnetfluss im Filter 1, der größer als beim Stand der Technik ist, weshalb auch die Sättigung der Kernstruktur 2 erst bei größeren Gleichtaktströmen stattfindet. Ein Beispiel für ein nanokristallines Material ist das Material mit dem Warenzeichen VITROPERM.
2 zeigt ein äquivalentes vereinfachtes Bild als Beispiel für eine erfindungsgemäße Anordnung bei einem Frequenzumrichter. 2 zeigt eine Gleichtaktimpedanz eines Versorgungsnetzes Z NET, eine Gleichtaktimpedanz eines Motorkabels Z CARLE und eine Gleichtaktimpedanz eines Motors Z MOTOR. Der Frequenzumrichter umfasst einen Wechselrichter INU und eine aktive Versorgungseinheit ISU. Auch die Streukapazität gegen die Erde des Frequenzumrichters ist im Bild zwischen einem Wechselrichter INU und einer aktiven Versorgungseinheit ISU gezeichnet. Die Anordnung nach einer Ausführungsform der Erfindung umfasst eine Kernstruktur T1 and ihren Sekundärkreis Z1, eine Kernstruktur T2 und ihren Sekundärkreis Z2, eine Kernstruktur T3 und ihren Sekundärkreis Z3, eine Drossel L4 und Filterkondensatoren CF.
Einige der Filter der erfindungsgemäßen Anordnung sind auf der Motorseite des Frequenzumrichters untergebracht, damit auch der durch die Streukapazitäten des Frequenzumrichters fließende Strom gefiltert werden kann und die Lagerströme des Motors effektiv gedämpft werden können. Da der an die Kernstrukturen T1 bis T3 geschaltete, wesentlich ohmsche Sekundärkreis Z1 bis Z3 die Impedanz des Filters auf höheren Frequenzen vermindert, ist die Drossel L4 ohne Sekundärkreis geschaltet. Der Zweck der Drossel L4 ist, höhere Frequenzen zu filtern. Die Drossel L4 kann aus einem entsprechenden magnetischen Material wie die Kernstrukturen T1 bis T3 bestehen aber besitzt keinen Sekundärkreis.
2 zeigt ein Beispiel für ein potentialfreies Versorgungsnetz (IT-Netz) in Verbindung mit einem Frequenzumrichter. Der Filter kann auch für ein geerdetes Netz (TN-S) ausgelegt werden, aber dann werden die Komponenten anders ausgewählt.
Es ist einem Fachmann offenbar, dass, wenn sich die Technologie entwickelt, die Grundidee der Erfindung auf viele verschiedene Weisen ver wirklicht werden kann. Die Erfindung und ihre Ausführungsformen sind somit nicht auf die oben beschriebenen Beispiele beschränkt, sondern können im Rahmen der Schutzansprüche variieren.

Claims

Filter mit einer Kernstruktur, dadurch gekennzeichnet, dass der Filter eine Sekundärwicklung (4) umfasst, an die eine Impedanz (5) geschaltet ist.
Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kernstruktur des Filters angeordnet ist, Leiter (3) eines Hauptstromkreises aufzunehmen.
Filter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die an die Sekundärwicklung (4) geschaltete Impedanz (5) eine wesentlich ohmsche Natur hat.
Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kernstruktur (2) aus Eisenpulver oder einem nanokristallinen magnetischen Material besteht.
Filter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kernstruktur (2) wesentlich ringförmig ist.
Anordnung bei einem Frequenzumrichter, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung den Filter nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5 umfasst.
Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Filter auf der Versorgungs- und Motorseite des Frequenzumrichters derart untergebracht sind, dass die Anordnung eine auf der Versorgungsseite des Frequenzumrichters befindliche erste und zweite Kernstruktur (T1 und T2), einen damit verbundenen ersten und zweiten Sekundärkreis (Z1 und Z2) und, zwischen diesen, einen Filterkondensator/Filterkondensatoren CF und eine auf der Motorseite des Frequenzumrichters befindliche erste und zweite Kernstruktur (T3 und L4) umfasst, wobei ein Sekundärkreis (Z3) mit der ersten Kernstruktur verbunden ist.
Anordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kernstrukturen (T1, T2, T3 und L4) der Filter der Anordnung aus demselben Material hergestellt sind.