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Technisches Gebiet
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Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Leistungselektronik. Sie geht aus von einem Umrichtersystem mit einer Filteranordnung gemäss dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs.
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Stand der Technik
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Leistungselektronische Umrichtersysteme werden heute in einer Vielzahl von industriellen Anwendungen und Traktionsanwendungen eingesetzt. Solche Umrichtersysteme erzeugen Spannungsschritte an den Wechselspannungsausgangsanschlüssen des verwendeten Umrichters entsprechend der Anzahl der Schaltstufen des Umrichters. Diese Spannungsschritte wirken auf eine an den Wechselspannungsausgangsanschlüssen angeschlossene elektrische Last, beispielsweise eine rotierende elektrische Maschine, einerseits als Phase-Erde-Spannung und andererseits als verkettete Spannung. Die maximale Spannungsanstiegsgeschwindigkeit und Spitzenspannung ist kritisch in Bezug auf die Belastung der Isolierung der elektrischen Last, z. B. der Motorwicklungen bei einer rotierenden elektrischen Maschine. Ist die elektrische Last mit einem Kabel mit den Wechselspannungsausgangsanschlüssen verbunden, so ändert sich die Spannung an den Wechselspannungsausgangsanschlüssen mit zunehmender Länge des Kabels. Der Grund für diese Änderung ist die Charakteristik des Kabels als Übertragungsleitung, die dann eingehenden Spannungsschritt mit einem Überschwingen überträgt. Das Vorsehen einer EMV-Filteranordnung (Elektromagnetische Verträglichkeit) an den Wechselspannungsausgangsanschlüssen des Umrichters reduziert die steile Flanke des Schaltens der Halbleiterschalter des Umrichters. Ein Umrichtersystem mit einer gattungsgemässen Filteranordnung ist beispielsweise in der
EP 1 318 594 A1 offenbart. In der
EP 1 318 594 A1 weist der Umrichter allgemein n Phasen, d.h. n Wechselspannungsausgangsanschlüsse auf. Weiterhin umfasst die Filteranordnung in der Regel n Teilfilterschaltungen, wobei gemäß
2 der
EP 1 318 594 A1 ein dreiphasiger Umrichter gezeigt ist und somit n = 3 ist, allgemeinen aber n ≥ 3 ist. Nach
2 der
EP 1 318 594 A1 ist je eine Teilfilterschaltung mit einem Wechselspannungsausgangsanschluss verbunden. Jede Teilfilterschaltung gemäss
2 der
EP 1 318 594 A1 hat einen Filterinduktivität L
F und eine Filterkapazität C
F. Es ist auch möglich, dass ein Filterwiderstand R
F in Serie zu der Filterkapazität C
F geschaltet ist. Nach
2 der
EP 1 318 594 A1 ist die Filterinduktivität L
F der Teilfilterschaltung mit dem zugehörigen Wechselspannungsausgangsanschluss verbunden und mit der Filterkapazität C
F der zugehörigen Teilfilterschaltung verbunden. Der Verbindungspunkt der Filterinduktivität L
F mit der Filterkapazität C
F bildet einen Lastanschluss, wobei im allgemeinen bei einem n-phasigen Umrichter n Lastanschlüsse mit n ≥ 3 vorgesehen sind. Darüber hinaus sind die Filterkapazitäten C
F der Teilfilterschaltungen miteinander verbunden, wobei der Verbindungspunkt der Filterkapazitäten C
F vorzugsweise geerdet ist. Daraus resultiert, dass Spannungen in Bezug auf die Erdung, d.h. sogenannte Common-Mode-Spannungen, gefiltert werden.
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1 zeigt ein Umrichtersystem mit einer Filteranordnung nach dem Stand der Technik, ein einphasig ausgebildeter Umrichter vorgesehen ist. Darüber hinaus zeigt 2 ein Umrichtersystem mit einer Filteranordnung nach dem Stand der Technik mit einem dreiphasigen Umrichter. 3 veranschaulicht ferner einen zeitlichen Verlauf der Filterausgangsspannung uF des in 1 gezeigten Umrichtersystems.
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Problematisch ist, dass die Kabelimpedanz typischerweise eine Größenordnung niedriger als der Wellenwiderstand der elektrischen Last, z. B. des Motors, was zu unerwünschten Reflexionen führen kann. Eine Möglichkeit wäre zwar, das Kabelende an der elektrischen Last mit einer zusätzlichen Impedanz entsprechend anzupassen. Dies ist führt jedoch zu einer Erhöhung der der Verluste des Gesamtsystems. Die Filteranordnung erzeugt einen Filterausgangsspannungsverlauf basierend auf einer LC-Filtercharakteristik, der durch den typischerweise seriell zu der Filterkapazität CF geschalteten Filterwiderstand RF gedämpft ist. Die Verwendung längerer Kabel entspricht einer verteilten Zusatzkapazität, was einer Hinzufügung einer zusätzlichen Kapazität und damit einer niedrigeren Dämpfung des Gesamtsystems gleichkommt. Das Resultat ist ein mögliches unerwünschtes Überschwingen und Nachschwingen der Spannung an den Lastanschlüssen der Filteranordnung.
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Darstellung der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Umrichtersystem mit einer Filteranordnung anzugeben, welches unerwünschtes Überschwingen und Nachschwingen der Spannung an Lastanschlüssen der Filteranordnung reduziert.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung angegeben.
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Das Umrichtersystem nach der Erfindung umfasst einen Umrichter und eine Filteranordnung, welche Filteranordnung mit Wechselspannungsausgangsanschlüssen des Umrichters verbunden ist. Die Filteranordnung weist bei einem einphasig ausgeführten Umrichter eine einzige Teilfilterschaltung auf, wobei die Teilfilterschaltung eine Filterinduktivität und eine Serienschaltung, gebildet durch eine Filterkapazität und einen Filterwiderstand, umfasst. Die Filterinduktivität ist mit einem ersten Wechselspannungsausgangsanschluss des Umrichters verbunden. Ein zweiter Wechselspannungsausgangsanschluss des Umrichters ist mit der Serienschaltung verbunden, wobei die Serienschaltung mit der Filterinduktivität verbunden ist und der Verbindungspunkt der Serienschaltung mit der Filterinduktivität einen ersten Lastanschluss bildet und der Verbindungspunkt des zweiten Wechselspannungsausgangsanschlusses des Umrichters mit der Serienschaltung einen zweiten Lastanschluss bildet. Erfindungsgemäss weist die Teilfilterschaltung einen Dämpfungswiderstand auf, wobei der Dämpfungswiderstand parallel zu der Filterinduktivität geschaltet ist.
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In einem alternativen Umrichtersystem mit einem n-phasig ausgeführten Umrichter mit n Wechselspannungsausgangsanschlüssen weist die die Filteranordnung auch n Teilfilterschaltungen auf, wobei n ≥ 3 ist. Jede Teilfilterschaltung umfasst eine Filterinduktivität und eine Serienschaltung, die durch eine Filterkapazität und einen Filterwiderstand gebildet ist. Die Filterinduktivität der jeweiligen Teilfilterschaltung ist mit einem zugehörigen Wechselspannungsausgangsanschluss des Umrichters verbunden und mit der Serienschaltung der zugehörigen Teilfilterschaltung verbunden. Der Verbindungspunkt der jeweiligen Filterinduktivität mit der jeweiligen Serienschaltung bildet einen Lastanschluss und die Serienschaltungen sind miteinander verbunden. Erfindungsgemäss weist bei diesem alternativen Umrichtersystem jede Teilfilterschaltung einen Dämpfungswiderstand auf, wobei der Dämpfungswiderstand parallel zu der Filterinduktivität der zugehörigen Teilfilterschaltung geschaltet ist.
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Die Filteranordnung in einem Umrichtersystem mit einem einphasigen oder n-phasigen Umrichter ändert die Spannung an den Ausgangsklemmen der Filteranordnung, d.h. an den Lastanschlüssen, die sich während eines absteigenden Spannungsschrittes ergibt, wodurch es vorteilhaft nahezu zu keinem unerwünschtes Überschwingen und Nachschwingen der Spannung an den Lastanschlüssen der Filteranordnung kommt. Dies wird durch den Dämpfungswiderstand erreicht. Dadurch ist es möglich, einen Motor über Kabel mit den elektrischen Lastanschlüssen der Filteranordnung unter Verwendung von verschiedenen Kabellängen zu verbinden, ohne dass die Spannung am Kabelende, d.h. an den Motoranschlüssen, nennenswert beeinflusst wird. Desweiteren kann durch den Dämpfungswiderstand die Spannungsreflexion mit Vorteil klein gehalten werden. Eine weitere vorteilhafte Wirkung ist die Verringerung der Verluste im Dämpfungswiderstand, da das Spannungsüberschwingen und Nachschwingen bei jedem Schaltvorgang der Halbleiterschalter des Umrichters reduziert wird, wodurch die maximale Spannungsänderung über dem Filterkondensator reduziert wird.
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Diese und weitere Aufgaben, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung offensichtlich
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Es zeigen:
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1 ein Umrichtersystem nach dem Stand der Technik mit einem einphasigen Umrichter,
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2 ein Umrichtersystem nach dem Stand der Technik mit einem dreiphasigen Umrichter,
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3 ein zeitlicher Verlauf der Filterausgangsspannung des in 1 gezeigten Umrichtersystems,
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4 eine erste erfindungsgemässe Ausführungsform eines Umrichtersystems mit einem einphasigen Umrichter,
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5 eine zweite erfindungsgemässe Ausführungsform eines Umrichtersystems mit einem dreiphasigen Umrichter,
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6 ein zeitlicher Verlauf der Filterausgangsspannung des in 4 gezeigten Umrichtersystems,
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7 eine dritte erfindungsgemässe Ausführungsform eines Umrichtersystems mit einem dreiphasigen Umrichter und
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8 eine vierte erfindungsgemässe Ausführungsform eines Umrichtersystems mit einem dreiphasigen Umrichter.
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Die in der Zeichnung verwendeten Bezugszeichen und deren Bedeutung sind in der Bezugszeichenliste zusammengefasst aufgelistet. Grundsätzlich sind in den Figuren der Zeichnung gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die beschriebenen Ausführungsformen stehen beispielhaft für den Erfindungsgegenstand und haben keine beschränkende Wirkung.
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Wege zur Ausführung der Erfindung
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Wie bereits eingangs erwähnt, zeigt ein Umrichtersystem nach dem Stand der Technik mit einem einphasigen Umrichter 1 und 2 ferner ein Umrichtersystem nach dem Stand der Technik mit einem dreiphasigen Umrichter 1. 3 zeigt beispielhaft einen zeitlichen Verlauf der Filterausgangsspannung des in 1 gezeigten Umrichtersystems.
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In 4 ist nun eine erste erfindungsgemässe Ausführungsform eines Umrichtersystems mit einem einphasigen Umrichter 1 dargestellt. Das Umrichtersystem gemäss 1 weist einen einphasig ausgebildeten Umrichter 1 und eine Filteranordnung 2 auf, welche Filteranordnung 2 mit Wechselspannungsausgangsanschlüssen 4.1, 4.2 des Umrichters 1 verbunden ist. Die Filteranordnung 2 weist eine einzige Teilfilterschaltung 3 auf, wobei die Teilfilterschaltung 3 eine Filterinduktivität LF und eine Serienschaltung 5, gebildet durch eine Filterkapazität CF und einen Filterwiderstand RF, umfasst. Die Filterinduktivität LF ist gemäss 1 mit einem ersten Wechselspannungsausgangsanschluss 4.1 des Umrichters 1 verbunden. Ferner ist ein zweiter Wechselspannungsausgangsanschluss 4.2 des Umrichters 1 mit der Serienschaltung 5 verbunden. Desweiteren ist die Serienschaltung 5 mit der Filterinduktivität LF verbunden und der Verbindungspunkt der Serienschaltung 5 mit der Filterinduktivität LF bildet einen ersten Lastanschluss 6.1. Darüber hinaus bildet der Verbindungspunkt des zweiten Wechselspannungsausgangsanschlusses 4.2 des Umrichters 1 mit der Serienschaltung 5 einen zweiten Lastanschluss 6.2. Nach der Erfindung weist die Teilfilterschaltung 3 nun einen Dämpfungswiderstand RP auf, wobei der Dämpfungswiderstand RP parallel zu der Filterinduktivität LF geschaltet ist.
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Die Filteranordnung 2 ändert die Spannung uF an den Ausgangsklemmen der Filteranordnung 2, d.h. an den Lastanschlüssen 6.1, 6.2, die sich während eines absteigenden Spannungsschrittes ergibt, wodurch es vorteilhaft nahezu zu keinem unerwünschtes Überschwingen und Nachschwingen der Spannung uF an den Lastanschlüssen 6.1, 6.2 der Filteranordnung 2 kommt. Das Resultat ist 6 dargestellt, worin ein zeitlicher Verlauf der Filterausgangsspannung uF des in 4 gezeigten Umrichtersystems gezeigt ist und wonach die Filterausgangsspannung uF nun signifikant in gewünschter Weise gedämpft ist, also keine erwähnenswerten Überschwingungen und Nachschwingungen der Filterausgangsspannung uF vorhanden sind. Dies wird durch den Dämpfungswiderstand RP erreicht. Dadurch ist es möglich, einen Motor, wie in 4 angedeutet, über Kabel mit den elektrischen Lastanschlüssen 6.1, 6.2 der Filteranordnung 2 unter Verwendung von verschiedenen Kabellängen zu verbinden, ohne dass die Spannung am Kabelende, d.h. an den Motoranschlüssen, nennenswert beeinflusst wird. Zudem kann durch den Dämpfungswiderstand RP die Spannungsreflexion mit Vorteil klein gehalten werden. Eine weitere vorteilhafte Wirkung ist die Verringerung der Verluste im Dämpfungswiderstand RP, da das Spannungsüberschwingen und Nachschwingen bei jedem Schaltvorgang der Halbleiterschalter des Umrichters 1 reduziert wird, wodurch die maximale Spannungsänderung über dem Filterkondensator CF reduziert wird. Insgesamt lässt sich also ein gegebenenfalls auftretendes Überschwingen und Nachschwingen der Spannung uF an Lastanschlüssen 6.1, 6.2 der Filteranordnung 2 erfolgreich reduzieren.
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In einem alternativen Umrichtersystem mit einem allgemein n-phasig ausgeführten Umrichter 1 mit n Wechselspannungsausgangsanschlüssen 4 weist die die Filteranordnung 2 auch n Teilfilterschaltungen 3 auf, wobei n ≥ 3 ist. In 5 ist dazu beispielhaft eine zweite erfindungsgemässe Ausführungsform eines Umrichtersystems mit einem dreiphasigen Umrichter 1 dargestellt, d.h. n = 3. Jede Teilfilterschaltung 3 umfasst eine Filterinduktivität LF und eine Serienschaltung 5, die durch eine Filterkapazität CF und einen Filterwiderstand RF gebildet ist. Die Filterinduktivität LF der jeweiligen Teilfilterschaltung 3 ist mit einem zugehörigen Wechselspannungsausgangsanschluss 4 des Umrichters 1 verbunden und mit der Serienschaltung der zugehörigen Teilfilterschaltung 3 verbunden. Der Verbindungspunkt der jeweiligen Filterinduktivität LF mit der jeweiligen Serienschaltung 5 bildet einen Lastanschluss 6 und die Serienschaltungen 5 sind miteinander verbunden. Nach der Erfindung weist bei diesem alternativen Umrichtersystem jede Teilfilterschaltung 3 auch einen Dämpfungswiderstand RP auf, wobei der Dämpfungswiderstand RP parallel zu der Filterinduktivität LF der zugehörigen Teilfilterschaltung 3 geschaltet ist. Die bereits beim Umrichtersystem mit einem einphasigen Umrichter 1 detailliert erläuterten Vorteile gelten auch bei dem vorstehend genannten alternativen Umrichtersystem mit einem allgemein n-phasig ausgeführten Umrichter 1.
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Wie nun in 4 beim Umrichtersystem mit einem einphasigen Umrichter 1 gezeigt ist der Verbindungspunkt des zweiten Wechselspannungsausgangsanschlusses 4.2 des Umrichters 1 mit der Serienschaltung 5 geerdet, wodurch Spannungen gegenüber Erde, d.h. sogenannte Common-Mode-Spannungen, vorteilhaft gefiltert werden.
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Beim alternativen Umrichtersystem mit einem n-phasigen Umrichter 1 hingegen ist der Verbindungspunkt der Serienschaltungen 5 geerdet, wodurch ebenfalls Spannungen gegenüber Erde, d.h. sogenannte Gleichtaktspannungen (Common-Mode-Spannungen), mit Vorteil gefiltert werden. In 5 ist die Erdung der Verbindungspunkt der Serienschaltungen 5 beispielhaft für ein Umrichtersystems mit einem dreiphasigen Umrichter 1 dargestellt, d.h. n = 3.
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Sowohl bei einem Umrichtersystem mit einem einphasigen Umrichter 1 als auch bei einem alternativen Umrichtersystem mit einem n-phasigen Umrichter 1 erfolgt die Erdung vorzugsweise über eine Erdungsschaltung 7. In bevorzugter Weise weist die Erdungsschaltung 7 eine Erdungskapazität CGND und einen Erdungswiderstand RGND auf. Vorzugsweise sind die Erdungskapazität CGND und der Erdungswiderstand RGND in Serie zueinander geschaltet. Beispielhaft ist eine solche Erdungsschaltung 7 in eine dritte erfindungsgemässe Ausführungsform gemäss 7 eines Umrichtersystems mit einem dreiphasigen Umrichter illustriert.
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Denkbar ist es auch, dass bei einem Umrichtersystem mit einem einphasigen Umrichter 1 eine Erdungsschaltung 7 mit dem Verbindungspunkt des zweiten Wechselspannungsausgangsanschlusses 4.2 des Umrichters 1 mit der Serienschaltung 5 verbunden ist, wobei die Erdungsschaltung 7 dann eine Erdungskapazität CGND, eine Erdungsinduktivität LGND und einen Erdungswiderstand RGND aufweist.
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Auch bei beim alternativen Umrichtersystem mit einem n-phasigen Umrichter 1 ist es denkbar, dass eine Erdungsschaltung 7 mit dem Verbindungspunkt der Serienschaltungen (5) verbunden ist, wobei die Erdungsschaltung 7 dann eine Erdungskapazität CGND, eine Erdungsinduktivität LGND und einen Erdungswiderstand RGND aufweist, wie dies beispielhaft ist in einer vierten erfindungsgemässe Ausführungsform gemäss 8 eines Umrichtersystems mit einem dreiphasigen Umrichter illustriert ist.
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Die vorstehend erwähnte Erdungsschaltung 7 und deren genannte Varianten wirkt dynamisch als Flankensteilheitsfilter für Gleichtaktspannungen (Common-Mode-Spannungen) und wirkt so vorteilhaft Oszillationen bzw. Schwingungen auf dem Kabel entgegen. Statisch, d.h. grundfrequent, gesehen, limitiert die Erdungsschaltung 7 die Gleichtaktspannung (Common-Mode-Spannung).
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Falls an der Gleichspannungsseite des Umrichters 1, wie in den Ausführungsformen nach 7 und 8 gezeigt, ein durch zwei in Serie geschaltete Kapazitäten gebildeter Energiespeicherkreis vorgesehen ist, ist der Verbindungspunkt (Neutral Point NP) der beiden in Serie geschaltete Kapazitäten des Energiespeicherkreises mit der jeweiligen Erdungsschaltung 7 in der in 7 bzw. 8 gezeigten Weise verbunden und im Falle der Ausführungsform gemäss 7 zusätzlich auch geerdet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Umrichter
- 2
- Filteranordnung
- 3
- Teilfilterschaltung
- 4, 4.1, 4.2
- Wechselspannungsausgangsanschlüsse des Umrichters
- 5
- Serienschaltung
- 6, 6.1, 6.2
- Lastanschlüsse
- 7
- Erdungsschaltung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1318594 A1 [0002, 0002, 0002, 0002, 0002, 0002]
