DE29800567U1 - Filteranordnung zur Dämpfung für Umrichter mit geregeltem Spannungszwischenkreis und sinusförmigen Phasenströmen - Google Patents
Filteranordnung zur Dämpfung für Umrichter mit geregeltem Spannungszwischenkreis und sinusförmigen PhasenströmenInfo
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Description
GR 98 G 3011
Beschreibung
Filteranordnung zur Dämpfung für Umrichter mit geregeltem Spannungszwischenkreis und sinusförmigen Phasenströmen
5
Die Erfindung betrifft eine FiIteranordnung zur Dämpfung von
leitungsgebundenen nieder- und hochfrequenten Netzrückwirkungen, insbesondere zur selektiven Dämpfung im Frequenzbereich
von 2kHz bis 15OkHz, für Umrichter mit geregeltem Spannungszwischenkreis und sinusförmigen Phasenströmen, welche zwischen
Netzausgang (Line) und Eingang (Load) des Umrichters angeordnet ist.
Beim Betrieb eines Umrichters mit Spannungszwischenkreis sind
Netzrückwirkungen (Leitungsgebundene Störaussendung) unvermeidbar.
Das Spektrum der Störaussendung kann dabei in vier Frequenzbereiche untergliedert werden:
1. | OHz | 2kHz |
2. | 2 kHz | 9kHz |
3. | 9 kHz | 15OkHz |
4. | 15OkHz | 30Mhz |
Für den 4. Frequenzbereich gibt es verbindliche Grenzwerte
(Grenzwertklasse A / B) die im Rahmen der CE-Konformitätserklärung im Hinblick auf Elektromagnetische Verträglichkeit
EMV eingehalten werden müssen. Grenzwerte.für den 2. Frequenzbereich
sind derzeit bereits in Planung.
0 Die Forderungen der Elektrizitätswerke insbesondere des VDEW (Verein Deutscher Elektrizitätswerke) bezüglich der Verbesserung
des Leistungsfaktors betreffen den 1. Frequenzbereich und können mit einer Drehstrombrückenschaltung wie der herkömmlichen
B6-Brücke nicht erfüllt werden (vgl. Brosch: Moderne Stromrichterantriebe, 1. Aufl., Würzburg, Vogel-Verlag
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1989, S. 9If). Zur Erfüllung dieser Anforderungen ist ein Umrichter
mit sinusförmiger Stromaufnahme erforderlich.
Das Spektrum der Störungen wird damit in den 2. bzw. 3. Frequenzbereich
verlagert. Ein Vorteil dabei ist, daß in diesem Frequenzbereich die Störungen mit vertretbarem Aufwand herausgefiltert
werden können.
Für den Betrieb eines Umrichters mit geregeltem Spannungszwischenkreis
sind der 2. bzw. 3. Frequenzbereich jedoch auch ohne Berücksichtigung irgendwelcher Grenzwerte von entscheidender
Bedeutung. Die Störaussendung ist in diesem Frequenzbereich sehr hoch und kann von Lärmbelästigung bis hin zur
Störung anderer an diesem Netz betriebener Geräte führen.
Herkömmliche Netzfilter sind für den 4. Frequenzbereich und den Betrieb von Umrichtern mit B6-Brückenschaltung (ungeregeltem
Spannungszwischenkreis) entwickelt. Die Frequenzbereiche darunter blieben dabei jedoch unberücksichtigt.
Beim Betrieb von Umrichtern mit geregeltem Spannungszwischenkreis
an einem solchen Filter können Resonanzen zur Überhöhung der Störaussendung und damit zur Verschärfung der geschilderten
Probleme führen.
/A Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Filteranordnung
für den 2. und 3. der eingangs angeführten Frequenzbereiche
zu schaffen.
Diese Aufgabe wird gemäß der vorliegenden Erfindung durch eine Weiterbildung der eingangs genannten Filteranordnung gelöst,
indem ein symmetrischer Filterteil bestehend aus je einem jeder Netzphase zugeordneten Kondensator zur Verringerung
der Amplitude der Störspannung vorgesehen ist, dem eine Par-5 allelschaltung aus einem Dämpfungswiderstand zum Bedampfen
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• · 4
der Resonanzfrequenz und einer Induktivität für die Netzfrequenz
-Umladeströme nachgeschaltet ist, sowie mit einem asymmetrischen Filterteil bestehend aus den symmetrischen Filtermitteln
in Sternschaltung nachgeschalteten weiteren Kondensatoren, deren Sternpunkt über eine weitere Parallelschaltung
aus einem Kondensator und einem Dämpfungswiderstand mit der
Netzerde verbunden ist.
Um bei rückspeisefähigen Umrichtern ungedämpfte Schwingungen zwischen der Eingangs- und Ausgangsseite des Umrichters zu
vermeiden, weist eine erste vorteilhafte Ausgestaltung der FiIteranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung umrichterseitig
in einer weiteren Filterstufe weitere Kondensatoren auf, die in Sternschaltung zwischen die Netzphasen geschaltet
sind und deren Sternpunkt über einen Dämpfungswiderstand mit der Netzerde verbunden ist.
Eine alternative vorteilhafte Ausgestaltung der Filteranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung weist umrichterseitig
0 in einer weiteren Filterstufe für jede Phase eine Induktivität auf, welche über einen gemeinsamen Kern verfügen und eine
weitere Wicklung zur Einkopplung eines Dämpfungswiderstands aufweisen.
Zu einer optimalen Vermeidung einer Resonanzüberhöhung asymmetrischer
Ströme ist eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Filteranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch
gekennzeichnet, daß der Dämpfungswiderstand des asymmetrischen
Filterteils einen Wert R2 > 2 * VLres I Cres mit Lres,
0 Cres = resultierende Induktivität, Kapazität des Reihenschwingkreises aufweist.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Filteranordnung
gemäß der vorliegenden Erfindung weist einen als PTC-Wider-
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stand ausgestalteten Dämpfungswiderstand des asymmetrischen
Filterteils auf.
Beispielsweise für den Fall, daß das Filter versehentlich an einem IT-Netz betrieben wird, besitzt dieser Aufbau folgenden
Vorteil: bei einem Schluß zwischen Phase und Erde wird dieser PTC-Widerstand (positiver Temperaturkoeffizient) hochohmig.
Dieser Prozess ist reversibel - das Netzfilter wird nicht zerstört.
. .
Besonders vorteilhaft läßt sich das Prinzip der Erfindung
auch auf Filteranordnungen übertragen, die durch Stern-Dreieck-Transformation
oder Dreieck-Stern-Transformation entstehen.
Weitere Vorteile und erfinderische Einzelheiten werden anhand
der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels und in Verbindung mit den Figuren deutlich, es zeigen
FIG 1 Ersatzschaltbild für den symmetrischen Teil des Netzfilters,
FIG 2 Ersatzschaltbild für den asymmetrischen Teil des Netzfilters,
FIG 3 Erweiterung des aymmetrischen Anteils zur Bedämpfung
des Schwingkreises C2 - Lk,a - Ca,
FIG 4 kostenoptimierte Alternative zur Filteranordnung nach
FIG 3 und
FIG 5 komplettes Netzfilter gemäß der vorliegenden Erfindung.
FIG 5 komplettes Netzfilter gemäß der vorliegenden Erfindung.
0 In der Darstellung nach FIG 1 ist ein Ersatzschaltbild für den symmetrischen Teil des Netzfilters gemäß der vorliegenden
Erfindung gezeigt.
Dieses besteht aus einem elektrischen Netz N, der Filteran-5 Ordnung F und einem Umrichter U. Das Netz weist eine symme-
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trisch wirksame Netzinduktivität auf und der Umrichter U eine symmetrisch wirksame Kommutierungsdrossel. Die Filteranordnung
F zeigt den symmetrischen Filterteil bestehend aus einer parallel zum Netzausgang bzw. zum Umrichtereingang geschalteten
Serienschaltung aus einem Kondensator Cl und einer Parallelschaltung aus einer Induktivität Ll mit einem Dämpfungswider
stand Rl.
Dabei beschreibt Ln,s die symmetrisch wirksame Netzinduktivitat
und Lk,s die symmetrisch wirksame Induktivität der Kommutierungsdrossel.
Ohne den Einsatz eines Filters wird die Amplitude der Störungen auf dem Netz durch den induktiven Spannungsteiler bestehend
aus Lk,s und Ln,s nach Folgender Berechnungsvorschrift
bestimmt:
usn Ln,s G(jco) = = (1)
0 us Ln, s + Lk, s
In einem ersten Schritt wird nun mit einem Kondensator Cl die Amplitude der Störspannung auf einen gewünschten Wert verringert.
Die Übertragungsfunktion für diesen Fall lautet dann: 25
1 1 G(JC0) = _
=> f0 = (2)
1 - &ohgr;2 L Ci 2 Tt V L Ci
0 Dabei ist L gleich der Parallelschaltung von Ln,s und Lk,s.
Wie man erkennt, kann die Resonanzfrequenz durch die Netzimpedanz in einem großen Bereich verschoben werden. Eine Einschränkung
der Net&zgr;impedanz würde diesen Bereich verringern,
GR 98 G 3011 .: &Ggr;
• ·
ist jedoch in der Realität nicht durchsetzbar. Es wird also immer Netzbedingungen geben, bei denen es zu einer Resonanzüberhöhung
des Störspektrums kommt.
Im nächsten Schritt wird daher diese Resonanzstelle mit dem Dämpfungswiderstand Rl bedämpft. Der Nachteil dabei ist die
hohe Verlustleistung des Widerstandes aufgrund der 50Hz Grundschwingung der Netzspannung.
Die 50Hz - Umladeströme können daher von einer Drossel Ll übernommen werden. Diese erhöht dann auch gleichzeitig die
Mindestimpedanz im Kreis ohne den Laststrom führen zu müssen. Es kann also eine relativ kleine und damit kostengünstige
Drossel verwendet werden.
In der Darstellung nach FIG 2 ist ein Ersatzschaltbild für den
asymmetrischen Teil des Netzfilters gezeigt.
Auf der linken Seite ist wiederum ein elektrisches Netz N gezeigt,
in diesem Fall anhand eines Dreiphasennetzes mit asymmetrisch wirksamen Netzinduktivitäten. Daran schließt sich
der asymmetrische Teil der Filteranordnung F, auf die wiederum der bereits erwähnte Umrichter U folgt, welcher eine asymmetrisch
wirksame parasitäre Kapazität am Umrichterausgang aufweist. Der asymmetrische Filterteil weist eingangsseitig
und ausgangsseitig für jede Netzphase eine Induktivität auf, wobei die eingangsseitigen und ausgangsseitigen Netzinduktivitäten
der einzelnen Netzphasen jeweils über einen gemeinsamen magnetischen Kern gekoppelt sind (stromkompensierte Dros-0
sei). Zwischen eingangsseitigen und ausgangsseitigen Induktivitäten
des asymmetrischen Filterteils sind in Sternschaltung Kondensatoren C21, C22, C23 geschaltet, an deren Sternpunkt
wiederum ein Parallelschaltung aus einer weiteren Kapazität C2 mit einem Dämpfungswiderstand R2 vorgesehen ist, worüber
der Sternpunkt mit der Netzerde PE verbunden ist.
GR 98 G 3011 'I I . I *. &Iacgr; I :*..*
Dabei ist Ln,a die asymmetrisch wirksame Netzinduktivität und
Lk,a die asymmetrisch wirksame Induktivität der Kommutierungsdrossel.
Ca beschreibt die asymmetrisch wirksame parasitäre Kapazität am Umrichterausgang (incl. Leitungskapazität).
5
Analog zum oben bereits erläuterten kann es auch hier ohne einen Dämpfungswiderstand R2 zu einer Resonanzüberhöhung der
asymmetrischen Ströme kommen. Der Widerstand R2 kann nun so gewählt werden, daß eine Resonanzüberhöhung gänzlich ausgeschlossen
wird (unabhängig von Ln,a):
R > 2 jLres I Cres (3)
mit Lres, Cres = resultierende Induktivität, Kapazität des Reihenschwingkreises
Wenn diese Bedingung erfüllt ist, kann der asymmetrische Filterteil
so dimensioniert werden, daß der Betrieb an einem FI-Schutzschalter möglich wird.
20
20
Die Dämpfungseigenschaften des bisher beschriebenen Netzfilters
würden bereits ausreichen, um den Anforderungen bzgl. Netzrückwirkungen zu genügen.
Mit dem erfindungsgemäßen Filterkonzept kann jedoch noch ein
weiteres Problem gelöst werden: bei rückspeisefähigen Umrichtern kommt es zu ungedämpften Schwingungen zwischen der Eingangs-
und der Ausgangsseite des Umrichters.
0 Eine zur Lösung auch dieses Problems geeignete Filteranordnung zeigt die Darstellung in FIG 3 in Form einer Erweiterung
des aymmetrischen Filterteils zur Bedämpfung des Schwingkreises C2 - L - Ca.
GR 98 G 3011 · ·
Dabei sind den ausgangsseitigen Netzinduktivitäten des asymmetrischen
Filterteils weitere Kondensatoren C31, C32, C33 in Sternschaltung nachgeschaltet, deren Sternpunkt über einen
weiteren Dämpfungswiderstand R3 mit der Netzerde PE verbunden ist.
Zusätzlich sind eingangsseitig in herkömmlicher Weise Kondensatoren
CIl, C12, C13 in Sternschaltung zwischen die Netzphasen geschaltet.
Die Resonanzfrequenz wird im wesentlichen bestimmt durch die
parasitäre Kapazität des Umrichters (incl. der Motorleitungen) gegen Erde und die asymmetrisch wirksame Induktivität
der Kommutierungsdrossel (incl. - falls vorhanden - der Induktivität der stromkompensierten Drossel auf der Umrichterseite
des Filters).
Um auch diese Schwingung zu bedampfen, wird mit den Kondensatoren
C31, C32, C33 (» Ca) ein virtueller Sternpunkt ge-0 schaffen und über einen weiteren Dämpfungswiderstand R3 mit
Erde PE verbunden.
Die Darstellung nach FIG 4 zeigt eine kostenoptimierte Alternative
zur in FIG 3 dargestellten Lösung. 25
In dieser alternativen Ausführungsform ist der Dämpfungswiderstand
R3, welcher bereits in der Darstellung gemäß FIG 3 eingeführt wurde, dadurch in den Kreis eingekoppelt, das die
ausgangsseitige Induktivität erweitert wird, indem eine vier-0 te Wicklung auf dem gemeinsamen magnetischen Kern vorgesehen
ist, welche durch den Dämpfungswiderstand R3 kurzgeschlossen
ist.
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Als Alternative kann zur Schwingungsbedämpfung somit über eine vierte Wicklung der Dämpfungswiderstand R3 in den Kreis
eingekoppelt werden.
Die Darstellung gemäß FIG 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Filteranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung, in das die
vorangehenden Ausführungen eingeflossen sind.
Dabei ist der Eingang der Filteranordnung mit LIN und der Ausgang mit LOAD gekennzeichnet. In dieser kompletten Netzfilteranordnung
befindet sich alle im vorangehenden beschriebenen Filtermittel wieder. So weist die Filteranordnung eingangsseitig
in herkömmlicher Weise in Sternschaltung zwischen die Netzphasen geschaltete Kondensatoren CIl, C12 und C13
auf. Es folgt die einangsseitige Net&zgr;induktivität. Für jede
einzelne Netzphase U, V, W ist je ein in der Darstellung gemäß FIG 1 gezeigter symmetrischer Filterteil bestehend - am
Beispiel der Netzphase U - aus einem Kondensator CIu und einer Parallelschaltung aus einem Dämpfungswiderstand RIu und
einer Induktivität LIu vorgesehen. Die anderen Netzphasen V und W besitzen entsprechende symmetrische Filterteile.
Während ein solcher symmetrischer Filterteil für die Phase W
zwischen die Phasen U und W geschaltet ist, sind die entsprechenden symmetrischen Filterteile der Phasen U und V mit den
Kondensatoren C22 und C23 der Sternschaltung von Kondensatoren C21 bis C23 des asymmetrischen Filterteiles verbunden.
Der Kondensator C21 dieses asymmetrischen Filterteiles ist hingegen direkt zur Phase U geführt. Der Sternpunkt der Kondensatoren
C21 bis C23 ist dann in der weiter oben beschriebenen Art und Weise über eine Parallelschaltung aus einem
weiteren Kondensator C2 und einem Dämpfungswiderstand R2 mit
der Netzerde PE verbunden. Der weitere Dämpfungswiderstand R3 ist in der in der Darstellung gemäß FIG 4 gezeigten Art und
5 Weise über eine vierte Wicklung in den Kreis eingekoppelt.
GR 98 G 3011 " ! . I '. ". &iacgr; J*..'
Auf diese Weise erhält man eine Filteranordnung bestehend aus
symmetrischem Filterteil und asymmetrischem Filterteil, mit der die im vorangehenden beschriebenen Vorteile der vorliegenden
Erfindung erreicht werden können. 5
Claims (6)
1. Filteranordnung (F) zur Dämpfung von leitungsgebundenen nieder- und hochfrequenten Netzrückwirkungen, insbesondere
zur selektiven Dämpfung im Frequenzbereich von 2kHz bis 15OkHz, für Umrichter (U) mit geregeltem Spannungszwischenkreis
und sinusförmigen Phasenströmeh, welche zwischen Netzausgang (N, Line) und Eingang (Load) des Umrichters (U)
angeordnet ist, mit einem symmetrischen Filterteil bestehend aus je einem jeder Netzphase (U,V,W) zugeordneten Kondensator
(Cl,CIu,Clv,CIw) zur Verringerung der Amplitude der Störspannung,
dem eine Parallelschaltung aus einem Dämpfungswiderstand (Rl,RIu,RIv,Rlw) zum Bedampfen der Resonanzfrequenz und
einer Induktivität (Ll, LIu,LIv,LIw) für die Netzfrequenz-Umladeströme
nachgeschaltet ist, sowie mit einem asymmetrischen Filterteil bestehend aus den symmetrischen Filtermitteln
(Cl,Rl,Ll) in Sternschaltung nachgeschalteten weiteren
Kondensatoren (C21,C22,C23), deren Sternpunkt über eine weitere
Parallelschaltung aus einem Kondensator (C2) und einem 0 Dämpfungswiderstand (R2) mit der Netzerde (PE) verbunden ist.
2. FiIteranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß umrichterseitig in einer weiteren Filterstufe weitere Kondensatoren (C31,C32,C33) in
Sternschaltung zwischen die Netzphasen geschaltet sind, deren Sternpunkt über einen Dämpfungswiderstand (R3) mit der Netzerde
(PE) verbunden ist.
3. Filteranordnung nach Anspruch 1, dadurch g e kennzeichnet, daß umrichterseitig in einer weiteren
Filterstufe für jede Phase eine Induktivität vorgesehen ist, welche über einen gemeinsamen Kern verfügen und eine
weitere Wicklung zur Einkopplung eines Dämpfungswiderstands
(R3) aufweisen.
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4. Filteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß der Dämpfungswiderstand (R2) des asymmetrischen Filterteils einen Wert
R2 > 2 * yJLres/Cres
mit Lres, Cres = resultierende Induktivität, Kapazität des Reihenschwingkreises aufweist.
5. Filteranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß der Dämpfungswiderstand
(R2) des asymmetrischen Filterteils als PTC-Widerstand ausgeprägt ist.
6. Filteranordnung, dadurch gekennzeich
net, daß diese durch Stern-Dreieck-Transformation oder Dreieck-Stern-Transformation aus einer Anordnung nach einem
der Ansprüche 1 bis 5 abgeleitet ist.
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