DE4018748A1

DE4018748A1 - FREQUENCY INVERTER WITH DC INTERMEDIATE CIRCUIT

Info

Publication number: DE4018748A1
Application number: DE19904018748
Authority: DE
Inventors: Kurt Dr Bieniek
Original assignee: KSB AG; Klein Schanzlin and Becker AG
Current assignee: Bieniek Kurt Dr 67549 Worms De
Priority date: 1990-06-12
Filing date: 1990-06-12
Publication date: 1991-12-19
Also published as: WO1991020122A1; EP0533699A1

Abstract

A frequency converter with a d.c. voltage intermediate circuit consists of a power circuit, a control circuit which controls the elements of the power circuit and receives signals from the power circuit, and one or more user interfaces through which the control circuit receives commands and data and sends messages and data. The aim is to reduce the design voltage for the insulation to a minimum. To this end, a reference potential of the control circuit is applied to the midpoint of the intermediate circuit voltage, the control circuit is designed with a microcomputer with a user interface in the form of digital, insulated data connections, and the user interface is insulated with a design voltage at least from the intermediate circuit voltage.

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Frequenzumrichter mit Gleich spannungs-Zwischenkreis, bestehend aus einem Leistungskreis, einer Steuerschaltung, die Elemente des Leistungskreises steuert und Signale aus dem Leistungskreis empfängt, und einer oder mehreren Benutzerschnittstellen, über die die Steuer schaltung Befehle und Daten erhält und Meldungen und Daten abgibt.The invention relates to a frequency converter with the same voltage intermediate circuit, consisting of a power circuit, a control circuit, the elements of the power circuit controls and receives signals from the power circuit, and one or multiple user interfaces through which the tax circuit receives commands and data and messages and data delivers.

Die Steuerschaltung erzeugt alle zum Betrieb des Frequenz umrichters erforderlichen Signale. Hierzu gehören insbesondere die die Leitfähigkeit der Leistungshalbleiter, z. B.Transistoren oder Mosfets, steuernden Zündsignale. Über eine oder mehrere Benutzerschnittstellen bezieht die Steuerschaltung Sollwerte und Befehle und gibt Meldungen ab. Zwischen der Steuerschaltung und den Leistungshalbleitern oder anderen im Leistungskreis liegenden Punkten müssen Signale, wie Zündsignale, Fehler meldungen, Meßwerte, und in manchen Fällen auch Energie übertragen werden. Für diese Signal- und Energieübertragung muß eine zuverlässige Isolation sichergestellt sein. Die Isolation wiederum muß entsprechend den auftretenden Spannungen bemessen sein.The control circuit generates all to operate the frequency required signals. These include in particular which the conductivity of the power semiconductors, for. B. Transistors or Mosfets, controlling ignition signals. About one or more The control circuit obtains user values from user interfaces and commands and issues messages. Between the control circuit and the power semiconductors or others in the power circuit points lying must have signals such as ignition signals, errors messages, measured values, and in some cases also energy be transmitted. For this signal and energy transmission must reliable insulation must be ensured. The isolation again must be dimensioned according to the stresses that occur be.

Bisher war es üblich, die Steuerschaltung mit dem Bezugs potential ihrer Versorgungsspannung entweder auf Erde oder auf das Bezugspotential Masse der Benutzerschnittstelle zu legen. Ein Festlegen auf Erde führt jedoch zu der Gefahr, des Einschleppens von Störspannungen. Dies geschieht beispielsweise dann, wenn über die Benutzerschnittstelle ein Gerät mit ebenfalls geerdeter Versorgungsspannung angeschlossen ist. Aus diesem Grund wird die Versorgungsspannung der Steuerschaltung vorzugsweise "freischwebend" ausgeführt und allenfalls über Masse-Verbindungen der Benutzerschnittstelle potentialmäßig festgelegt.So far it has been common to reference the control circuit potential of your supply voltage either on earth or on to set the reference potential ground of the user interface. However, setting it on earth creates the risk of Introduction of interference voltages. This happens, for example then when using the device via the user interface also grounded supply voltage is connected. Out for this reason the supply voltage of the control circuit preferably carried out "free floating" and at most over Ground connections of the user interface potential fixed.

Für die Isolation zwischen Steuerschaltung und Leistungskreis sind nach den gültigen Richtlinien (VDE 0160) folgende Bemessungsspannungen zugrundezulegen:For the isolation between control circuit and power circuit are the following according to the applicable guidelines (VDE 0160) To use the rated voltages:

Bei "freischwebender Versorgung" ist dies die höchste der in einem der beiden Kreise auftretenden Spannungen (AC oder DC), in der Regel also die Zwischenkreisspannung, d. h. 550 V bei einem 400 V-Netz.With "free floating supply" this is the highest of the in one of the two circuits occurring voltages (AC or DC), usually the DC link voltage, d. H. 550 V at a 400 V network.

Bei geerdeter Versorgung der Steuerschaltung und starr geerdeter Leistungseinspeisung ist dies die höchste Spannung eines der beiden Kreise gegen Erde (AC oder DC). Bei Drehstromnetzen mit geerdetem Sternpunkt ergibt sich die halbe Zwischenkreisspannung, d. h. 275 V bei einem 400 V-Netz, da die Zwischenkreisspannung symmetrisch zum Sternpunkt der Netzspannung liegt. Ist hingegen die Leistungseinspeisung mit einem der Außenleiter geerdet, so steigt die Bemessungsspannung etwa um den Faktor , also um etwa 1,22 an. Voraussetzung hierbei ist immer eine zuverlässige Erdverbindung über den Schutzleiter.With earthed supply to the control circuit and rigid grounded power supply, this is the highest voltage one of the two circles to earth (AC or DC). At Three-phase systems with a grounded neutral point result in half DC link voltage, d. H. 275 V for a 400 V network because the DC link voltage symmetrical to the neutral point of the Mains voltage is. However, the power feed is included one of the outer conductors is grounded, the rated voltage increases by a factor of about 1.22. requirement there is always a reliable earth connection via the Protective conductor.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die auf die Isolation ausgeübte Belastung, also die zugrundezulegende Bemessungs spannung entscheidend zu verringern.The invention is based on the task of isolation exerted load, i.e. the underlying design to significantly reduce tension.

Diese Aufgabe wird bei einem Frequenzumrichter der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Bezugspotential der Steuerschaltung auf den Mittelpunkt der Zwischenkreisspannung gelegt ist, daß die Steuerschaltung mit einem Mikrorechner mit Benutzerschnittstelle in Form von digitalen isolierenden Datenverbindungen ausgeführt ist und daß die Benutzerschnittstelle mit einer Bemessungsspannung von mindestens der Zwischenkreisspannung isoliert ist.This task is the beginning of a frequency converter mentioned type according to the invention solved in that a Reference potential of the control circuit to the center of the DC link voltage is set that the control circuit with a microcomputer with a user interface in the form of digital isolating data connections is executed and that the user interface with a rated voltage of at least the intermediate circuit voltage is isolated.

Als eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß die Isolation der Benutzerschnittstelle nach dem Prinzip der sicheren Trennung durchgeführt wird. Damit wird es möglich, daß auch Geräte der Schutzklasse II nach VDE 0106, Teil 1, bzw. Geräte mit Schutzisolation oder Schutzklein spannung angeschlossen werden können.As an advantageous embodiment of the invention, it is proposed that the isolation of the user interface be carried out according to the principle of safe separation. This makes it possible that devices of protection class II according to VDE 0106, Part 1 , or devices with protective insulation or protective low voltage can be connected.

Anhand eines Ausführungsbeispiels wird die Erfindung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt inThe invention will be explained in more detail using an exemplary embodiment explained. The drawing shows in

Fig. 1 einen Frequenzumrichter vorbekannter Art, dessen Steuerschaltung auf das Bezugspotential Masse der Benutzerschnittstelle gelegt ist, in Fig. 1 shows a frequency converter of known type, the control circuit of which is connected to the reference potential ground of the user interface, in

Fig. 2 eine ebenfalls vorbekannte Ausführung, bei der die Steuerschaltung mit dem Bezugspotential ihrer Versorgungsspannung auf Schutzerde gelegt ist, und in Fig. 2 is also a previously known embodiment in which the control circuit is connected to the protective earth with the reference potential of its supply voltage, and in

Fig. 3 einen erfindungsgemäßen Frequenzumrichter, bei dem das Bezugspotential der Steuerschaltung auf den Mittelpunkt der Zwischenkreisspannung gelegt ist. Fig. 3 shows a frequency converter according to the invention, in which the reference potential of the control circuit is placed at the center of the intermediate circuit voltage.

In allen drei Figuren ist jeweils die Steuerschaltung mit der Ziffer 1, das Bezugspotential der Steuerschaltung mit der Ziffer 2 und die Zwischenkreisspannung mit der Ziffer 3 gekennzeichnet. Die Ziffern 4 und 5 bezeichnen Schaltungen im Leistungskreis, während Signal- und Leistungsübertragungen zwischen der Steuerschaltung und dem Leistungskreis mit den Ziffern 6 bis 8 belegt sind. Signalübertragungen über die Benutzerschnittstelle sind mit den Ziffern 9 und 10 versehen. Mit 11 ist eine Leistungseinspeisung, die mit oder ohne Schutzleiter erfolgen kann, gekennzeichnet. Weitere Elemente, die allen Ausführungen gemeinsam sind, sind ein Gleichrichter 12, ein Leistungsausgang 13 und eine Benutzerschnittstelle 14 mit angeschlossenen Geräten. Schließlich besitzen alle drei Ausführungen einen Schutz 15 gegen direktes Berühren.In all three figures, the control circuit is identified by the number 1 , the reference potential of the control circuit by the number 2 and the intermediate circuit voltage by the number 3 . Numbers 4 and 5 indicate circuits in the power circuit, while signal and power transmissions between the control circuit and the power circuit are numbered 6 to 8 . Signal transmissions via the user interface are numbered 9 and 10 . A power supply, which can take place with or without a protective conductor, is identified by 11 . Further elements that are common to all versions are a rectifier 12 , a power output 13 and a user interface 14 with connected devices. Finally, all three versions have protection 15 against direct contact.

Wie aus dem Vergleich der drei Ausführungen deutlich wird, sind für die Isolation unterschiedliche Maßnahmen zu treffen. Bei der "freischwebenden Versorgung" der Fig. 1 sind zwischen den Signal- und Leistungsübertragungen 6 bis 8 Isolationen 16 zwischen zwei Stromkreisen notwendig. Der Frequenzumrichter der Fig. 2 besitzt an diesen Stellen Isolationen 17 zwischen zwei geerdeten Stromkreisen.As is clear from the comparison of the three versions, different measures must be taken for the insulation. In the "free-floating supply" of Fig. 6 to 8 1 16 Insulation between two circuits are necessary between the signal and power transmissions. The frequency converter of FIG. 2 has insulation 17 at these points between two grounded circuits.

Bei der in der Fig. 3 dargestellten erfindungsgemäßen Ausführung wird durch eine Verbindung 18 des Bezugspotentials 2 der Steuerschaltung 1 mit einem Punkt 19 des Leistungskreises erreicht, daß es sich bei den Isolationen 20 nicht mehr um Isolationen zwischen zwei Stromkreisen, sondern um solche innerhalb eines Stromkreises handelt. Als die für die Stärke der Isolation gültige Bemessungsspannung ist jetzt der Effektivwert der jeweils vorhandenen Spannung einzusetzen. Wählt man als Bezugspunkt die Mitte der Zwischenkreisspannung, so wird die maximale Bemessungsspannung gleich der halben Zwischenkreisspannung, unabhängig von einer eventuellen Erdung der Leistungseinspeisung.In the embodiment according to the invention shown in FIG. 3, a connection 18 of the reference potential 2 of the control circuit 1 to a point 19 of the power circuit means that the insulation 20 is no longer insulation between two circuits, but rather insulation within a circuit acts. The effective value of the voltage present must now be used as the rated voltage valid for the thickness of the insulation. If you choose the middle of the DC link voltage as the reference point, the maximum rated voltage will be equal to half the DC link voltage, regardless of a possible grounding of the power supply.

Die Steuerschaltung 1 ist mit einem Mikrorechner mit Benutzerschnittstelle in Form von digitalen isolierenden Datenverbindungen ausgeführt. Daher ist auch die Benutzer schnittstelle 14 mit einer Bemessungsspannung von mindestens der Zwischenkreisspannung isoliert.The control circuit 1 is designed with a microcomputer with a user interface in the form of digital isolating data connections. Therefore, the user interface 14 is isolated with a rated voltage of at least the intermediate circuit voltage.

Im Gegensatz zur Signalübertragung zwischen Steuerschaltung und Leistungskreis, wo über 200 kBit/s benötigt werden, ist für die beim Erfindungsgegenstand verwendete Datenverbindung eine relativ niedrige Übertragungsgeschwindigkeit von etwa 9,6 kBit/s und weniger ausreichend. Es lassen sich also problemlos auch langsamere Signalübertrager mit besonders hoher Isolationsspannung einsetzen, wie z. B. Lichtwellenleiter- Übertrager oder Optokoppler, die der für "sichere Trennung" aufgestellten Richtlinie des VDE entsprechen. Die strich punktierte Linie 21 der Fig. 3 symbolisiert hier die "sichere Trennung".In contrast to the signal transmission between the control circuit and the power circuit, where more than 200 kbit / s are required, a relatively low transmission speed of approximately 9.6 kbit / s and less is sufficient for the data connection used in the subject matter of the invention. It is therefore also easy to use slower signal transmitters with a particularly high insulation voltage, such as. B. fiber optic transmitters or optocouplers that meet the VDE guidelines for "safe separation". The dash-dotted line 21 of FIG. 3 symbolizes the "safe separation" here.

Claims

1. Frequency converter with a DC link, consisting of a power circuit, a control circuit that controls elements of the power circuit and receives signals from the power circuit, and one or more user interfaces via which the control circuit receives commands and data and outputs messages and data, characterized that a reference potential (2) of the control circuit (1) voltage to the midpoint of the intermediate circuit (3) is laid, in that the control circuit (1) is constructed with a microcomputer with user interface (14) in the form of digital insulating data links and in that the user interface ( 14 ) is insulated with a rated voltage of at least the intermediate circuit voltage ( 3 ).

2. Frequency converter according to claim 1, characterized in that the isolation of the user interface ( 14 ) is carried out on the principle of "safe separation".