DE60034955T2

DE60034955T2 - Spannungsabgleich in zwischenkreiskondensatoren

Info

Publication number: DE60034955T2
Application number: DE60034955T
Authority: DE
Inventors: Erkki Miettinen
Original assignee: ABB Oy
Current assignee: ABB Oy
Priority date: 1999-09-22
Filing date: 2000-09-21
Publication date: 2008-01-17
Anticipated expiration: 2020-09-22
Also published as: FI117259B; EP1214771A1; DE60034955D1; EP1214771B1; FI19992031A; JP2003510996A; WO2001022554A1; US7271505B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft eine Abgleichschaltung zum Abgleichen von Spannungen einer Reihenschaltung von Kondensatoren, insbesondere für Zwischenkreis-Kondensatoren eines Frequenz(um)wandlers, wobei mindestens zwei Zwischen kreis-Kondensatoren über eine Zwischenkreis-Spannung in Reihe geschaltet sind.
In Reihe geschaltete Elektrolyt-Kondensatoren werden gewöhnlich als Energiereserve auf der Gleichstromseite in Frequenzwandlern verwendet. Die Anzahl von in Reihe zu schaltenden Kondensatoren hängt von der Versorgungsspannung des Frequenzwandlers ab; so beträgt die Anzahl für 230 Volt gewöhnlich ein Kondensator, für 400 bis 500 Volt zwei Kondensatoren, für 690 Volt drei Kondensatoren und für 1000 Volt vier Kondensatoren. Reihenschaltungen von Kondensatoren können auch in einem Zwischenkreis parallel geschaltet werden. Die Anzahl paralleler Verbindungen hängt vom Ausgangsstrom des Frequenzwandlers ab.
Die Leckströme von Kondensatoren unterscheiden sich typischerweise voneinander, was bedeutet, dass die Versorgungsspannung des statischen Zustandes, der über die Reihenschaltung wirkt, nicht gleichmäßig zwischen den Kondensatoren aufgeteilt ist. Dies kann zu einer Situation führen, bei der ein einzelner Kondensator einer Spannung ausgesetzt ist, welche die zulässige Grenze im dynamischen Zustand überschreitet, die beispielsweise durch den Einfluss von Stromschwankungen und Kapazitätstoleranzen gegeben ist. Aus diesem Grund werden gewöhnlich 'Abgleichwiderstände' in Reihe mit den Kondensatoren geschaltet, wobei der durch die Widerstände fließende Strom viel größer als der Leckstrom der Kondensatoren ist. In diesem Fall ist die Spannungsverteilung im statischen Zustand hauptsächlich durch die Widerstandsverhältnisse der Widerstände bestimmt. Es ist ebenfalls bekannt, zusätzlich zu den Widerständen aktive Komponenten zu verwenden, beispielsweise Emitterfolgerschaltungen, die striktere Beschränkungen ohne einen unangemessenen Anstieg bei den Energieverlusten ermöglichen. Allerdings steigert die Verwendung aktiver Komponenten die Komponentenkosten.
Ein typischer Abgleichwiderstand für einen Kondensator in einem Frequenzwandler mit 100 kVA hat beispielsweise 22 Kiloohm mit einer Verlustleistung von 5,2 Watt bei 500 Volt. Da bei dieser Spannung zwei Kondensatoren und Widerstände in Reihe vorliegen, beträgt die gesamte Verlustleistung 10,4 Watt. Bei höheren Spannungen ist die Verlustleistung natürlicherweise sogar noch größer.
Für den Betrieb des Frequenzwandlers ist ein bestimmter Bedarf an Hilfsenergie für Steuerschaltungen und Gate-Treiber erforderlich. Diese Energie beträgt für den Fall eines Frequenzwandlers von 100 kVA typischerweise 10 bis 20 Watt. Es ist leicht einzusehen, dass die Menge an Abwärme, die in den Abgleichwiderständen erzeugt wird, nahezu gleich dem Umfang an Hilfsenergie ist, die für den gesamten Frequenzwandler benötigt wird. Daher wäre es sehr vorteilhaft, wenn die für den Abgleich der Kondensatoren erforderliche Verlustleistung als die Hilfsenergie des Gerätes verwendet werden könnte.
Das Dokument US 4313155 offenbart eine modulare Wandlerstruktur, bei der eine hohe Eingangsspannung verwendet wird, die durch eine Reihenschaltung von Kondensatoren geteilt wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Schaltung vorzuschlagen, die es erlaubt, die oben erwähnten Nachteile zu vermeiden und Spannungen einer Reihenschaltung von Kondensatoren in zuverlässiger Weise abzugleichen, so dass im Zuge des Spannungsabgleichs eine Hilfsspannungsquelle gebildet wird. Diese Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße Schaltung gelöst, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass die Abgleichschaltung kondensator-spezifische, frei oszillierende Inverter aufweist, deren Eingangspole mit dem Kondensator parallel geschaltet sind, der zu dem Inverter gehört, und deren Ausgangspole so parallel geschaltet sind, dass sie eine Spannungsquelle bilden.
Die erfindungsgemäße Schaltung basiert auf der Idee, dass frei oszillierende Inverterschaltungen zum Abgleichen der Spannungen von in Reihe geschalteten Kondensatoren verwendet werden, wobei die Inverterschaltungen eine Spannungsversorgung in eine Spannung zur Verwendung in anderen Schaltungen (während des Spannungsabgleichs) umwandeln. Die erfindungsgemäße Schaltung bietet den Vorteil, dass die Energie, die anderenfalls verloren gehen würde, in Schaltungen mit geringem Energiebedarf verwendet werden kann, beispielsweise als Hilfsspannung in den Steuerschaltungen und Gate-Treibern eines Frequenzwandlers.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung wird nachfolgend in einigem Detail mittels bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, von denen
1 eine erfindungsgemäße Abgleichschaltung für Spannungen einer Reihenschaltung von Kondensatoren veranschaulicht; und
2 und 3 Inverter veranschaulichen, die zum Abgleich von Spannungen von Kondensatoren gemäß der Erfindung verwendet werden.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
1 veranschaulicht eine erfindungsgemäße Abgleichschaltung für Spannungen einer Reihenschaltung von Kondensatoren. Die Kondensatoren in 1 sind als Kondensatoren des Zwischenkreises eines Frequenzumwandlers dargestellt; die erfindungsgemäße Schaltung kann aber ebenso für jede andere Anwendung der Reihenschaltung von Kondensatoren verwendet werden. Die Zwischenkreis-Schaltung des in der Figur gezeigten Frequenzwandlers weist eine positive 1 und eine negative 2 Spannungsschiene auf, zwischen der drei Kondensatoren 3 in Reihe geschaltet sind. 1 zeigt den eigentlichen Inverter-Teil des Frequenzumwandlers nicht, d.h. Leistungshalbleiter und deren Steuerschaltungen, weil diese Komponenten für die Anwendung und das Verständnis der Erfindung irrelevant sind.
Gemäß der Erfindung ist ein frei oszillierender Inverter 4 mit den Polen eines jeden in Reihe geschalteten Kondensators verbunden. Beispiele frei oszillierender Inverter sind in den 2 und 3 gezeigt. Gemäß 1 sind die frei oszillierenden Inverter so geschaltet, dass jeder in Reihe geschaltete Kondensator einen eigenen Inverter aufweist. Somit ist der positive Pol jedes Inverters mit dem positiven Pol des entsprechenden Kondensators verbunden und der negative Pol ist mit dem negativen Pol des entsprechenden Kondensators verbunden.
Bei Verwendung der erfindungsgemäßen Schaltung kann die Spannung des Elektrolyt-Kondensators, die als die Energiereserve eines Zwischenkreises in einem Frequenzwandler fungiert, so abgeglichen werden, dass gleichzeitig die vom Frequenzwandler benötigte Hilfsenergie erzeugt wird. Ein durch die zwei Transistoren 11, 12 und einen Wandler 13 gebildeter frei oszillierender Inverter wird parallel mit jedem Kondensator geschaltet, wobei das Zentrum 15 der primären Spule 14 des Wandlers mit dem positiven Pol des Kondensators verbunden ist und die freien En den der gleichen Spule mit den Kollektoren der Transistoren verbunden sind. Diese Art der Ausführung der Erfindung ist in 2 gezeigt. 2 zeigt weiter, dass die Emitter der Transistoren 11, 12 mit dem negativen Pol des Kondensators verbunden sind und deren Basis sowie einige passive Komponenten auf an sich bekannte Weise mit der Steuerspule des Wandlers verbunden sind, um so einen selbst-oszillierenden Inverter auszubilden. Der selbst-oszillierende Inverter bezieht sich grundsätzlich darauf, dass keine separaten Steuerschaltungen oder Taktungsschaltungen zum Steuern der Halbleiterschalter eines Inverters dieser Art verwendet werden. Bei Verwendung passiver Komponenten ist es möglich, einen Inverter bereitzustellen, bei dem keine Notwendigkeit für die Bereitstellung separater Steuerenergie besteht, da die Halbleiter aufgrund von Oszillationen abwechselnd leiten.
In dem selbst-oszillierenden Inverter wird alternierende Spannung in den sekundären Spulen 16, 26 der Wandler 13, 23 induziert, die durch eine Gleichrichterbrücke 17, 27 gleichgerichtet wird, um einen Gleichstrom bereitzustellen, welcher als Hilfsspannung verwendet werden kann. Die zweiwege-gleichgerichteten Ausgänge aller Inverter sind so wie in 1 gezeigt miteinander verbunden, um eine Zwischenspannung Va bereitzustellen, beispielsweise 24 V ± 30%, die für die Versorgung mit Hilfsenergie geeignet ist. Die Anzahl der Windungen der Sekundärspule der Umwandler in den Invertern wird in Bezug auf die Primärspule so angepasst, dass diese Spannung mit einer typischen Anschlussspannung des Kondensators für die Energiereserve erreicht wird. Es ist klar, dass für diese Zwischenkreis-Hilfsspannung große Toleranzen zugelassen werden sollten, weil die Variationsbreite der Primärspannung ebenfalls groß ist.
Abhängig von der verwendeten Inverterlösung sollten die Transistoren des Inverters einer Spannung standhalten, welche das 1,2- oder 2-fache der Kondensatorspannung beträgt. Dies sind im schlimmsten Falle 878 Volt, nämlich bei einer Hauptspannung von 500 Volt und einer Überspannung von 30%. Somit können Transistoren gewählt werden, die für eine Kollektorspannung von 1000 Volt vorgesehen sind, wobei in diesem Fall die Inverterschaltung am einfachsten ist (2), oder aber es können Transistoren gewählt werden, die für eine Kollektorspannung von 600 Volt vorgesehen sind, wobei in diesem Falle einige zusätzliche Komponenten für die Schaltung erforderlich sind (3).
Die Ausgangs- und Eingangsspannungen der gezeigten Inverterschaltung folgen einander, wenn sie mit dem Transformationsverhältnis des Wandlers multipliziert werden, d.h. wenn die Eingangsspannung zunimmt, nimmt auch die gleichgerichtete Ausgangsspannung dementsprechend zu. Der Einfluss beliebiger suboptimaler Eigenschaften des Inverters auf diese Abhängigkeit ist typischerweise sehr klein.
Da die gleichgerichteten Ausgänge der Wandler so wie oben gezeigt miteinander verbunden sind, um ihre Polarität zu erhalten, fließt die Hilfsspannungsenergie im Wesentlichen durch den Wandler mit der höheren Sekundärspannung. Das bedeutet, dass der größte Teil der Hilfsspannungsenergie von dem Energiereserve-Kondensator kommt, dessen Anschlussspannung in Bezug auf die anderen in Reihe geschalteten Kondensatoren tendenziell am größten ist. Diese Energie fließt aus dem Kondensator, was bedeutet, dass die Anschlussspannung des Kondensators sinkt, bis sie die zweithöchste Anschlussspannung erreicht. Allerdings findet diese Wechselwirkung simultan zwischen allen Kondensatoren statt, so dass sich die Anschlussspannungen dementsprechend angleichen und die Versorgung mit Hilfsenergie sich nahezu gleichmäßig zwischen den Invertern aufteilt.
Diese Lösung ermöglicht den aktiven Abgleich von Energiereserve-Kondensatoren mit nahezu keinem Energieverlust, während die Schaltung gleichzeitig zur Hilfsspannungsversorgung verwendet werden kann, beispielsweise in Verbindung mit einem Frequenzwandler.
Ein zusätzlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Komponenten der Inverter nicht von der Hauptspannung abhängen. In allen Fällen nimmt die Anzahl von in Reihe geschalteten Invertern, welche dieselben Komponenten aufweisen, mit der Eingangsspannung zu. Somit sind teure Hochspannungs-Schaltungskomponenten nicht einmal bei hohen Versorgungsspannungen erforderlich, wie dies bei Lösungen der Fall ist, welche auf separaten Hilfsstromquellen basieren, die direkt von der Zwischenkreisspannung getrieben werden. Liegt die Versorgungsspannung bei 1000 Volt, sind Standard-Schaltungskomponenten nicht einmal erhältlich.
Die Ausgangsenergie von Frequenzwandlern tendiert dazu, größer zu sein, wenn die Versorgungsspannung hoch ist. In diesem Fall benötigt man mehr Hilfsenergie, weil die Anzahl von Gate-Treibern größer ist. Allerdings sind dank einer Mehrzahl von in Reihe geschalteten Zwischenkreis-Kondensatoren eine entsprechende Anzahl von Invertern für diesen Zweck erhältlich, deren Sekundärschaltungen parallel geschaltet sind.
Der in der erfindungsgemäßen Schaltung verwendete Inverter und sein sekundärer Gleichrichter können auf einfache Weise auf einem Bereich einer Platine oder als eine Baugruppe in Kunstharz gegossen implementiert werden, welche auf einfache Weise direkt mit den Polen eines Leistungskondensators verbunden werden kann, da bzw. wenn sie eine Baugruppe mit geringem Verlust ist. Der Preis einer derartigen Volumenkomponente kann wesentlich reduziert werden. Falls notwendig, können die Konverter mit verstärkter Isolation versehen werden, in welchem Falle die Zwischenspannung der Hilfsenergie an Masse gelegt werden kann, um eine parallele Verwendung von Batterien zu ermöglichen, wenn die Zwischenkreis-Spannung nicht geschaltet ist oder wenn sie für die normale Betriebsweise zu niedrig ist. Darüber hinaus ist es einfach, eine Blockierschaltung für das unbeabsichtigte Hochfahren im Massepotential zu implementieren.
Es ist für den Fachmann offensichtlich, dass das erfinderische Konzept auf unterschiedlichen Wegen implementiert werden kann. Die Erfindung und ihre Ausführungsformen sind somit nicht auf die oben beschriebenen Beispiele beschränkt, sondern können innerhalb des durch die Ansprüche beschriebenen Bereiches variieren.

Claims

Abgleichschaltung zum Abgleich von Spannungen einer Reihenschaltung von Kondensatoren, insbesondere für Zwischenkreis-Kondensatoren (3) eines Inverters, wobei mindestens zwei Zwischenkreis-Kondensatoren über eine Zwischenkreis-Spannung in Reihe geschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgleichschaltung kondensator-spezifische, frei oszillierende Inverter (4) aufweist, deren Eingangspole mit dem Kondensator parallel geschaltet sind, der zu dem Inverter gehört, und deren Ausgangspole so parallel geschaltet sind, dass sie eine Spannungsquelle (Va) bilden.