EP1872467A1 - Anordnung mit einer drehstrommaschine und einem frequenzumrichter - Google Patents

Anordnung mit einer drehstrommaschine und einem frequenzumrichter

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Publication number
EP1872467A1
EP1872467A1 EP06724021A EP06724021A EP1872467A1 EP 1872467 A1 EP1872467 A1 EP 1872467A1 EP 06724021 A EP06724021 A EP 06724021A EP 06724021 A EP06724021 A EP 06724021A EP 1872467 A1 EP1872467 A1 EP 1872467A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
frequency converter
arrangement according
phase machine
circuit
rotor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP06724021A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Frank Buschbeck
Martin Groeschl
Gerwin Preisinger
Andreas Jagenbrein
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
SKF AB
Original Assignee
SKF AB
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Filing date
Publication date
Application filed by SKF AB filed Critical SKF AB
Publication of EP1872467A1 publication Critical patent/EP1872467A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/53—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M7/537—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters
    • H02M7/5387—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters in a bridge configuration
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02P—CONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P29/00—Arrangements for regulating or controlling electric motors, appropriate for both AC and DC motors
    • H02P29/02—Providing protection against overload without automatic interruption of supply

Definitions

  • the invention relates to an arrangement with a three-phase machine and a frequency converter.
  • the three-phase motor comprises a rotor and a stator, wherein the rotor is rotatably mounted via bearings relative to the stator. Outer rings of the bearings are electrically connected to a motor housing of the three-phase motor, wherein the motor housing is in turn connected via a Schutzerd effet with a grounding point, with which the frequency converter is connected.
  • the rotor of the three-phase motor can furthermore be connected to a shaft of a working machine driven by the three-phase motor, wherein this connection can be designed to be electrically conductive or insulated.
  • the stator of the three-phase motor comprises at least three stator windings, one end of which is interconnected to form a neutral point.
  • the other ends of the stator windings are connected to corresponding output terminals of the frequency converter via corresponding motor connection terminals.
  • the connection between the frequency converter and the three-phase motor takes place, for example, via a three-core motor connection cable.
  • at least one positive or one equal magnitude negative voltage is applied to the three output terminals of the frequency converter in relation to a ground potential at specific times.
  • a pulse-shaped voltage characteristic with steep pulse edges thus arises at the output terminals of the frequency converter.
  • One third of the sum of said voltages at the output terminals of the frequency inverter is referred to as common mode voltage.
  • Each of the three stator windings has a hardly avoidable parasitic stator-rotor stray capacitance towards the rotor.
  • This stator-rotor stray capacitance enter the sudden changes in the electrical voltages from the motor terminals to the rotor and thus also to the inner rings of the bearing whose outer rings are electrically connected to the grounded motor housing as already described.
  • the amount of stator-rotor stray capacitance is one to two powers of 10 smaller than a rotor-housing stray capacitance between the rotor and the motor housing, which although a strong attenuation of the voltage jumps to the camp out, but still stresses on the bearings Can assume values in which a lubricating film in the bearing is electrically penetrated and bearing damage occurs. Since each of the stator-rotor stray capacitances forms a capacitive voltage divider with the rotor-housing stray capacitance, the temporal voltage profile on the rotor is similar to that of the common-mode voltage.
  • the following parasitic circuit is created: Starting from a reference to the grounding power supply of the frequency converter to one of the output terminals of the frequency converter, via the motor connecting cable to the respective stator winding, via its stator-housing stray capacitance to the motor housing and then via the protective ground line back to the earthing point.
  • the current in these circuits is significantly affected by the slope of the Voltages at the output terminals of the frequency inverter determined.
  • the current pulses are needle-shaped.
  • the current flows substantially during the switching operations and possibly causes a significant voltage drop of, for example, up to 100 volts in a hardly avoidable inductance of Schutzerd Ober.
  • these voltage pulses also reach the rotor and, if the working machine is connected to the grounding point via a separate protective earth line, cause a potential difference with respect to the working machine.
  • Another danger in this case also exists for persons while simultaneously touching the motor housing and housing of the working machine.
  • An object of the invention is to provide an improved arrangement with a three-phase machine and a frequency converter, so that in particular bearings of the three-phase machine or a coupled machine are protected from damage and destruction due to current passage in a simple manner.
  • the object is solved by the subject matter of claim 1.
  • Advantageous embodiments are described in the subclaims.
  • an arrangement with a three-phase machine and a frequency converter includes the following features:
  • the three-phase machine comprises a stator and a rotor, wherein at least the three circuits of the stator and / or the rotor for the three-phase alternating current isolated and operable isolated from each other with a separate connection point of the frequency converter are connected, and
  • the frequency converter is designed with a center point grounded DC voltage or DC intermediate circuit that each circuit between the two associated connection points at any time, based on the ground potential symmetrical, electrical voltage or current can be output.
  • the invention is based on the finding that parasitic voltages coupled in opposite directions to one another on a shaft of the three-phase machine cancel each other out, so that when the stator windings of the three-phase machine are isolated from one another in connection with a concern of exclusively unbalanced voltages at the individual stator windings, the disadvantages described in the introduction be prevented with respect to bearing damage and Bermmschreiben, which is true both when using insulated against passage between rotor and stator bearings and bearings that are free of such insulation.
  • the arrangement according to the invention advantageously results in the parts of the arrangement listed below remaining permanently at ground potential Three-phase machine and its associated inner bearing rings as well as an optional coupling to the shaft of a connected to the three-phase machine further machine, such as a working machine; the machine housing and bearing outer rings connected to the machine housing and finally the Schutzerdtechnisch over its entire length between the three-phase machine and the grounding point.
  • the only prerequisite is that the stray capacitances of each of the stator windings relative to the machine housing or relative to the rotor are distributed substantially symmetrically with respect to a center point of the stator winding between their two connection points.
  • this is usually an inherent feature of many three-phase machines. Smaller deviations from this capacitive symmetry of each stator winding relative to the rotor or the machine housing or asymmetries in the unbalanced output voltages of the frequency converter only lead to the occurrence of small parasitic residual currents and reduce the effectiveness of the arrangement according to the invention only slightly.
  • Figure 1 is a circuit diagram of an arrangement with a frequency converter and a three-phase motor and
  • Figure 2 is a circuit diagram of a Polwendersc Francisco the frequency converter.
  • FIG. 1 shows as an embodiment of the invention, a circuit diagram of an arrangement with a frequency converter 100 and a three-phase motor 200.
  • the three-phase motor 200 includes a rotor 210 and a stator, the rotor 210 via at least two rolling bearings 231 and 232, which is free of an isolie - tion against electrical current passage may be formed, is rotatably mounted relative to the stator.
  • the outer rings of the roller bearings 231 and 232 may be electrically conductively connected to a motor housing 220 of the three-phase motor 200, wherein the motor housing 220 is in turn connected via a Schutzerdtechnisch 175 with a grounding point 125, to which the Frequenzumrich- ter 100 is connected.
  • the rotor 210 of the three-phase motor 200 is further coupled to a shaft of a work machine 290 driven by the three-phase motor 200.
  • the stator of the three-phase motor 200 comprises at least three stator windings, with only one of the stator windings 225 being shown for reasons of clarity. Each stator winding are both ends with corresponding Output terminals 111, 112, and 114, 115, and 117 and 118 of the frequency converter 100 connected.
  • the connection between the frequency converter 100 and the three-phase motor 200 via an at least six-core, optionally unshielded trained motor connection cable 170, which includes a further wire for the protective ground line 175 in the embodiment shown.
  • the three-phase motor 200 is designed such that between the stator winding 225 and the rotor 210, a stator-rotor stray capacitance 241 and 242 between the two connection points of the stator winding 225 is distributed substantially symmetrically with respect to the center point.
  • a stator-housing stray capacitance 251 and 252 between the stator winding 225 and the motor housing 220 is present in many three-phase motors as an inherent property.
  • the frequency converter 100 for the stator winding 225 comprises, for example, a so-called pole-changing circuit, which will be explained in more detail with reference to FIG.
  • a positive DC voltage of predeterminable magnitude at an input terminal 121 in the frequency converter 100, a positive DC voltage of predeterminable magnitude and at an input terminal 122 to provide a magnitude equal negative DC voltage.
  • the input terminal 123 is connected to the grounding point 125 as the midpoint on the DC voltage side of the frequency converter 100 for the unbalanced ground voltages.
  • the electrical potential of the rotor 210 therefore corresponds permanently to the central potential of the drive pulses, which is identical to the ground potential as required. Due to the large conductive surface of the rotor 210 and the resulting low electrical impedance of the entire rotor 210 and the motor shaft is at spatially constant potential.
  • the stator-housing stray capacitance 251 and 252 which may also be thought of as two capacitances 251 and 252 of the same size, the one previously described for the stator-rotor stray capacitance 241 and 242 applies mutatis mutandis, so that the motor housing 220 permanently on Earth potential lies. This means now that via the rolling bearings 231 and 232, no electrical voltage occurs. Bearing damage and bearing destruction due to current passage due to capacitive coupled to the rotor voltages are thus prevented.
  • the protective ground line 175 of the three-phase motor 200 advantageously also leads to no current, so that no voltage drops across its inductance 176 either.
  • An unbalanced voltage between the output terminals 111 and 112 as well as 114 and 115 as well as 117 and 118 of the frequency converter can be generated with the known, as shown in Figure 2 so-called Polwenderscnies become.
  • a DC voltage supply to the Polwenderscnies takes place symmetrically to the ground potential via the two input terminals 121 (positive voltage) and 122 (negative voltage).
  • the stator winding 225 is connected between the two output terminals 111 and 112 of the frequency converter 100.
  • the semiconductor switches 141 and 144 are to be closed, while the other semiconductor switches 142 and 143 must be open.
  • the semiconductor switches 142 and 143 are closed and for the semiconductor switches 141 and 144 are opened.
  • the semiconductor switches 141, 142, 143 and 144 are designed, for example, as transistors, IGBTs or GTOs.
  • the diodes 152 of the Polwenderscnies serve in a conventional manner to protect the semiconductor switches 141, 142, 143 and 144 against overvoltages in the moment of their opening.
  • the resistors 154 of the Polwenderscnies thereby cause the reduction of residual charges in the motor connection cable 170 and in the stray capacitances 241, 242, 251 and 252 during a switching state in which all semiconductor switches 141, 142, 143 and 144 are open.
  • For generating corresponding voltage between the output terminals 114 and 115 as well as between 117 and 118, corresponding pole changing circuits as previously described are provided in the frequency converter 100.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Eine Anordnung mit einer Drehstrommaschine und einem Frequenzumrichter, beinhaltet folgende Merkmale: Die Drehstrommaschine umfasst einen Stator und einen Rotor, wobei wenigstens die drei Stromkreise des Stators und/oder des Rotors für die drei Dreh-Stromphasen gegeneinander isoliert betreibbar und gegeneinander isoliert mit je einem separaten Anschlusspunkt des Frequenzumrichters verbindbar sind, und - der Frequenzumrichter ist derart mit einem mittelpunktgeerdeten Gleichspannungs oder Gleichstromzwischenkreis ausgebildet, dass je Stromkreis zwischen den zwei zugehörigen Anschlusspunkten eine zu jedem Zeitpunkt, bezogen auf das Erdpotential symmetrische, elektrische Spannung oder Strom ausgebbar ist.

Description

B e s c h r e i b u n g
Anordnung mit einer Drehstrommaschine und einem Frequenzumrichter
Die Erfindung betrifft eine Anordnung mit einer Drehstrommaschine und einem Frequenzumrichter.
Eine bekannte Anordnung mit einem Drehstrommotor und einem Frequenz- Umrichter sieht beispielsweise wie folgt aus: Der Drehstrommotor umfasst einen Rotor und einen Stator, wobei der Rotor über Lager gegenüber dem Stator drehbar gelagert ist. Außenringe der Lager sind dabei elektrisch leitend mit einem Motorgehäuse des Drehstrommotors verbunden, wobei das Motorgehäuse wiederum über eine Schutzerdleitung mit einem Erdungspunkt verbunden ist, mit dem auch der Frequenzumrichter verbunden ist. Der Rotor des Drehstrommotors kann weiterhin mit einer Welle einer vom Drehstrommotor angetriebenen Arbeitsmaschine verbunden sein, wobei diese Verbindung elektrisch leitend oder isoliert ausgeführt sein kann.
Der Stator des Drehstrommotors umfasst dabei wenigstens drei Statorwicklungen, von denen jeweils ein Ende zu einem Sternpunkt zusammengeschaltet ist. Die jeweils anderen Enden der Statorwicklungen sind über entsprechende Motoranschlussklemmen mit entsprechenden Ausgangsklemmen des Frequenzumrichters verbunden. Die Verbindung zwischen Frequenzumrichter und Drehstrommotor erfolgt beispielsweise über ein dreiadriges Motoranschlusskabel. Je nach Schaltprogramm des Frequenzumrichters liegt an den drei Ausgangsklemmen des Frequenzumrichters gegenüber einem Erdpotential zu bestimmten Zeiten zumindest eine positive oder eine betragsmäßig gleichgroße negative Spannung an. In Abhängigkeit vom Schaltprogramm entsteht somit an den Ausgangsklemmen des Frequenzumrichters ein impulsförmiger Spannungsverlauf mit steilen Impulsflanken. Ein Drittel der Summe besagter Spannungen an den Ausgangsklemmen des Frequenzumrichters wird dabei als Gleichtaktspannung bezeichnet.
Jede der drei Statorwicklungen weist zum Rotor hin eine kaum vermeidbare parasitäre Stator-Rotor-Streukapazität auf. Über diese Stator-Rotor-Streukapazität gelangen die sprungartigen Änderungen der elektrischen Spannungen von den Motoranschlussklemmen zum Rotor und somit auch an die Innenringe der Lager, deren Außenringe wie bereits beschrieben mit dem geerdeten Motorgehäuse elektrisch leitend verbunden sind. Üblicherweise ist dabei der Betrag der Stator- Rotor-Streukapazität um eine bis zwei 10er Potenzen kleiner als eine Rotor- Gehäuse-Streukapazität zwischen dem Rotor und dem Motorgehäuse, wodurch zwar eine starke Abschwächung der Spannungssprünge zum Lager hin entsteht, aber dennoch Spannungen über die Lager Werte annehmen können, bei denen ein Schmierfilm im Lager elektrisch durchschlagen wird und Lagerschäden entstehen. Da dabei jede der Stator-Rotor-Streukapazitäten mit der Rotor-Gehäuse- Streukapazität jeweils einen kapazitiven Spannungsteiler bildet, ist der zeitliche Spannungsverlauf auf dem Rotor ähnlich jenem der Gleichtaktspannung.
Weiterhin existieren am Drehstrommotor zwischen den einzelnen Statorwicklungen und dem Motorgehäuse Stator-Gehäuse-Streukapazitäten, womit je Statorwicklung folgender parasitärer Stromkreis entsteht: Ausgehend von einer auf den Erdungspunkt bezogenen Spannungsversorgung des Frequenzumrichters zu einer der Ausgangsklemmen des Frequenzumrichters, über das Motoranschlusskabel zur jeweiligen Statorwicklung, über deren Stator-Gehäuse-Streukapazität zum Motor- gehäuse und weiter über die Schutzerdleitung zurück zum Erdungspunkt. Die Stromstärke in diesen Stromkreisen wird wesentlich durch die Flankensteilheit der Spannungen an den Ausgangsklemmen des Frequenzumrichters bestimmt. Dabei sind die Stromimpulse nadeiförmig. Der Strom fließt dabei im Wesentlichen während der Schaltvorgänge und verursacht gegebenenfalls einen erheblichen Spannungsabfall von beispielsweise bis zu 100 Volt an einer kaum vermeidbaren Induktivität der Schutzerdleitung. Über die Rotor-Gehäuse-Streukapazität zwischen Rotor und Motorgehäuse gelangen diese Spannungsimpulse auch auf den Rotor und bewirken, falls die Arbeitsmaschine über eine separate Schutzerdleitung mit dem Erdungspunkt verbunden ist, eine Potentialdifferenz gegenüber der Arbeitsmaschine. In diesem Fall besteht Zerstörungsgefahr sowohl für die Lager des Drehstrom- motors als auch für jene der Arbeitsmaschine. Eine weitere Gefahr besteht in diesem Fall auch für Personen beim gleichzeitigen Berühren von Motorgehäuse und Gehäuse der Arbeitsmaschine.
Zur Vermeidung vorgenannter Lagerschäden ist es beispielsweise bekannt, einen Außenmantel eines Außenrings eines beispielsweise als Wälzlager ausgebildeten Lagers oder einen Innenmantel eines Innenrings des Lagers mit einer keramischen Isolationsschicht auszustatten. Derart isolierte Lager bieten zwar einen guten Schutz vor Lagerschäden auf Grund niederfrequenter parasitärer Ströme, wie sie beispielsweise infolge magnetischer Unsymmetrien des Motors in der Motorwelle induziert werden können, wegen der hohen Kapazität solcher Lager ist deren Isolationswirkung gegenüber den oben beschriebenen hochfrequenten parasitären Strömen jedoch vielfach nicht ausreichend. Eine weitere Möglichkeit zur Vermeidung vorgenannter Lagerschäden besteht darin, Wälzkörper aus Keramik einzusetzen, was mit einem nicht unerheblichen Fertigungsaufwand einhergeht und sich somit negativ hinsichtlich der Kosten derartiger Wälzlager auswirkt.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Anordnung mit einer Drehstrommaschine und einem Frequenzumrichter zu schaffen, so dass insbesondere Lager der Drehstrommaschine bzw. einer angekuppelten Arbeitsmaschine vor Beschädigung und Zerstörung infolge von Stromdurchgang auf einfache Art und Weise geschützt sind. Die Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Gemäß Anspruch 1 beinhaltet eine Anordnung mit einer Drehstrommaschine und einem Frequenzumrichter folgende Merkmale:
- Die Drehstrommaschine umfasst einen Stator und einen Rotor, wobei wenigstens die drei Stromkreise des Stators und/oder des Rotors für die drei Drehstromphasen gegeneinander isoliert betreibbar und gegeneinander isoliert mit je einem separaten Anschlusspunkt des Frequenzumrichters verbindbar sind, und
- der Frequenzumrichter ist derart mit einem mittelpunktgeerdeten Gleichspan- nungs- oder Gleichstromzwischenkreis ausgebildet, dass je Stromkreis zwischen den zwei zugehörigen Anschlusspunkten eine zu jedem Zeitpunkt, bezogen auf das Erdpotential symmetrische, elektrische Spannung oder Strom ausgebbar ist.
Die Erfindung beruht dabei auf der Erkenntnis, dass gegenpolig auf eine Welle der Drehstrommaschine eingekoppelte parasitäre Spannungen einander aufheben, so dass bei einem voneinander isolierten Betreiben beispielsweise der Statorwicklungen der Drehstrommaschine in Verbindung mit einem Anliegen von ausschließlich erdsymmetrischen Spannungen an den einzelnen Statorwicklungen die eingangs beschriebenen Nachteile hinsichtlich Lagerschäden und Berührspannungen verhindert werden, was sowohl bei Einsatz von gegen Stromdurchgang isolierten Lagern zwischen Rotor und Stator als auch bei Lagern, die frei von einer derartigen Isolation sind, zutrifft. Gegenüber der eingangs beschriebenen Anordnung ist es für die erfindungsgemäße Anordnung notwendig, dass die Drehstrommaschine einem Betrieb in offener Dreiecksanordnung zugänglich ist, dass der Frequenzumrichter wenigstens sechs Ausgangsklemmen zum Ausgeben der erdsymmetrischen Spannungen aufweist und dass die Drehstrommaschine und der Frequenzumrichter mit einem wenigstens sechsadrigen Maschinenanschlusskabel verbunden sind. Die erfindungsgemäße Anordnung hat mit Vorteil zur Folge, dass die nachfolgend aufgelisteten Teile der Anordnung ständig auf Erdpotential bleiben: Der Rotor der Drehstrommaschine sowie die mit ihm verbundenen Lagerinnenringe wie auch eine gegebenenfalls vorhandene Kupplung zur Welle einer mit der Drehstrommaschine verbundenen weiteren Maschine, beispielsweise einer Arbeitsmaschine; das Maschinengehäuse sowie mit dem Maschinengehäuse verbundene Lageraußenringe und schließlich die Schutzerdleitung auf ihrer gesamten Länge zwischen der Drehstrommaschine und dem Erdungspunkt.
Damit einhergehend sind nachfolgende Vorteile der erfϊndungsgemäßen Anordnung hervorzuheben: Die Flanken der an den Ausgangsklemmen des Frequenzumrichters ausgegebenen Spannungen rufen keinen Stromfluss durch die Schutzerdleitung der Drehstrommaschine hervor. Ein Auftreten von über die Lager anliegenden parasitären Spannungen infolge der Streukapazitäten wird verhindert. Ebenso werden parasitäre Spannungen auf dem Stator der Drehstrommaschine gegen Erde und/oder andere Anlagenteile, beispielsweise eine von der Drehstrommaschine angetriebene Arbeitsmaschine, verhindert. Dadurch dass die Leitungsführung insbesondere für Hin- und Rückleitung zwischen der Drehstrommaschine und dem Frequenzumrichter kompakt ausgebildet werden kann, wird mit Vorteil eine geringe Hochfrequenz- abstrahlung erzielt. Weiterhin wird auch bei einer Mehrfacherdung nur eine geringe Erhöhung der Hochfrequenzabstrahlung bewirkt. Schließlich kann das Maschinen- anschlusskabel gegebenenfalls sogar unabgeschirmt ausgebildet sein. Für das Personal ist die Anlage dabei berührungssicher. Ferner sind für die gesamte erfindungsgemäße Anordnung mit Vorteil, insbesondere hinsichtlich Fehleranfälligkeit, durchwegs erprobte Baugruppen verwendbar.
Für ein einwandfreies Funktionieren der erfindungsgemäßen Anordnung ist lediglich Voraussetzung, dass die Streukapazitäten jeder der Statorwicklungen gegenüber dem Maschinengehäuse bzw. gegenüber dem Rotor bezüglich einem Mittenpunkt der Statorwicklung zwischen deren beiden Anschlusspunkten im Wesentlichen symmetrisch verteilt sind. Dies ist aber in der Regel eine inhärent vorhandene Eigenschaft von vielen Drehstrommaschinen. Kleinere Abweichungen von dieser kapazitiven Symmetrie jeder einzelnen Statorwicklung gegenüber dem Rotor bzw. dem Maschinengehäuse oder Unsymmetrien in den erdsymmetrischen Ausgangsspannungen des Frequenzumrichters führen lediglich zum Auftreten kleiner parasitärer Restströme und reduzieren die Wirksamkeit der erfindungsgemäßen Anordnung nur geringfügig.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Figuren. Dabei zeigen:
Figur 1 eine Schaltplanskizze einer Anordnung mit einem Frequenzumrichter und einem Drehstrommotor und
Figur 2 eine Schaltplanskizze einer Polwenderschaltung des Frequenzumrichters.
Figur 1 zeigt als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Schaltplanskizze einer Anordnung mit einem Frequenzumrichter 100 und einem Drehstrommotor 200. Der Drehstrommotor 200 umfasst dabei einen Rotor 210 und einen Stator, wobei der Rotor 210 über wenigstens zwei Wälzlager 231 und 232, die frei von einer Isolie- rung gegen elektrischen Stromdurchgang ausgebildet sein können, gegenüber dem Stator drehbar gelagert ist. Die Außenringe der Wälzlager 231 und 232 können dabei elektrisch leitend mit einem Motorgehäuse 220 des Drehstrommotors 200 verbunden sein, wobei das Motorgehäuse 220 wiederum über eine Schutzerdleitung 175 mit einem Erdungspunkt 125 verbunden ist, mit dem auch der Frequenzumrich- ter 100 verbunden ist. Der Rotor 210 des Drehstrommotors 200 ist weiterhin mit einer Welle einer vom Drehstrommotor 200 angetriebenen Arbeitsmaschine 290 gekoppelt.
Der Stator des Drehstrommotors 200 umfasst dabei wenigstens drei Statorwicklun- gen, wobei aus Gründen der Übersichtlichkeit nur eine der Statorwicklungen 225 dargestellt ist. Je Statorwicklung sind dabei deren beide Enden mit entsprechenden Ausgangsklemmen 111, 112, bzw. 114, 115, bzw. 117 und 118 des Frequenzumrichters 100 verbunden. Die Verbindung zwischen dem Frequenzumrichter 100 und dem Drehstrommotor 200 erfolgt über ein wenigstens sechsadriges, gegebenenfalls unabgeschirmt ausgebildetes Motoranschlusskabel 170, das in der gezeigten Ausführungsform eine weitere Ader für die Schutzerdleitung 175 umfasst. Dabei gilt das nachfolgend für die an die Ausgangsklemmen 111 und 112 des Frequenzumrichters 100 angeschlossene Statorwicklung 225 Beschriebene für die weiteren, in Figur 1 nicht dargestellten, an die Ausgangsklemmen 114 und 115 sowie 117 und 118 angeschlossenen Statorwicklungen entsprechend.
Der Drehstrommotor 200 ist dabei derart ausgebildet, dass zwischen der Statorwicklung 225 und dem Rotor 210 eine Stator-Rotor-Streukapazität 241 und 242 zwischen den beiden Anschlusspunkten der Statorwicklung 225 bezüglich deren Mittenpunkt im Wesentlichen symmetrisch verteilt ist. Entsprechendes gilt für eine Stator-Gehäuse-Streukapazität 251 und 252 zwischen der Statorwicklung 225 und dem Motorgehäuse 220. Dabei sind vorgenannte Symmetrien der Streukapazitäten 241 und 242 sowie 251 und 252 bei vielen Drehstrommotoren als inhärente Eigenschaft vorhanden.
Je nach Schaltprogramm des Frequerfzumrichters 100 liegt dabei an den beiden Anschlusspunkten der Statorwicklung 225 entweder eine erdsymmetrische Spannung vorgebbarer Größe oder eine Spannung gleich null an. Zum Erzeugen vorgenannter erdsymmetrischer Spannung umfasst der Frequenzumrichter 100 für die Statorwicklung 225 beispielsweise eine sogenannte Polwenderschaltung, die anhand der Figur 2 noch näher erläutert werden wird. Dazu sind an einer Eingangsklemme 121 im Frequenzumrichter 100 eine positive Gleichspannung vorgebbarer Größe und an einer Eingangsklemme 122 eine betragsmäßig gleich große negative Gleichspannung bereitzustellen. Für die besagten erdsymmetrischen Spannungen ist dabei die Eingangsklemme 123 als Mittenpunkt auf der Gleichspannungsseite des Frequenzumrichters 100 mit dem Erdungspunkt 125 verbunden. Das Zusammenspiel von vorgenannter Symmetrie der Streukapazitäten 241 und 242 sowie 251 und 252 und der erdsymmetrischen Spannung darf man sich wie folgt vorstellen: Aufgrund der Symmetrie der Stator-Rotor-Streukapazität 241 und 242 darf man sich diese als zwei gleichgroße Kapazitäten 241 und 242 vorstellen, wobei die eine dem einen der beiden Anschlusspunkte der Statorwicklung 225 und die andere dem anderen Anschlusspunkt der Statorwicklung 225 zugeordnet ist. Aufgrund der erdsymmetrischen Spannung liegen an den beiden Kapazitäten 241 und 242 betragsmäßig gleichgroße Spannungen, aber mit umgekehrten Vorzeichen an, so dass sich auf den Rotor 210 eingekoppelte Spannungssprünge wegen des unterschiedlichen Vorzeichens aufheben. Das elektrische Potential des Rotors 210 entspricht daher permanent dem Mittenpotential der Ansteuerimpulse, welches voraussetzungsgemäß identisch mit dem Erdpotential ist. Dabei liegt aufgrund der großen leitfähigen Oberfläche des Rotors 210 und der daraus resultierenden geringen elektrischen Impedanz der gesamte Rotor 210 bzw. die Motorwelle auf räumlich konstantem Potential. Für die Stator-Gehäuse-Streukapazität 251 und 252, die man sich ebenfalls als zwei Kapazitäten 251 und 252 gleicher Größe vorstellen darf, gilt das vorausgehend für die Stator-Rotor-Streukapazität 241 und 242 Beschriebene entsprechend, so dass auch das Motorgehäuse 220 permanent auf Erdpotential liegt. Dies bedeutet nunmehr, dass über die Wälzlager 231 und 232 keine elektrische Spannung auftritt. Lagerschäden und eine Lagerzerstörung infolge von Stromdurchgang wegen kapazitiv auf den Rotor eingekoppelter Spannungen sind damit verhindert.
Da der Summenstrom durch die Stator-Gehäuse-Streukapazität 251 und 252 gleich null ist, wird der resultierende Strom auf das Motorgehäuse 220 ebenfalls gleich null, so dass auch über eine Rotor-Gehäuse-Streukapazität 260 kein Strom fließt.
Somit führt mit Vorteil auch die Schutzerdleitung 175 des Drehstrommotors 200 keinen Strom, so dass auch über deren Induktivität 176 keine Spannung abfällt.
Eine erdsymmetrische Spannung zwischen den Ausgangsklemmen 111 und 112 sowie 114 und 115 sowie 117 und 118 des Frequenzumrichters kann dabei mit der bekannten, in der Figur 2 skizzierten sogenannten Polwenderschaltung erzeugt werden. Dabei erfolgt eine Gleichspannungseinspeisung an der Polwenderschaltung symmetrisch zum Erdpotential über die beiden Eingangsklemmen 121 (positive Spannung) und 122 (negative Spannung). Zwischen den beiden Ausgangsklemmen 111 und 112 des Frequenzumrichters 100 ist die Statorwicklung 225 geschaltet. Für einen Stromfluss, ausgehend von der Ausgangsklemme 111 über die Statorwicklung 225 zur Ausgangsklemme 112, sind die Halbleiterschalter 141 und 144 zu schließen, während die anderen Halbleiterschalter 142 und 143 geöffnet sein müssen. Für eine umgekehrte Stromrichtung werden die Halbleiterschalter 142 und 143 geschlossen und dafür die Halbleiterschalter 141 und 144 geöffnet. Die Halbleiter- Schalter 141, 142, 143 und 144 sind dabei beispielsweise als Transistoren, IGBTs oder GTOs ausgebildet. Die Dioden 152 der Polwenderschaltung dienen in an sich bekannter Weise dem Schutz der Halbleiterschalter 141, 142, 143 und 144 vor Überspannungen im Moment ihres Öffnens. Die Widerstände 154 der Polwenderschaltung bewirken dabei den Abbau von Restladungen im Motoranschlusskabel 170 und in den Streukapazitäten 241, 242, 251 und 252 während eines Schaltzustandes, in dem alle Halbleiterschalter 141, 142, 143 und 144 offen sind. Zum Erzeugen entsprechender Spannung zwischen den Ausgangsklemmen 114 und 115 sowie zwischen 117 und 118 sind entsprechende Polwenderschaltungen wie vorausgehend beschrieben im Frequenzumrichter 100 vorgesehen.
Bezugszeichenliste
100 Frequenzumrichter
111, 112, 114, 115, 117, 118 Ausgangsklemme
121, 122, 123 Eingangsklemme
125 Erdungspunkt
141, 142, 143, 144 Halbleiterschalter
152 Diode
154 Widerstand
170 Motoranschlusskabel
175 Schutzerdleitung
176 Induktivität
200 Drehstrommotor
210 Rotor
220 Motorgehäuse
225 Statorwicklung
231, 232 Wälzlager
241, 242 Stator-Rotor-Streukapazität
251, 252 Stator-Gehäuse-Streukapazität
260 Rotor-Gehäuse-Streukapazität
290 Arbeitsmaschine

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h eAnordnung mit einer Drehstrommaschine und einem Frequenzumrichter
1. Anordnung mit einer Drehstrommaschine und einem Frequenzumrichter, beinhaltend folgende Merkmale:
- Die Drehstrommaschine umfasst einen Stator und einen Rotor, wobei wenigstens die drei Stromkreise des Stators und/oder des Rotors für die drei Drehstromphasen gegeneinander isoliert betreibbar und gegeneinander isoliert mit je einem separaten Anschlusspunkt des Frequenzumrichters verbindbar sind, und
- der Frequenzumrichter ist derart mit einem mittelpunktgeerdeten Gleichspannungs- oder Gleichstromzwischenkreis ausgebildet, dass je Stromkreis zwischen den zwei zugehörigen Anschlusspunkten eine zu jedem Zeitpunkt, bezogen auf das Erdpotential symmetrische, elektrische Spannung oder Strom ausgebbar ist.
2. Anordnung nach Anspruch 1, wobei der Rotor über wenigstens ein Lager gegen den Stator drehbar gelagert ist.
3. Anordnung nach Anspruch 2, wobei das Lager ein Wälzlager umfasst.
4. Anordnung nach Anspruch 3, wobei das Wälzlager im wesentlichen aus Wälzlagerstahl ausgebildet ist.
5. Anordnung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, wobei das Wälzlager ein Rollen-, insbesondere Zylinderrollen-, Kegelrollen- und/oder Tonnen-, und/oder Kugellager umfasst.
6. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei das Lager als ein gegen Stromdurchgang isoliertes Lager ausgebildet ist.
7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei jeder der Stromkreise eine Drehstrommaschinenwicklung umfasst.
8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Frequenzumrichter zum Abgreifen der erdsymmetrischen Spannung oder Stromes zwischen zwei Gleichspannungspotentialen gegensätzlicher Polarität aber gleichen Betrags ausgebildet ist.
9. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die erdsymmetrische Spannung oder Strom pulsbreitenmoduliert ist.
10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Frequenzumrichter je Stromkreis eine Polwenderschaltung umfasst.
11. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Drehstrommaschine derart ausgebildet ist, dass je Stromkreis eine Streukapazität gegenüber einem Gehäuse der Drehstrommaschine bezüglich einem Mittenpunkt des Stromkrei- ses zwischen den beiden Anschlusspunkten des Stromkreises im wesentlichen symmetrisch verteilt ist.
12. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Drehstrommaschine derart ausgebildet ist, dass je Stromkreis eine Streukapazität gegenüber einer Welle der Drehstrommaschine bezüglich einem Mittenpunkt des Stromkreises zwischen den beiden Anschlusspunkten des Stromkreises im wesentlichen symmetrisch verteilt ist.
13. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Drehstrommaschine über eine wenigstens sechsadrige Anschlussleitung mit dem Frequenzumrichter verbindbar ist.
14. Anordnung nach Anspruch 13, wobei die Anschlussleitung wenigstens eine siebte Ader als Schutzerdleitung zum Verbinden eines Gehäuses der Dreh- Strommaschine mit einem Erdungspunkt am Frequenzumrichter umfasst.
15. Anordnung nach einem der Ansprüche 13 oder 14, wobei die Anschlussleitung unabgeschirmt ausgebildet ist.
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