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Die Erfindung betrifft eine elektrische Anordnung zur Bildung eines Spannungszwischenkreises für einen Elektromotor, mit zumindest einem ersten und Kondensator und zumindest einem parallel zu diesem geschalteten zweiten Kondensator.
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Die elektrische Versorgung eines Verbrauchers erfolgt häufig aus einem Spannungszwischenkreis, der einen oder mehrere Kondensatoren zur Speicherung der elektrischen Energie aufweist, und der zwischen dem Verbraucher und einem Spannungsversorgungsnetz geschaltet ist. Mit Hilfe eines Gleichrichters wird der oder die Kondensatoren aus der meist ein- oder dreiphasige Netzspannung des Versorgungsnetzes gespeist. Der Gleichrichter wandelt dabei die Netzspannung in eine Gleichspannung um, mit welcher der oder die Kondensatoren beaufschlagt werden.
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Lastseitig ist zur Speisung von Wechselstromverbrauchern zwischen dem Spannungszwischenkreis und dem Verbraucher ein Wechselrichter geschaltet, der die Zwischenkreisspannung in eine ein- oder mehrphasige Wechselspannung umwandelt. Eine derartige Anordnung aus Gleichrichter, Zwischenkreis und Wechselrichter bildet einen Frequenzumrichter, mittels welchem Drehfeldmotoren, beispielsweise Asynchronmotoren oder auch EC-Motoren betrieben werden können. Der Frequenzumrichter formt dabei die Netzspannung fester Frequenz und fester Amplitude in eine Versorgungsspannung mit variabler, vorgebbarer Amplitude und Frequenz für den Elektromotor um, so dass dieser mit veränderlicher Drehzahl betreibbar ist. Bei elektronisch kommutierten Motoren (EC-Motoren) wird der Wechselrichter in der Regel mit einer Pulsweitenmodulation betrieben und die Statorwicklungen des Elektromotors zyklisch bestromt.
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In der Praxis wird der Frequenzumrichter bei Elektromotoren im unteren und mittleren Leistungsbereich häufig mit allen Komponenten in einem einzigen Gehäuse untergebracht. Dies bedeutet, dass die zur Ausbildung von Gleich- und Wechselrichter notwendige Steuerungs- und Leistungselektronik mitsamt der den Zwischenkreis bildenden Kondensatoren baulich und räumlich vereinigt ist, so dass eine kleinbauende, kompakte Ausführung eines Frequenzumrichters erreicht wird. Bei elektromotorisch betriebenen Pumpen befindet sich die gesamte Elektronik des Frequenzumrichters beispielsweise im Klemmenkasten, der außen am Motorgehäuse befestigt ist. Für die Realisierung eines Zwischenkreises wird meist eine Parallelschaltung eines Folienkondensators mit einem oder mehreren Elektrolytkondensatoren verwendet.
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Folienkondensatoren kennzeichnen sich durch eine Hohe Impulsbelastbarkeit und ein gutes Temperaturverhalten aus. Aufgrund ihrer geringen ohmschen Verluste ist ihre Eigenerwärmung gering und ihr Aufladen erfolgt mit sehr kleiner Zeitkonstante, so dass sich Folienkondensatoren besonders zum Abblocken von Spannungsspitzen, d. h. hohen Impulsen einsetzen lassen. Der Kapazitätswert des Folienkondensators wird in der Regel niedrig gewählt, d. h. maximal im unteren Mikrofaradbereich, so dass Spannungsanteile mit hohen Frequenzen in der Zwischenkreisspannung gefiltert werden können. Steile Impulse können dadurch abgeblockt werden.
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Für eine ausreichende Glättung der Zwischenkreisspannung bei Betrieb mit Nennlast muss der Zwischenkreis jedoch hohe Kapazitätswerte aufweisen, die mit einem oder mehreren Folienkondensatoren allein nur mit hohen Kosten und erhöhtem Bauvolumen erreichbar sind. In der Praxis ist es üblich, Elektrolytkondensatoren zu verwenden, die vergleichsweise preiswert im Gegensatz zu Folienkondensatoren sind und bei Kapazitätswerten im Bereich mehrerer hundert Mikrofarad ein vergleichsweise kleines Bauvolumen beanspruchen. Nachteilig bei Elektrolytkondensatoren sind die vergleichsweise hohen ohmschen Verluste, aufgrund derer sich diese im Betrieb erheblich erwärmen. Dies bewirkt wiederum, dass Elektrolytkondensatoren austrocknen und ihre Lebensdauer durch starke Erwärmung erheblich reduziert wird.
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Um die entstehende Verlustwärme abzuführen, sind verschiedene Maßnahmen bekannt. Beispielsweise werden die Kondensatoren als kapazitive Baugruppe auf eine separate Platine gelötet, in einer vom übrigen Raumvolumen des Elektronikgehäuses abgetrennten Gehäusetasche angeordnet und mit einem wärmeleitenden Gießharz vergossen. Die kapazitive Baugruppe wird hierdurch räumlich von der Hauptplatine mit den übrigen Elektronikbauteilen getrennt, so dass eine thermische und auch elektrische Isolierung erreicht wird. Über das Gießharz wird die innere Wärme der Kondensatoren nach außen geführt und kann beispielsweise über Rippen an der Außenseite der Gehäusetasche abgegeben werden. Für eine verbesserte Wärmeabgabe ist das Elektronikgehäuse zumindest im Bereich der Gehäusetasche aus Metall, insbesondere Aluminium gefertigt.
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Die Anordnung und das Verlöten der Zwischenkreiskondensatoren auf einer separaten Platine, das Einsetzen dieser Baugruppe in die Gehäusetasche sowie das Vergießen der Baugruppe führen zu zusätzlichen Arbeitsschritten im Herstellungsverfahren des Zwischenkreises respektive der diesen umfassenden Motorelektronik. Darüber hinaus muss eine Aushärtezeit für die Vergussmasse abgewartet werden, was zu einer zusätzlichen Verzögerung des Herstellungsprozesses führt, da weitere Produktionsschritte erst bei vollem Erstarren der Vergussmasse durchgeführt werden können. Schließlich muss die Kondensatorplatine über zusätzliche Verbindungsleitungen und Steckkontakte elektrisch mit der Hauptplatine verbunden werden. Auch dies bedingt zusätzliche Fertigungsschritte beim Herstellungsverfahren. Diese genannten Prozessschritte verlängern, verteuern und verkomplizieren das Herstellungsverfahren.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektrische Anordnung zur Bildung eines Spannungszwischenkreises für einen Elektromotor bereit zu stellen, die mit geringem Fertigungsaufwand unter Einhaltung thermischer Isolationsvorgaben einfach und kostengünstig herstellbar ist, wobei die Lebensdauer der Anordnung erhöht werden soll.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Erfindungsgemäß wird dabei eine elektrische Anordnung zur Bildung eines Spannungszwischenkreises für einen Elektromotor mit zumindest einem ersten Kondensator und zumindest einem parallel zu diesem geschalteten zweiten Kondensator vorgeschlagen, bei der in Reihe zu dem zumindest einen zweiten Kondensator eine Impedanz mit einem Widerstandswert geschaltet ist, der im Bereich zwischen 1/3 und dem vollen äquivalenten Serienwiderstand des Elektrolytkondensators liegt.
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Der äquivalente Serienwiderstand (ESR) bezieht sich dabei auf die Frequenz des im Nennbetrieb vorliegenden Pulsstromes bzw. der pulsierenden Spannung des zumindest einen zweiten Kondensators. Durch die Reihenschaltung der Impedanz mit dem zweiten Kondensator wird eine Verlagerung der thermischen Quelle aus diesem zweiten Kondensator heraus bewirkt. Die Erwärmung dieses Kondensators ist demgemäß geringer, so dass zusätzliche Fertigungsschritte für die Kühlung der kapazitiven Baugruppe, insbesondere eine Kühlkörpermontage oder das Vergießen der Kondensatoren, entfallen kann. Hierdurch wird der Fertigungsprozess erheblich vereinfacht, zeitlich verkürzt und darüber hinaus kostengünstiger.
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Unter elektrotechnischer Betrachtung bewirkt die Schaltung der zusätzlichen Impedanz in Reihe zu dem zumindest einen zweiten Kondensator eine Abkopplung des ersten Kondensators vom zweiten Kondensator. Der Pulsstrom im zweiten Kondensator wird dabei reduziert. Da dieser Pulsstrom, auch als Rippelstrom bekannt, für die Erwärmung des Kondensators verantwortlich ist, wird der zweite Kondensator durch den reduzierten Stromrippel thermisch entlastet. Zwar ergibt sich dadurch ein höherer Stromrippel am ersten Kondensator. Dies stellt jedoch keinen technischen Nachteil dar, da der parasitäre Innenwiderstand des ersten Kondensators gering ist und seine Glättungsfunktion dadurch nicht merklich beeinträchtigt wird. Weiterhin ist auch anzumerken, dass durch die zusätzliche Impedanz zusätzliche ohmsche Verluste entstehen, die es grundsätzlich zu vermeiden gilt. Dieser Nachteil wird jedoch durch die Vereinfachung, zeitliche Verkürzung und Vergünstigung des Herstellungsprozesses sowie durch die in Folge der Reduzierung der thermischen Belastung erhöhte Lebensdauer der Zwischenkreiskondensatoren kompensiert.
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Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung ist, dass durch die geringere Wärmeentwicklung in den Zwischenkreiskondensatoren diese nicht mehr auf einer separaten Platine angeordnet werden müssen. Vielmehr können sie auf einer einzigen Platine gemeinsam mit der übrigen Leistungselektronik angeordnet und verlötet werden. Dies hat wiederum den Vorteil, dass keine zusätzlichen Verbindungsleitungen benötigt werden, die stets einen induktiven Anteil besitzen und damit Resonanzeffekte bewirken können.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung kann der zweite Kondensator von einer Gruppe mehrerer Kondensatoren gebildet sein, die parallel zu dem ersten Kondensator geschaltet sind, und die in Reihe und/oder parallel zueinander geschaltet sein können. Durch eine Reihenschaltung von Kondensatoren kann die Spannungsbelastung aufgeteilt werden. Weiterhin kann durch eine Parallelschaltung der Kondensatoren die Kapazität der Gesamtanordnung erhöht werden.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Anordnung kann die Gruppe vier Kondensatoren umfassen, wobei jeweils zwei der Kondensatoren parallel und diese Parallelschaltungen in Reihe geschaltet sein können. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass die Gesamtkapazität des Zwischenkreises gegenüber einem einzigen zweiten Kondensator im Wesentlichen gleich bleibt, die Zwischenkreisspannung jedoch auf jeweils zwei Kondensatoren verteilt wird, so dass diese hinsichtlich der Spannungsfestigkeit wieder geringer dimensioniert werden können, wodurch Bauvolumen eingespart werden kann.
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Die Impedanz liegt in dieser Ausführungsvariante in Reihe mit der Kondensatorgruppe und weist einen Widerstandswert auf, der im Bereich zwischen einem Drittel und dem vollen äquivalenten Serienwiderstand der Kondensatorgruppe liegt.
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Alternativ kann zu jedem der Kondensatoren der Gruppe jeweils eine Impedanz mit einem Widerstandswert in Reihe geschaltet sein, der im Bereich zwischen einem Drittel und dem vollen äquivalenten Serienwiderstand des jeweiligen Kondensators der Gruppe liegt. Durch eine derartige Anordnung wird vorteilhafter Weise bewirkt, dass eine gleichmäßige Strom- und Spannungsaufteilung zwischen den Kondensatoren der Gruppe erfolgt, die unabhängig von deren individuellen Toleranzen und unabhängig von der Länge der Zuleitung ist, über die ein entsprechender Zwischenkreiskondensator mit dem Zwischenkreis verbunden ist. Die symmetrische Strom- und Spannungsaufteilung optimiert wiederum die Lebensdauer der Gesamtanordnung, da keiner der Kondensatoren der Gruppe elektrisch oder thermisch höher belastet wird als die übrigen Kondensatoren.
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In einer weiteren alternativen Ausführungsvariante kann die elektrische Anordnung zwei Impedanzen umfassen, wobei der zweite Kondensator oder die Gruppe mehrerer Kondensatoren zwischen den beiden Impedanzen geschaltet ist und diese Reihenschaltung wiederum parallel zu dem ersten Kondensator geschaltet ist. Hiermit kann die Verlustleistung auf zwei Impedanzen verteilt werden, so dass diese jeweils nur für die halbe Verlustleistung zu dimensionieren wären, die bei einer einzigen Impedanz anfallen würde.
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Die Wahl des Widerstandswerts der Impedanz ist bevorzugt im Bereich zwischen einem Drittel und dem vollen äquivalenten Serienwiderstand des zweiten Kondensators bzw. des jeweiligen Kondensators der Gruppe zu wählen, weil sich anderenfalls bei einem zu geringen Widerstandswert keine merkliche thermische Entlastung des entsprechenden Kondensators bzw. der Kondensatoren ergeben würde, und bei einem zu hohen Wert eine unnötig hohe ohmsche Verlustleistung sowie aufgrund des sich bildenden RC-Gliedes eine höhere Zeitkonstante ergeben würde. Diese ist für das Auf- und Entladen des Kondensators nachteilig, da bei einer spontanen Leistungsanfrage der Last diese Leistung nicht aus dem Kondensator gezogen werden kann. Es ist daher anstrebenswert, den Widerstandswert der zusätzlichen Impedanz möglichst gering zu halten.
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Insbesondere kann der Widerstandswert im Bereich zwischen dem halben und dem vollen äquivalenten Serienwiderstand des jeweiligen Kondensators liegen, mit dem die Impedanz in Reihe geschaltet ist. Bei einem äquivalenten Serienwiderstand von 100 Milliohm kann der Widerstandswert zwischen 50 und 100 Milliohm betragen. Vorzugsweise ist der Widerstandwert im Wesentlichen gleich dem äquivalenten Serienwiderstand des entsprechenden Kondensators bzw. der entsprechenden Kondensatoren. Dabei wird als Widerstandswert bevorzugt ein Wert aus einer der genormten E-Reihen nach DIN IEC 60063 gewählt, der am nächsten an dem äquivalenten Serienwiderstand des entsprechenden Kondensators liegt.
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In einer vorteilhaften Ausbildung der elektrischen Anordnung kann die Impedanz oder die Impedanzen als Shunt bzw. Shunts ausgebildet sein. Da ein Shunt stets einen niedrigen Widerstandswert aufweist und zur Leitung höher Ströme ausgelegt ist, ist er für die erfindungsgemäße elektrische Anordnung bevorzugt geeignet. Alternativ oder auch in Kombination hinsichtlich der Gruppe von Kondensatoren kann die Impedanz oder eine oder mehrere der Gruppe von Kondensatoren jeweils zugeordneten Impedanzen aus SMD (Surface Mounted Device) Widerständen gebildet sein. Hierdurch wird der für die zusätzlichen Impedanzen notwendige Platz auf der Platine minimal gehalten.
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Der erste Kondensator ist bevorzugt als Folienkondensator oder Keramikkondensator ausgeführt. Diese weisen nur geringe ohmsche Verluste auf und Filtern Spannungspitzen. Der zumindest eine zweite Kondensator oder die Kondensatoren der Gruppe ist bzw. sind demgegenüber als Elektrolytkondensatoren ausgeführt. Sie besitzen ein geringeres Bauvolumen und sind im Gegensatz zu Folien- und Keramikondensatoren gleicher Kapazität preiswerter.
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Erfindungsgemäß kann die elektrische Anordnung einen Spannungszwischenkreis bilden, der Bestandteil einer Leistungselektronik für einen Elektromotor ist. Weiterhin kann erfindungsgemäß ein Elektromotor mit einer derartigen Leistungselektronik verwendet werden.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und den beigefügten Figuren erläutert. Es zeigen:
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1: Elektrische Anordnung mit einer zu einer Kondensatorgruppe in Reihe geschalteten Impedanz
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2: Elektrische Anordnung mit zwei in Reihe zu einer Kondensatorgruppe geschalteten Impedanzen
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3: Kondensatorgruppe mit jeweils einer einem Kondensator der Gruppe in Reihe geschalteten Impedanz
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1 zeigt eine erfindungsgemäße elektrische Anordnung zur Bildung eines Spannungszwischenkreises mit einem ersten Kondensator 1 und einer Gruppe parallel zu diesem ersten Kondensator 1 geschalteten zweiten Kondensatoren 2, wobei in Reihe zu der Kondensatorgruppe eine Impedanz 3 geschaltet ist. Die Gruppe umfasst vier Kondensatoren 2, wobei jeweils zwei der Kondensatoren 2 parallel und diese Parallelschaltungen in Reihe geschaltet sind. Der erste Kondensator 1 ist bipolar ausgeführt und als Folienkondensator ausgebildet, wohingegen die Kondensatoren der Gruppe unipolar als Elektrolytkondensatoren ausgeführt sind.
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Durch die Parallelschaltung des zumindest einen Folienkondensators mit den Elektrolytkondensatoren wird erreicht, dass der Folienkondensator einen möglichst großen Anteil des gesamten Rippelstroms führt. Die Elektrolytkondensatoren steigern demgegenüber die Gesamtkapazität des Zwischenkreises, so dass das Spannungsrippel der gesamten Zwischenkreisspannung U reduziert wird, d. h. eine besonders glatte Zwischenkreisspannung erreicht wird. Ebenso ist für bestimmte Betriebspunkte eine größere Gesamtkapazität erforderlich, die unter dem vorgegebenen Volumen- und Kostenanforderungen allein mit Folienkondensatoren nicht zu erreichen ist, da hochkapazitive Folienkondensatoren ein erheblich größeres Bauvolumen und höhere Kosten bedingen als Elektrolytkondensatoren.
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Der Widerstandswert der Impedanz 3 ist in dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 im Bereich zwischen einem Drittel und dem vollen äquivalenten Serienwiderstand (ESR, Equivalent Series Resistance) der Gruppe Elektrolytkondensatoren 2 gewählt, wobei dieser äquivalente Gesamtserienwiderstand aufgrund der Parallelschaltung von jeweils zwei Elektrolytkondensatoren 2 und die in Reihe Schaltung dieser beiden Parallelschaltungen dem äquivalenten Serienwiderstand eines der Elektrolytkondensatoren 2 entspricht, soweit die äquivalenten Serienwiderstände der Elektrolytkondensatoren 2 der Gruppe im Wesentlichen gleich sind.
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In einer beispielhaften Dimensionierung des Spannungszwischenkreises ist der Folienkondensator 1 für eine Zwischenkreisspannung von 800 Volt ausgelegt und weist eine Kapazität von 55 Mikrofarad auf, wohingegen die Elektrolytkondensatoren 2 jeweils für 400 Volt ausgelegt sind und jeweils eine Kapazität von 330 Mikrofarad besitzen. Der äquivalente Serienwiderstand eines Elektrolytkondensators 2 liegt bei einem derartigen Elektrolytkondensator bei einer Frequenz von 16 kHz bei etwa 100 Milliohm. Zur Reduzierung der thermischen Belastung der einzelnen Kondensatoren 2 der Gruppe wird als Impedanz 3 ein Widerstand mit einem Widerstandswert von 50 Milliohm verwendet. Da die Impedanz 3 den gesamten Strom IElko führt, der bei einer Gesamt-Zwischenkreisspannung von 800 V mehrere Ampere betragen kann, muss sie vergleichsweise leistungsstark ausgeführt sein. Vorteilhaft kann als Impedanz 3 daher ein Shunt verwendet werden.
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2 zeigt eine erfindungsgemäße elektrische Anordnung bei der die Gruppe Elektrolytkondensatoren 2 zwischen zwei Impedanzen 3 geschaltet ist. Diese Reihenschaltung liegt wiederum parallel zu dem Folienkondensator 1. Durch die Verwendung von zwei Impedanzen 3 wird die Verlustleistung auf diese beiden Impedanzen 3 aufgeteilt, so dass diese hinsichtlich der an ihnen entstehenden Verlustleistung gegenüber einer einzigen zusätzlichen Impedanz 3 entsprechend kleiner in der Leistung und damit in ihren Abmessungen dimensioniert werden können.
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3 zeigt eine dritte Ausführungsvariante der elektrischen Anordnung, mit der ein Spannungszwischenkreis ausgebildet werden kann, wie er in 2 und wie zuvor beschrieben, dimensioniert ist. In dieser Ausführungsvariante ist zu jedem der Elektrolytkondensatoren 2 der Gruppe ein 50 Milliohm Widerstand in Reihe geschaltet, In einer besonders einfachen Ausführungsvariante weisen alle Impedanzen 3 der Gruppe den gleichen Widerstandswert, insbesondere 50 Milliohm auf.
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Die Anordnung gemäß 3 hat den Vorteil, dass die Impedanzen für eine Verlustleistung von maximal 1 Watt ausgelegt werden brauchen. Damit können die Impedanzen mit SMD-Widerständen gebildet werden.
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Nachfolgend wird ein Dimensionierungsbeispiel für die Wahl des Widerstandswerts des bzw. der Impedanzen 3 gegeben:
Dabei wird als erste Zielsetzung gewählt, dass die Pulsströme an den Elektrolytkondensatoren 2 um 25–50% reduziert werden sollen. Ferner wird als zweite Zielsetzung gewählt, dass die Verlustleistung an einer Impedanz maximal ein Watt betragen darf.
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Ausgehend von einem Gesamtstrom IElko der Kondensatorgruppe ohne Impedanzen 3 von 16 Ampere, der sich jeweils hälftig auf die beiden Kondensatorzweige verteilt, beträgt der von den Impedanzen zu führenden Strom bei fünfzig prozentiger Reduzierung 4 Ampere. Damit gilt für die Verlustleistung an einer Impedanz PR = 4·4·R, so dass sich als Widerstandswert R = PR/16 ergibt. Für einen angestrebten Strom IElko von 4 Ampere und einer maximalen Verlustleistung pro Impedanz von 1 Watt ist folglich ein Widerstandswert von maximal 63 Milliohm möglich. Aus dieser Bedingung resultiert wiederum die Forderung, dass für die gewünschte Halbierung eines Elektrolytkondensatorstroms der Elektrolytkondensator eine Impedanz von 63 Milliohm benötigt. Wird beispielhaft ein Elektrolytkondensator für 400 Volt mit 330 Mikrofarad verwendet, besitzt dieser bei 16 Kilohertz eine Impedanz von ca. 100 Milliohm. Bei einem derartigen Wert kann ein Standard-Widerstand mit einem Widerstandswert von 50 Milliohm verwendet werden.
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Die in Serie zu den Elektrolytkondensatoren 2 geschalteten Widerstände verlagern den Rippelstrom in den Folienkondensator und entlasten damit die Elektrolytkondensatoren 2. Der Folienkondensator 1 kann die erhöhte Last ohne signifikante Erwärmung bzw. Alterung übernehmen, so dass eine äußerst langlebige und elektrisch günstige Gesamtkapazität des Spannungszwischenkreises entsteht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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