DE102011017520A1

DE102011017520A1 - Umladestomdämpfendes Anschlusskabel für einen Stromrichter

Info

Publication number: DE102011017520A1
Application number: DE201110017520
Authority: DE
Inventors: Martin Hilscher
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2011-04-26
Filing date: 2011-04-26
Publication date: 2012-08-09

Abstract

Anschlusskabel (24) für einen Stromrichter (7), insbesondere Motoranschlusskabel zur Verbindung einer Motorphase (L1, L2, L3) eines elektrischen Motors (2) mit einer Phasenklemme (15a–15c) eines zugeordneten Stromrichters (7), mit einer stromführenden Leitung (16a–16c) und einem diese umgebenden Kabelschirm (25), wobei der Kabelschirm (25) an beiden Kabelenden (30, 31) einen Erdungsanschluss zur Verbindung des Kabelschirms (25) mit Erdpotential (E) aufweist, und wobei mindestens einem der beiden Erdungsanschlüsse und dem Kabelschirm (25) ein Impedanzglied (32) zwischengeschaltet ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Anschlusskabel für einen Stromrichter, insbesondere auf ein Motoranschlusskabel zur Verbindung einer Motorphase eines stromrichterkommutierten elektrischen Motors mit einer Phasenklemme eines zugeordneten Stromrichters. Die Erfindung bezieht sich des Weiteren auf eine Einrichtung mit einem Stromrichter und mindestens einem damit verbundenen Anschlusskabel, wobei es sich bei dem Anschlusskabel wiederum insbesondere um ein zwischen einer Phasenklemme des Stromrichters und einer Motorphase verschaltetes Motoranschlusskabel handelt.
Ein Motor der oben genannten Art wird üblicherweise elektronisch durch einen vorgeschalteten Stromrichter kommutiert. Der auch als ”Wechselrichter” bezeichnete Stromrichter belegt hierbei die auch als ”Motorphasen” bezeichneten Wicklungsstrange des Motors mit zueinander phasenversetzte Wechselströmen, die der Stromrichter seinerseits aus einem zugefuhrten Gleichstrom erzeugt. Ein solcher Stromrichter ist üblicherweise durch eine Brückenschaltung mit einer der Anzahl der Motorphasen entsprechenden Anzahl von Teilbrücken gebildet, wobei jede Teilbrücke zwischen einer Plusschiene und einer Minusschiene eines Gleichstromkreises geschaltet ist und zwischen einem Mittelabgriff und der Plus- bzw. Minusschiene jeweils einen Halbleiterschalter aufweist. Jede der Motorphasen ist hierbei an den Mittelabgriff einer jeweils zugehörigen Teilbrücke angeklemmt, weshalb die Mittelabgriffe der Teilbrücken auch als ”Phasenklemmen” bezeichnet sind. Bei einer nachfolgend auch als ”Thyristorstromrichter” bezeichneten Bauform eines Stromrichters sind die Halbleiterschalter durch Thyristoren gebildet.
In einer gängigen Bauform umfasst der Motor drei Motorphasen, die motorintern in Stern- oder Dreiecksschaltung verschaltet sind. Ein zugehoriger Stromrichter umfasst drei parallel geschaltete Teilbrucken. Dem den Motor versorgenden Wechselrichter kann ein weiterer Stromrichter vorgeschaltet sein, der zur Gleichrichtung eines eingangs zugefuhrten wechselnden Eingangsspannungssystems und zur Einspeisung dieser gleichgerichteten Spannung in den Gleichspannungskreis dient. Ein solcher Stromrichter ist entsprechend als ”Gleichrichter” bezeichnet. Das Eingangsspannungssystem wird üblicherweise über einen Transformator gespeist. Der zwischen dem Gleichrichter und dem Wechselrichter gebildete Gleichstromkreis ist auch als ”(Strom-)Zwischenkreis” bezeichnet. Die Kombination des Gleichrichters, des Wechselrichters und des zwischengeschalteten Zwischenkreises ist auch als ”(Stromzwischenkreis-)Umrichter” bezeichnet. Zur Glättung des Zwischenkreisstroms ist in die Plusschiene und/oder in die Minusschiene üblicherweise eine (Zwischenkreis-)Drossel geschaltet.
Die wechselstromseitig mit einem Stromrichter verbundenen Anschlusskabel sind üblicherweise elektrisch geschirmt. Bei diesen Anschlusskabeln, insbesondere bei Motoranschlusskabeln, die jeweils eine Phasenklemme des Wechselrichters mit einer Motorphase des zugehorigen Motors verbinden, kommt es infolge von Schaltvorgängen (Kommutierung) des Stromrichters haufig zu hohen Spannungssteilheiten (d. h. Spannungsänderungen mit steilem Flankenanstieg). Gleiches gilt für die Anschlusskabel zwischen Transformator und Gleichrichter. Diese Spannungsänderungen können aufgrund elektrodynamischer Wechselwirkung zwischen einer stromführenden Leitung und einem Kabelschirm des Anschlusskabels, sowie zwischen dem Kabelschirm und Erdpotential zu mitunter starken Umladeströmen führen, die die Halbleiterschalter des Stromrichters gefährden können. Besonders kritisch sind solche – auch als Kabelschwingung bezeichneten – Kabelumladestrome bei Thyristorstromrichtern, zumal die Thyristorströme unmittelbar nach dem Einschalten aufgrund von Kabelschwingungen ganz oder zumindest nahezu die Nulllinie erreichen konnen, wodurch der betroffene Thyristor fehlerhaft gelöscht und infolgedessen irreversibel geschadigt werden kann.
Kabelschwingungen breiten sich wellenförmig über die Lange des Anschlusskabels aus und werden meist mehrere Male an den Kabelenden reflektiert. Des Weiteren wachsen die auftretenden Kabelumladestrome mit zunehmender Kommutierungsspannung an. Diese Effekte fuhren zu einer besonders starken Auswirkung von Kabelschwingungen bei langen Anschlusskabeln mit einer Kabellänge von typischerweise mehr als 100 m, da in diesem Fall die Laufzeit einer Kabelschwingung über die doppelte Kabellänge gleich oder größer der Flankenanstiegszeit des Kommutierungsstroms ist, und die rucklaufende Kabelschwingung somit bereits auf den vollerstarkten Kommutierungsstrom trifft.
Zum Schutz der Halbleiterschalter gegen Umladeströme werden bei Stromrichtern – insbesondere bei Thyristorstromrichtern – ublicherweise Ferritkerne mit parallel geschaltetem Widerstand um die Wechselstromanschlüsse angeordnet. Die Ferritkerne liefern hierbei eine sättigbare Induktivität, die bis zum Eintritt der Sättigung einen Stromfluss über den Parallelwiderstand erzwingt. Der Parallelwiderstand bewirkt hierbei eine Dampfung der Kabelschwingungen sowie eine Begrenzung der Umladeströme.
Im Bereich der Hochspannung-Gleichstrom-Übertragung werden anstelle von Ferritkernen als Dämpfungsglieder auch Stufendrosseln verwendet. Hierunter werden Drosselspulen aus sättigbarem Magnetmaterial mit einer Z-formigen Hystereseschleife verstanden, denen ein Parallelwiderstand uber eine Sekundarwicklung parallelgeschaltet ist. Die Wirkung von Stufendrosseln entspricht im Wesentlichen der vorstehend beschriebenen Wirkung von Ferritkernen. Beiden Arten von Dämpfungsgliedern ist insbesondere gemein, dass die Dämpfungswirkung nur bis zum Eintritt der Sättigung besteht. Bei sehr großen Kabellangen von etwa uber 300 m können Kabelschwingungen nur unzureichend mit den üblichen Dampfungsgliedern beherrscht werden, zumal die Laufzeit der Kabelschwingungen über die doppelte Kabellänge die typischen Sättigungszeiten übersteigen.
Insbesondere bei Kabellängen zwischen 700 m und 1500 m, wie typischerweise zum Beispiel in der Gasindustrie oder bei Untersee-Anwendungen mit zunehmender Haufigkeit benötigt werden, mussten eine Vielzahl üblicher Dampfungsglieder eingesetzt werden, um gefahrliche Kabelschwingungen effektiv zu unterbinden, was zu einem unverhältnismäßig hohen Herstellungsaufwand fur ein solches Kabel führen würde. Hinzu kommt, dass solche extremen Kabellängen wegen des induktiven Spannungsabfalls eine höhere Kommutierungsdauer sowie hohe Kabelladungen implizieren, die bei jedem Schaltvorgang umgeladen werden mussen.
In der Nachrichtentechnik werden Reflektionen von Kabelschwingungen vermieden, indem die Kabel an jedem Kabel mit einem Abschlusswiderstand abgeschlossen werden, der betragsmäßig dem Wellenwiderstand des Kabels entspricht. Eine solche Lösung ist bei einem Anschlusskabel fur einen Stromrichter, bei dem es sich seiner Natur nach um ein Energieübertragungskabel handelt, regelmaßig nicht sinnvoll, zumal durch derartige Abschlusswiderstande Dauerverluste entstehen würden, die wirtschaftlich nicht tragbar wären.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Stromrichter auf einfach realisierbare und effektive Weise gegen das Auftreten gefährlicher Kabelschwingungen eines wechselstromseitig angeschlossenen Anschlusskabels zu schützen, wobei dieser Schutz insbesondere auch bei großer Kabellänge des Anschlusskabels vorteilhaft einsetzbar sein soll.
Bezüglich eines Anschlusskabels fur einen Stromrichter wird diese Aufgabe erfindungsgemaß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Danach umfasst das Anschlusskabel eine stromführende Leitung und einen diese umgebenden Kabelschirm, wobei dieser Kabelschirm an beiden Kabelenden einen Erdungsanschluss zur Verbindung des Kabelschirms mit Erdpotential aufweist. Erfindungsgemaß ist dabei mindestens einem der beiden Erdungsanschlüsse ein Impedanzglied zugeordnet, über das der Kabelschirm mit dem Erdpotential verbindbar ist. Als Impedanzglied wird hierbei ein elektrisches oder elektronisches Bauteil oder eine aus mehreren solcher Bauteilen gebildete Schaltung verstanden, wobei das Bauteil bzw. die Schaltung einen definierten Wechselstromwiderstand (Impedanz) aufweist.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass bei einem Kabelschirm, der an beiden Kabelenden mit Erdpotential verbunden ist, der Umladestrom auch über die zugehörigen Erdungsanschlüsse fließt, so dass der Umladestrom durch das dem Erdungsanschluss vorgeschaltete Impedanzglied effektiv gedampft werden kann. Erkanntermaßen fließen innerhalb des Kabelschirms, und damit auch über die Erdungsanschlusse nur dann Strome, wenn das Kabel umgeladen wird; also nur dann, wenn die Dampfung auch benötigt wird. Im stationaren Betrieb des Anschlusskabels fließen uber den Kabelschirm und dessen Erdungsanschlüsse dagegen keine Ströme, so dass das erfindungsgemäß angeordnete Impedanzglied in diesem Fall auch keine Verlustleistung erzeugt. Die vorstehend beschriebene Lösung ist dabei insbesondere einfach und preisgünstig realisierbar.
In einfacher, preiswerter und dennoch effektiver Ausfuhrung der Erfindung handelt es sich bei dem Impedanzglied um einen ohmschen Widerstand.
Für eine besonders effektive Dampfung der Kabelschwingung ist der als Impedanzglied verwendete Widerstand dabei vorzugsweise derart groß dimensioniert, dass sein Widerstandsbetrag den Wellenwiderstand des Anschlusskabels ubersteigt. In bevorzugter Dimensionierung hat der Widerstand insbesondere einen Widerstandsbetrag zwischen 5 Ohm und 100 Ohm, vorzugsweise etwa 10 Ohm.
Anstelle eines Impedanzglieds mit rein ohmschem Widerstand kann aber grundsätzlich auch ein Impedanzglied verwendet werden, dass neben einem ohmschen Anteil einen kapazitiven und/oder induktiven Anteil aufweist. Ein solches Impedanzglied kann beispielsweise als Saugkreis ausgebildet sein.
Im Sinne einer besonders effektiven Bedampfung des Anschlusskabels ist vorzugsweise beiden Erdungsanschlüssen des Kabels ein Impedanzglied, insbesondere in Form eines ohmschen Widerstandes zugeordnet. Für manche Anwendungen kann es aber notwendig sein, den Kabelschirm stationär direkt auf Erdpotential zu legen, so dass eine beidseitige Anbindung des Kabelschirms über Impedanzglieder nicht in Frage kommt. In diesem Fall ist vorzugsweise nur das ”stromrichternahe” Kabelende, d. h. dasjenige Kabelende, das zum Anschluss an den Stromrichter vorgesehen ist, mit einem Impedanzglied versehen. Dem anderen „stromrichterfernen” Kabelende ist dagegen kein Impedanzglied zugeordnet, so dass der Kabelschirm an diesem Kabelende mittels des dortigen Erdungsanschlusses unmittelbar auf Erdpotential legbar ist.
Die beiden Kabelenden sind in diesem Fall zweckmäßigerweise verschieden ausgebildet, so dass das stromrichternahe und mit dem Impedanzglied ausgerüstete Kabelende von dem stromrichterfernen Kabelende unterscheidbar ist. Insbesondere sind das stromrichterferne Kabelende und das stromrichternahe Kabelende daher mit verschiedenen, zueinander inkompatiblen Anschlussverbindern vorkonfektioniert, von denen nur der dem stromrichternahen Kabelende zugeordnete Anschlussverbinder mit dem Stromrichter kontaktierbar ist. Alternativ hierzu kann die Verschiedenartigkeit der beiden Kabelenden aber auch lediglich in einer unterschiedlichen Markierung dieser Enden bestehen.
Das oder jedes Impedanzglied kann einen untrennbaren Bestandteil des jeweiligen Anschlusskabels bilden. Alternativ hierzu kann aber auch vorgesehen sein, dass das oder zumindest eines von zwei Impedanzgliedern dem Anschlusskabel als losbarer und reversibel montierbarer bzw. demontierbarer Bestandteil zugeordnet sein kann. Beispielsweise ist das Impedanzglied als Anschlussadapter ausgebildet, der mit einem einem korrespondierenden Kabelende lösbar kontaktierbar ist.
Die erfindungsgemäße Anbindung des Kabelschirms über ein oder zwei Impedanzglieder kann grundsätzlich bei Anschlusskabeln beliebiger Länge vorgesehen sein. Besonders vorteilhaft ist diese kabelschwingungsdampfende Anbindung des Kabelschirms aber bei langen Anschlusskabeln. In der vorrangig verfolgten Ausführungsform hat das Anschlusskabel daher eine Kabellänge von mehr als 200 m. Insbesondere kann die Kabellänge auch im Bereich zwischen 700 m und 1500 m liegen.
Die obige Aufgabe wird des Weiteren gelöst durch eine Einrichtung, die einen Stromrichter und mindestens ein damit verbundenes Anschlusskabel umfasst. Bei dem Anschlusskabel handelt es sich hierbei insbesondere um ein Motoranschlusskabel, das zwischen einer Phasenklemme des Stromrichters und einer Motorphase verschaltet ist. Alternativ kann das Anschlusskabel auch einer Stromrichterphase und einer Phase der Sekundarwicklung eines Transformators zwischengeschaltet sein. Das Anschlusskabel umfasst hierbei eine stromführende Leitung sowie einen diese umgebenden Kabelschirm, wobei der Kabelschirm an beiden Kabelenden mittelbar oder unmittelbar mit Erdpotential verbunden ist. An mindestens einem der beiden Kabelenden ist dem Kabelschirm und dem Erdpotential hierbei ein Impedanzglied zwischengeschaltet.
Bei dem Anschlusskabel der Einrichtung kann es sich hierbei um das vorstehend beschriebene, erfindungsgemäße Anschlusskabel handeln, das mindestens ein Impedanzglied als untrennbaren oder lösbaren Kabelbestandteil umfasst. Im Rahmen der Einrichtung konnen das oder jedes Impedanzglied aber abweichend hiervon auch als kabelexterne Bestandteile vorgesehen sein. Insbesondere kann das Impedanzglied als interne Bestandteil des Stromrichters und/oder eines an dem umrichterfernen Kabelende angeschlossenen technischen Geräts, insbesondere eines Motors oder Transformator ausgebildet sein. Das Impedanzglied ist hierbei wiederum vorzugsweise nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsvarianten ausgebildet. Insbesondere wird als Impedanzglied auch im Rahmen der Einrichtung vorzugsweise ein ohmscher Widerstand verwendet, dessen Widerstandsbetrag in zweckmaßiger Dimensionierung den Wellenwiderstand des Anschlusskabels ubersteigt. Sofern nur einem Kabelende des Anschlusskabels ein Impedanzglied zugeordnet ist, ist dieses wiederum vorzugsweise mit dem stromrichternahen Kabelende verschaltet. Auch im Rahmen der Einrichtung hat das Anschlusskabel bevorzugt eine Kabellänge von mehr als 200 m, insbesondere zwischen 700 m und 1500 m.
Der Stromrichter ist vorzugsweise als Thyristorstromrichter ausgebildet.
Nachfolgend wird ein Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher beschrieben. Darin zeigen:
1 in einem schematischen Blockschaltbild einen dreiphasigen Motor mit vorgeschaltetem Umrichter sowie drei den Motor mit dem Umrichter verbindenden Anschlusskabeln, und
2 in einem schematischen Blockschaltbild zwei der drei Anschlusskabel mit daran angeschlossenen Motorphasen des Motors sowie ebenfalls daran angeschlossenen Teilbrücken des Umrichters.
1 zeigt grob schematisch vereinfacht eine nachfolgend als Antriebssystem 1 bezeichnete Einrichtung mit einem Motor 2 und einem diesem vorgeschalteten (Stromzwischenkreis-)Umrichter 3, der über einen wiederum vorgeschalteten (Netz-)Transformator 4 mit einem Stromnetz 5 verbunden ist. Der Umrichter 3 ist wiederum aus zwei Stromrichtern, namlich einem netzseitigen Gleichrichter 6 und einem motorseitigen Wechselrichter 7 gebildet, denen ein (Strom-)Zwischenkreis 8 zwischengeschaltet ist.
Der Motor 2 umfasst einen (in der Darstellung lediglich schematisch angedeuteten) Ständer 9, der mit einer Drehfeldwicklung 10 bewickelt ist. Die Drehfeldwicklung 10 umfasst drei Wicklungsstränge, die nachfolgend als Motorphasen L1, L2 und L3 bezeichnet sind. Die Motorphasen L1, L2 und L3 sind motorintern in einem Sternpunkt 11 zusammengeschlossen. Der in jeder der Motorphasen L1–L3 jeweils fließende elektrische Strom ist nachfolgend als Phasenstrom I_L1, I_L2 bzw. I_L3 bezeichnet. Die an jeder der Motorphasen L1, L2 und L3 jeweils anliegende elektrische Spannung ist nachfolgend als Phasenspannung U_L1, U_L2 bzw. U_L3 bezeichnet.
Der Motor 2 umfasst ferner einen (nicht explizit dargestellten) Laufer, der drehbar um eine Läuferachse in dem Ständer 9 angeordnet ist.
Der Wechselrichter 7 umfasst drei Teilbrücken 12a, 12b und 12c, die parallel zueinander jeweils zwischen eine Plusschiene 13 und eine Minusschiene 14 des Zwischenkreises 8 geschaltet sind. Innerhalb jeder Teilbrucke 12a–12c ist jeweils ein als (Motor-)Phasenklemme 15a, 15b bzw. 15c bezeichneter Mittelabgriff angeordnet, mit dem jeweils eine zugeordnete Motorphase L1–L3 über eine (Motor-)Anschlussleitung 16a, 16b bzw. 16c elektrisch verbunden ist. So sind die

– Motorphase L1 über die Anschlussleitung 16a mit der Phasenklemme 15a der Teilbrücke 12a,
– die Motorphase L2 uber die Anschlussleitung 16b mit der Phasenklemme 15b der Teilbrücke 12b, und
– die Motorphase L3 über die Anschlussleitung 16c mit der Phasenklemme 15c der Teilbrucke 12c verbunden.

Zwischen der Phasenklemme 15a–15c und der Plusschiene 13 umfasst jede Teilbrücke 12a–12c einen Halbleiterschalter 17a, 17b bzw. 17c. Zwischen der jeweiligen Phasenklemme 15a–15c und der Minusschiene 14 umfasst jede Teilbrücke 12a–12c jeweils einen weiteren Halbleiterschalter 18a, 18b bzw. 18c. Die Halbleiterschalter 17a–17c und 18a–18c sind jeweils durch einen Thyristor gebildet, wobei diese Thyristoren jeweils in Durchlassrichtung in die im Zwischenkreis 8 vorgegebene Stromrichtung geschaltet sind. In der Minusschiene 14 ist eine Zwischenkreisdrossel 34 angeordnet.
Ebenso wie der Wechselrichter 7 umfasst auch der Gleichrichter 6 drei Teilbrucken 19a–19c, die parallel zueinander zwischen die Plusschiene 13 und die Minusschiene 14 des Zwischenkreises 8 geschaltet sind. Ein nachfolgend als (Netz-)Phasenklemme 20a–20c bezeichneter Mittelabgriff einer jeden Teilbrucke 19a–19c ist hierbei uber eine zugehörige (Netz-)Anschlussleitung 21a–21c mit einem zugehörigen Phasenanschluss des Transformators 4 verbunden. Zwischen der jeweiligen Phasenklemme 20a–20c und der Plusschiene 13 umfasst jede Teilbrücke 19a–19c jeweils einen Halbleiterschalter 22a, 22b bzw. 22c. Zwischen der jeweiligen Phasenklemme 20a–20c und der Minusschiene 14 ist in der jeweiligen Teilbrücke 19a–19c jeweils ein Halbleiterschalter 23a, 23b bzw. 23c angeordnet. Bei den Halbleiterschaltern 22a–22c und 23a–23c handelt es sich wiederum um Thyristoren, die – ebenso wie die Halbleiterschalter 17a–17c und 18a–18c des Wechselrichters 7 – mit ihrer Durchlassrichtung in die im Zwischenkreis 8 vorgegebene Stromrichtung geschaltet sind.
Die Halbleiterschalter 17a–17c und 18a–18c des Wechselrichters 7 sowie die Halbleiterschalter 22a–22c und 23a–23c des Gleichrichters 6 sind durch eine gemeinsame Steuereinheit angesteuert. Bei dieser (nicht naher dargestellten) Steuereinheit handelt es sich insbesondere um einen Mikrocontroller.
2 zeigt beispielhaft die zwei Motoranschlussleitungen 16a und 16b sowie die motorseitig daran angeschlossenen Motorphasen L1 bzw. L2 sowie den mit der Minusschiene 14 verbundenen Abschnitt der Teilbrucken 12a und 12b. In dem dargestellten Beispiel ist jede der Anschlussleitungen 16a–16c in einem – separat geschirmten – (Anschluss-)Kabel 24 ausgebildet. Jedes Kabel 24 umfasst demnach zusätzlich zu der (stromführenden) Anschlussleitung 16a–16c einen Kabelschirm 25, der diese Anschlussleitung 16a–16c umgibt. Die Anschlussleitung 16a–16c und der zugehörige Kabelschirm 25 sind durch eine (nicht explizit dargestellte) Isolierung elektrisch voneinander getrennt. Der Leistungsschirm 25 ist von einer (ebenfalls nicht explizit dargestellten) weiteren Isolierung umgeben, die diesen Kabelschirm 25 elektrisch gegenüber der Umwelt isoliert und die das Kabel 24 vor Witterungseinflüssen, insbesondere Feuchtigkeit schutzt.
Die der dritten Motorphase L3 zugeordnete Anschlussleitung 16c ist in einem weiteren Anschlusskabel 24 ausgebildet, dass vom Aufbau her den dargestellten Anschlusskabeln 24 entspricht, und das lediglich aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit in 2 nicht mit dargestellt ist.
Zum Schutz der Halbleiterschalter 17a–17c und 18a–18c des Wechselrichters 7 ist jeder der Anschlussleitungen 16a–16c umrichterseitig ein Dämpfungsglied 26 vorgeschaltet. Jedes Dämpfungsglied 26 wird hierbei durch eine Sättigungsdrossel 27, insbesondere in Form eines mit der jeweiligen Anschlussleitung 16a–16c umwickelten Ferritkerns, gebildet, wobei dieser Sattigungsdrossel 27 jeweils ein Dampfungswiderstand 28 parallelgeschaltet ist. Eine im Schaltbild gemäß 2 seriell zum Dämpfungswiderstand 28 geschaltete Induktivität 29 stellt die parasitäre Induktivität des Dampfungswiderstands 28 und der Zuleitungen dar.
Als zusätzliches Mittel zur Dämpfung von Kabelschwingungen sind jedem Anschlusskabel 24 je zwei Impedanzglieder 32 zugeordnet, über die Schirmanschlussklemmen 35 des Kabelschirms 25 des jeweiligen Anschlusskabels 24 an beiden Kabelenden, nämlich einem motorseitigen Kabelende 30 sowie einem umrichterseitigen Kabelende 31, jeweils mit Erdpotential E verbunden ist. Die Impedanzglieder 32 sind in dem dargestellten Ausführungsbeispiel jeweils als ohmscher Widerstand ausgebildet und dem Kabelschirm 25 und einem zugehörigen Erdungsanschluss 33 zwischengeschaltet.
Im Betrieb des in den 1 und 2 dargestellten Antriebssystems 1 wird durch den Transformator 4 eine aus dem Stromnetz 5 zur Verfügung gestellte, dreiphasige Wechselspannung U_N in eine ebenfalls dreiphasige transformierte Spannung U_T transformiert. Diese transformierte Spannung U_T wird uber die Netzanschlussleitungen 21a–21c und die Phasenklemmen 20a–20c dem Gleichrichter 6 zugeführt, der diese Spannung U_T gleichrichtet und entsprechend eine – zumindest naherungsweise konstante – Zwischenkreisspannung U_ZN in den Zwischenkreis 8 einspeist. Diese Zwischenkreisspannung U_ZN hangt von der Ansteuerung des Gleichrichters 6 ab und kann sowohl positive als auch negative Werte annehmen. Aufgrund der Zwischenkreisdrossel 34 fließt im Zwischenkreis 8 ein stark geglatteter Gleichstrom I_Z. Zwischen einem der Zwischenkreisdrossel 34 und dem Wechselrichter 7 zwischengeschalteten Teil der Minusschiene 14 und der Plusschiene 13 liegt eine Zwischenkreisspannung U_ZM an.
Mittels des Wechselrichters 7 wird der Zwischenkreisstrom I_Z zyklisch wechselnd auf die drei Phasen L1 bis L3 des Motors geschaltet. Dabei sind 120°-Blocke in positiver und negativer Richtung im Motorstrom üblich, was bedeutet, dass außerhalb der Kommutierung stets nur in zwei der drei Phasen L1 bis L3 Strom fließt. Es sind also stets nur ein Halbleiterschalter 17a bis 17c, der mit der Plusschiene 13 verbunden ist, und ein Halbleiterschalter 18a bis 18c, der mit der Minusschiene 14 verbunden ist, leitend, wobei die beiden leitenden Halbleiterschalter 17a–17c bzw. 18a–18c zu unterschiedlichen Teilbrucken 12a bis 12c gehören.
Zum Kommutierungszeitpunkt wechselt der Strom von einer Motorphase L1 bis L3 zur nachsten. An jeder Kommutierung sind jeweils nur Halbleiterschalter 17a–17c oder 18a–18c beteiligt, die entweder mit der Minusschiene 14 oder mit der Plusschiene 13 verbunden sind. Der Beginn der Kommutierung wird durch die Ansteuerung des entsprechenden Halbleiterschalters 17a–17c bzw. 18a–18c bestimmt. Wahrend der Kommutierung sind zwei Phasen des Motors durch die an der Kommutierung beteiligten Halbleiterschalter 17a–17c, 18a–18c kurzgeschlossen. Dabei treiben die Phasenspannungen U_L1 bis U_L3 der an der Kommutierung beteiligten Motorphasen L1 bis L3 den Stromübergang von einer Phase auf die nächste. Die Kommutierung endet, wenn der jeweilige Phasenstrom I_L1–I_L3 Null erreicht. Außerhalb der Kommutierung liegt zwischen zwei Phasenklemmen 15a–15c des Wechselrichters 7 die verkettete Motorspannung an. Zu Beginn der Kommutierung springt diese auf Null.
Infolge des Spannungssprungs zwischen den Anschlussklemmen 15a–15c zu Beginn der Kommutierung kommt es in den jeweils zugehörigen Anschlusskabeln 24 zu Umladestromen, die den infolge der Kommutierung einsetzenden Phasenstrom I_L1–I_L3 signifikant beeinflussen. Aufgrund der – insbesondere bei größerer Kabellänge – nicht vernachlassigbaren Wellenlaufzeit des jeweiligen Anschlusskabels 24 breiten sich diese Umladeströme wellenformig über die Kabellänge aus.
In 2 sind die elektrodynamischen Eigenschaften der Kabel 24 jeweils in einem Ersatzschaltbild durch zwei parallele Kettenleiter K1 und K2 nachgebildet. Der innere Kettenleiter K1 setzt sich hierbei aus dem Induktivitatsbelag der Anschlussleitung 16a–16c und dem zwischen dieser Anschlussleitung 16a–16c und dem Kabelschirm 25 gebildeten Kapazitatsbelag zusammen. Der außere Kettenleiter K2 setzt sich entsprechend aus dem Induktivitätsbelag des Kabelschirms 25 und dem Kapazitatsbelag zwischen dem Kabelschirm 25 und Erdpotential E zusammen. Der Induktivitäts- und Kapazitätsbelag des Kettenleiters K1 ist hierbei im Wesentlichen durch die Kabelgeometrie und die Materialeigenschaften des Anschlusskabels 24 bestimmt und lasst sich dementsprechend berechnen. Der Induktivitäts- und Kapazitatsbelag des Kettenleiters K2 hängt dagegen stark von der Kabelverlegung ab. Gemeinsam bestimmen die Induktivitäts- und Kapazitatsbeläge die Welleneigenschaften des jeweiligen Kabels 24, von denen wiederum die Umladeströme des Kabels 24 und deren Propagation über die Kabellänge abhangen. Die sich wellenförmig innerhalb der Kabel 24 ausbreitenden Umladestrome werden auch als Kabelschwingungen bezeichnet.
Im Gegensatz zu Nachrichtenkabeln sind die Anschlusskabel 24 zur Vermeidung von Verlustleistung an keinem ihrer beiden Kabelenden 30 und 31 durch den Wellenwiderstand abgeschlossen. In Abwesenheit von speziellen Dampfungseinrichtungen wurden die Kabelschwingungen daher an den Kabelenden 30 und 31 vielfach reflektiert, wodurch eine starke und nur schwach gedampfte Fluktuation der durch die Halbleiterschalter 18a, 18b fließenden Strome verursacht wurde. Konkret überlagern sich in den in 2 beispielhaft dargestellten Halbleiterschaltern 18a und 18b während der Kommutierung des jeweiligen Schalters 18a bzw. 18b drei Stromanteile, namlich

– der einsetzende Laststrom, dessen Anstieg durch die Kommutierungsinduktivität des Umrichters 3 begrenzt wird,
– der Umladestrom der umrichterinternen Beschaltungsimpedanz, die in dem Ersatzschaltbild gemäß 2 durch Beschaltungskapazitäten C_B und dessen seriell geschaltete Beschaltungswiderstände R_B angedeutet ist,
– die Kabelumladeströme.

Infolge der Umladeströme kann es hierbei dazu kommen, dass die durch die Halbleiterschalter 18a bzw. 18b fließenden Strome nach der Kommutierung kurzzeitig auf verschwindende oder nur sehr geringe Werte zuruckschwingen. Dies kann insbesondere bei einem Thyristorumrichter, wie er in 1 dargestellt ist, gefahrlich sein, zumal es in diesem Fall zu einer fehlerhaften, vorzeitigen Löschung des zuletzt kommutierten Thyristors kommen kann. Dies führt regelmäßig zu einer irreversibelen Schadigung des betroffenen Thyristors.
Durch die den Anschlusskabeln 24 vorgeschalteten Dämpfungsglieder 26 werden die Kabelschwingungen in einer Anfangsphase nach der Kommutierung des jeweiligen Halbleiterschalters 17a bzw. 17b effektiv gedämpft, zumal der Phasenstrom I_L2 bis zum Eintritt der Sattigung der Sättigungsdrosseln 27 uber den Dämpfungswiderstand 28 und die parasitare Induktivität 29 geleitet wird. Zur darüber hinausgehenden Dampfung der Kabelschwingungen dienen die Impedanzglieder 32, über die die Umladeströme aufgrund des beidendseitig mit Erdpotential E verbundenen Kabelschirms 25 fließen müssen.
Die durch die Impedanzglieder 32 verursachte Dampfung der Kabelschwingungen besteht insbesondere auch nach Eintritt der Sättigung der Sattigungsdrosseln 27 fort. Die erfindungsgemäße Anbindung des Kabelschirms 25 ist daher besonders vorteilhaft bei sehr langen Kabeln mit einer Kabellänge von mindestens 200 bis 300 m und entsprechend langer Laufzeit der Kabelschwingung.
Die als Impedanzglieder 32 eingesetzten Widerstände haben in zweckmäßiger Dimensionierung einen Betrag von beispielsweise 10 Ohm. Da die an den Impedanzgliedern 32 bei einem Kommutierungsprozess typischerweise umgesetzte Energie im Bereich von 0,5 bis 5 kW liegen kann, ist den Impedanzgliedern 32 vorzugsweise eine passive oder aktive Kuhlung zugeordnet.
Die Impedanzglieder 32 sind vorzugsweise als untrennbare Bestandteile des jeweiligen Kabels 24 ausgebildet. Insbesondere sind die Impedanzglieder 32 in Anschlussenden integriert, uber die das jeweilige Anschlusskabel 24 mit der zugehörigen Motorphase L1–L3 bzw. der zugehorigen Phasenklemme 15a–15c des Wechselrichters 7 verbunden ist. Allerdings können die Impedanzglieder 32 auch als lösbare Bestandteile des jeweiligen Anschlusskabels 24 ausgebildet sein, beispielsweise als Adapter, der lösbar mit dem jeweiligen Kabelende 30 bzw. 31 verbindbar ist. In einer weiteren Alternative können die Impedanzglieder 32 auch als Bestandteile des Umrichters 3 bzw. des Motors 2 ausgebildet sein.
In einer (nicht näher dargestellten) Ausführungsvariante des Antriebssystems 1 sind die Impedanzglieder 32 an dem jeweils motorseitigen Kabelende 30 eines jeden Anschlusskabels 24 weggelassen. Der motorseitige Erdungsanschluss 33 des jeweiligen Leiterschirms 25 ist in dieser Ausfuhrungsvariante vielmehr direkt mit dem Erdpotential E verbunden. Das verbleibende Impedanzglied 32 an dem jeweils umrichterseitigen Kabelende 31 ist bei dieser Ausführungsform entsprechend größer dimensioniert.
Die vorstehend beschriebenen Ausfuhrungsbeispiele beschranken den Umfang der geschützten Erfindung nicht. Vielmehr können von dem Fachmann eine Vielzahl weiterer Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung gefunden werden.

Claims

Anschlusskabel (24) fur einen Stromrichter (7), mit einer stromfuhrenden Leitung (16a–16c) und einem diese umgebenden Kabelschirm (25), wobei der Kabelschirm (25) an beiden Kabelenden (30, 31) einen Erdungsanschluss (33) zur Verbindung des Kabelschirms (25) mit Erdpotential (E) aufweist, und wobei mindestens einem der beiden Erdungsanschlusse (33) und dem Kabelschirm (25) ein Impedanzglied (32) zwischengeschaltet ist.
Anschlusskabel (24) nach Anspruch 1, wobei das Impedanzglied (32) ein ohmscher Widerstand ist.
Anschlusskabel (24) nach Anspruch 2, wobei der Widerstand einen den Wellenwiderstand des Anschlusskabels (24) ubersteigenden Widerstandsbetrag aufweist.
Anschlusskabel (24) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit einem stromstrichternahen Kabelende (31) und einem davon verschiedenen stromrichterfernen Kabelende (30), wobei das Impedanzglied (32) dem stromrichternahen Kabelende (31) zugeordnet ist.
Anschlusskabel (24) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit einer Kabellänge von mehr als 200 m.
Einrichtung (1) mit einem Stromrichter (7) und mindestens einem damit verbundenen Anschlusskabel (24), wobei das Anschlusskabel (24) eine stromführende Leitung (16a–16c) und einen diese umgebenden Kabelschirm (25) umfasst, wobei der Kabelschirm (25) an beiden Kabelenden (30, 31) mit Erdpotential (E) kontaktiert ist, und wobei an mindestens einem der Kabelenden (30, 31) dem Kabelschirm (25) und dem Erdpotential (E) ein Impedanzglied (32) zwischengeschaltet ist.
Einrichtung (1) nach Anspruch 6, wobei das Impedanzglied (32) ein ohmscher Widerstand ist.
Einrichtung (1) nach Anspruch 7, wobei der Widerstand einen den Wellenwiderstand des Anschlusskabels (24) übersteigenden Widerstandsbetrag aufweist.
Einrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Impedanzglied (32) mit einem stromstrichternahen Kabelende (31) des Anschlusskabels (24) verschaltet ist.
Einrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Anschlusskabel (24) eine Kabellänge von mehr als 200 m aufweist.
Einrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Stromrichter (7) als Thyristorstromrichter ausgebildet ist.