DE102017220109A1 - power converters - Google Patents

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Manfred Tinebor
Torsten Pieper
Martin Ehlich
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Lenze SE
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Lenze Automation GmbH
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Abstract

Stromrichter (1), der zum Ansteuern eines elektrischen Verbrauchers (2) ausgebildet ist, wobei der Stromrichter (1) aufweist:
- eine Anzahl von Wechselrichter-Halbbrücken (3, 4, 5) mit jeweils mindestens zwei Schaltmitteln (6, 7; 8, 9; 10, 11), wobei die Wechselrichter-Halbbrücken (3, 4, 5) jeweils einen ersten Zustand aufweisen, während dem ein Ausgang (12, 13, 14) der jeweiligen Wechselrichter-Halbbrücke (3, 4, 5) mit einem positiven Zwischenkreispotential (UZK_P) verbunden ist, und jeweils einen zweiten Zustand aufweisen, während dem ein Ausgang (12, 13, 14) der jeweiligen Wechselrichter-Halbbrücke (3, 4, 5) mit einem negativen Zwischenkreispotential (UZK_N) verbunden ist, wobei ein Ausgang (12, 13, 14) der jeweiligen Wechselrichter-Halbbrücke (3, 4, 5) mit einem zugehörigen Anschluss (u, v, w) des elektrischen Verbrauchers (2) verbunden ist,
- eine erste Filter-Halbbrücke (15) mit mindestens zwei Schaltmitteln (16, 17), wobei die erste Filter-Halbbrücke (15) einen ersten Zustand aufweist, während dem ein Ausgang (18) der ersten Filter-Halbbrücke (15) mit dem positiven Zwischenkreispotential (UZK_P) verbunden ist, und einen zweiten Zustand aufweist, während dem der Ausgang (18) der ersten Filter-Halbbrücke (15) mit dem negativen Zwischenkreispotential (UZK_N) verbunden ist,
- ein erstes kapazitives Filterelement (19), das zwischen den Ausgang (18) der ersten Filter-Halbbrücke (15) und ein Erdpotential eingeschleift ist, und
- eine Steuereinheit (20), die dazu ausgebildet ist, den Zustand der ersten Filter-Halbbrücke (15) in Abhängigkeit von den Zuständen der Wechselrichter-Halbbrücken (3, 4, 5) einzustellen.

Figure DE102017220109A1_0000
Power converter (1), which is designed to drive an electrical load (2), wherein the power converter (1) comprises:
- A number of inverter half-bridges (3, 4, 5) each having at least two switching means (6, 7, 8, 9, 10, 11), wherein the inverter half-bridges (3, 4, 5) each having a first state in which an output (12, 13, 14) of the respective inverter half-bridge (3, 4, 5) is connected to a positive intermediate circuit potential (UZK_P) and each have a second state, during which an output (12, 13, 14) of the respective inverter half-bridge (3, 4, 5) is connected to a negative intermediate circuit potential (UZK_N), wherein an output (12, 13, 14) of the respective inverter half-bridge (3, 4, 5) with an associated terminal (u, v, w) of the electrical load (2) is connected,
- A first filter half-bridge (15) having at least two switching means (16, 17), wherein the first filter half-bridge (15) has a first state, during which an output (18) of the first filter half-bridge (15) with the positive DC link potential (UZK_P) is connected, and has a second state, during which the output (18) of the first filter half-bridge (15) is connected to the negative DC link potential (UZK_N),
- A first capacitive filter element (19), which is looped between the output (18) of the first filter half-bridge (15) and a ground potential, and
- A control unit (20) adapted to adjust the state of the first filter half-bridge (15) in dependence on the states of the inverter half-bridges (3, 4, 5).
Figure DE102017220109A1_0000

Description

Die Erfindung betrifft einen Stromrichter.The invention relates to a power converter.

Herkömmliche Stromrichter, beispielsweise in Form von Wechselrichtern oder Frequenzumrichtern, verwenden zur Spannungs- und Frequenzstellung an den angeschlossenen Drehstrommotoren typisch eine B6-Brückenschaltung (in einem weiten Leistungsbereich ausgeführt als IGBT-Modul mit 6 Schaltern und 6 Freilaufdioden).Conventional power converters, for example in the form of inverters or frequency converters, typically use a B6 bridge circuit (designed in a wide power range as IGBT module with 6 switches and 6 freewheeling diodes) for the voltage and frequency position on the connected three-phase motors.

Aufgrund der ungeraden Anzahl an Wechselrichterzweigen ist eine Summe der Wechselrichterausgangsspannungen grundsätzlich ungleich null. Die vorhandene Summenspannung treibt einen Erdkoppelstrom, der sich über das Netz schließt. Der Erdkoppelstrom verursacht Störungen und lässt Fehlerstrom(FI)-Schutzschalter auslösen.Due to the odd number of inverter branches, a sum of the inverter output voltages is generally not equal to zero. The existing total voltage drives a ground current that closes across the grid. The earth leakage current causes faults and triggers fault current (RCD) circuit breakers.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Stromrichter zur Verfügung zu stellen, der möglichst wenige Störungen verursacht, insbesondere möglichst geringe Fehlerströme verursacht.The invention has for its object to provide a power converter available that causes the least possible interference, in particular causes the lowest possible fault currents.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch einen Stromrichter nach Anspruch 1.The invention solves this problem by a power converter according to claim 1.

Der erfindungsgemäße Stromrichter, beispielsweise in Form eines Frequenzumrichters, ist zum Ansteuern eines elektrischen Verbrauchers, beispielsweise in Form eines Drehstrommotors, ausgebildet.The power converter according to the invention, for example in the form of a frequency converter, is designed to drive an electrical load, for example in the form of a three-phase motor.

Der Stromrichter weist herkömmlich eine Anzahl, beispielsweise drei, von Wechselrichter-Halbbrücken mit jeweils mindestens zwei Schaltmitteln auf. Die Schaltmittel sind typisch Halbleiterschaltmittel, beispielsweise IGBTs. Insoweit sei auch auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen.The power converter conventionally has a number, for example three, of inverter half-bridges each having at least two switching means. The switching means are typically semiconductor switching means, for example IGBTs. In that regard, reference is also made to the relevant specialist literature.

Die Wechselrichter-Halbbrücken weisen jeweils einen ersten (Schalt-) Zustand auf, während dem ein Ausgang der jeweiligen Wechselrichter-Halbbrücke mit einem positiven Zwischenkreispotential verbunden ist. Die Wechselrichter-Halbbrücken weisen jeweils einen zweiten Zustand auf, während dem ein Ausgang der jeweiligen Wechselrichter-Halbbrücke mit einem negativen Zwischenkreispotential verbunden ist. Insoweit sei auch auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen.The inverter half-bridges each have a first (switching) state, during which an output of the respective inverter half-bridge is connected to a positive intermediate circuit potential. The inverter half-bridges each have a second state, during which an output of the respective inverter half-bridge is connected to a negative DC link potential. In that regard, reference is also made to the relevant specialist literature.

Ein Ausgang der jeweiligen Wechselrichter-Halbbrücke ist mit einem jeweils zugehörigen Anschluss des elektrischen Verbrauchers verbunden.An output of the respective inverter half-bridge is connected to a respectively associated terminal of the electrical load.

Der Stromrichter weist weiter eine erste Filter-Halbbrücke mit mindestens zwei Schaltmitteln auf, beispielsweise in Form von Halbleiterschaltmitteln. Die erste Filter-Halbbrücke weist einen ersten Zustand auf, während dem ein Ausgang der ersten Filter-Halbbrücke mit dem positiven Zwischenkreispotential verbunden ist, und weist einen zweiten Zustand auf, während dem der Ausgang der ersten Filter-Halbbrücke mit dem negativen Zwischenkreispotential verbunden ist.The power converter further has a first filter half-bridge with at least two switching means, for example in the form of semiconductor switching means. The first filter half-bridge has a first state, during which an output of the first filter half-bridge is connected to the positive intermediate circuit potential, and has a second state, during which the output of the first filter half-bridge is connected to the negative intermediate circuit potential.

Der Stromrichter weist weiter ein erstes kapazitives Filterelement auf, das zwischen den Ausgang der ersten Filter-Halbbrücke und Erdpotential (Erde) eingeschleift ist.The power converter further includes a first capacitive filter element connected between the output of the first filter half-bridge and ground potential (ground).

Der Stromrichter weist weiter eine Steuereinheit auf, beispielsweise in Form eines Mikroprozessors und zugehörigem Programmspeicher, die dazu ausgebildet ist, den Zustand der ersten Filter-Halbbrücke in Abhängigkeit von den Zuständen der Wechselrichter-Halbbrücken einzustellen.The power converter further comprises a control unit, for example in the form of a microprocessor and associated program memory, which is adapted to set the state of the first filter half-bridge in dependence on the states of the inverter half-bridges.

In einer Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu ausgebildet, den ersten Zustand der ersten Filter-Halbbrücke einzustellen, wenn eine der Wechselrichter-Halbbrücken den ersten Zustand aufweist, und den zweiten Zustand der ersten Filter-Halbbrücke einzustellen, wenn eine der Wechselrichter-Halbbrücken den zweiten Zustand aufweist.In one embodiment, the control unit is configured to set the first state of the first filter half-bridge when one of the inverter half-bridges has the first state, and to set the second state of the first filter half-bridge when one of the inverter half-bridges the second state having.

In einer Ausführungsform entspricht eine Impedanz des kapazitiven Filterelements einer Impedanz zwischen einem Ausgang einer der Wechselrichter-Halbbrücken und Erdpotential.In one embodiment, an impedance of the capacitive filter element corresponds to an impedance between an output of one of the inverter half-bridges and ground potential.

In einer Ausführungsform ist der Stromrichter ein Frequenzumrichter.In one embodiment, the power converter is a frequency converter.

In einer Ausführungsform ist der elektrische Verbraucher ein dreiphasiger Elektromotor, wobei der Stromrichter drei, insbesondere genau drei, Wechselrichter-Halbbrücken aufweist, wobei ein Ausgang der ersten Wechselrichter-Halbbrücke mit einem ersten Phasenanschluss des Elektromotors verbunden ist, ein Ausgang der zweiten Wechselrichter-Halbbrücke mit einem zweiten Phasenanschluss des Elektromotors verbunden ist, und ein Ausgang der dritten Wechselrichter-Halbbrücke mit einem dritten Phasenanschluss des Elektromotors verbunden ist.In one embodiment, the electrical load is a three-phase electric motor, wherein the power converter has three, in particular exactly three, inverter half-bridges, wherein an output of the first inverter half-bridge is connected to a first phase terminal of the electric motor, an output of the second inverter half-bridge a second phase terminal of the electric motor is connected, and an output of the third inverter half-bridge is connected to a third phase terminal of the electric motor.

In einer Ausführungsform weist der Stromrichter weiter eine zweite Filter-Halbbrücke mit mindestens zwei Schaltmitteln auf, wobei die zweite Filter-Halbbrücke einen ersten Zustand aufweist, während dem ein Ausgang der zweiten Filter-Halbbrücke mit dem positiven Zwischenkreispotential verbunden ist, und einen zweiten Zustand aufweist, während dem der Ausgang der zweiten Filter-Halbbrücke mit dem negativen Zwischenkreispotential verbunden ist. Der Stromrichter weist weiter ein zweites kapazitives Filterelement auf, das zwischen den Ausgang der zweiten Filter-Halbbrücke und das Erdpotential eingeschleift ist. Der Stromrichter weist weiter eine dritte Filter-Halbbrücke mit mindestens zwei Schaltmitteln auf, wobei die dritte Filter-Halbbrücke einen ersten Zustand aufweist, während dem ein Ausgang der dritten Filter-Halbbrücke mit dem positiven Zwischenkreispotential verbunden ist, und einen zweiten Zustand aufweist, während dem der Ausgang der dritten Filter-Halbbrücke mit dem negativen Zwischenkreispotential verbunden ist. Der Stromrichter weist weiter ein drittes kapazitives Filterelement auf, das zwischen den Ausgang der dritten Filter-Halbbrücke und das Erdpotential eingeschleift ist. Für diese Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu ausgebildet, einen Zustand der ersten Filter-Halbbrücke, der zweiten Filter-Halbbrücke und der dritten Filter-Halbbrücke in Abhängigkeit von den Zuständen der Wechselrichter-Halbbrücken einzustellen.In one embodiment, the power converter further comprises a second filter half-bridge with at least two switching means, wherein the second filter half-bridge has a first state, during which an output of the second filter half-bridge is connected to the positive DC link potential, and has a second state during which the output of the second filter half-bridge is connected to the negative DC link potential. The power converter further comprises a second capacitive filter element connected between the output of the second filter half-bridge and the ground potential is looped. The power converter further has a third filter half-bridge with at least two switching means, the third filter half-bridge having a first state, during which an output of the third filter half-bridge is connected to the positive DC link potential, and has a second state, during the the output of the third filter half-bridge is connected to the negative DC link potential. The power converter further comprises a third capacitive filter element connected between the output of the third filter half-bridge and the ground potential. For this embodiment, the control unit is configured to set a state of the first filter half-bridge, the second filter half-bridge and the third filter half-bridge depending on the states of the inverter half-bridges.

In einer Ausführungsform weist der Stromrichter weiter einen Gleichrichter auf, der aus einer Netzwechselspannung eine Gleichspannung erzeugt, und einen DC/DC-Wandler auf, der dazu ausgebildet ist, aus der Gleichspannung eine einstellbare Zwischenkreisspannung zu erzeugen, wobei die Zwischenkreisspannung einer Potentialdifferenz zwischen dem positiven und dem negativen Zwischenkreispotential entspricht. In dieser Ausführungsform ist die Steuereinheit dazu ausgebildet, die Schaltmittel der Wechselrichter-Halbbrücken in Blocktaktung anzusteuern. Hinsichtlich der an sich bekannten Blocktaktung sei auch auf die diesbezügliche Fachliteratur verwiesen.In one embodiment, the power converter further comprises a rectifier, which generates a DC voltage from an AC line voltage, and a DC / DC converter, which is adapted to generate from the DC voltage an adjustable DC link voltage, wherein the DC link voltage of a potential difference between the positive and the negative DC link potential. In this embodiment, the control unit is designed to control the switching means of the inverter half-bridges in block timing. With regard to the known per se block timing is also referred to the relevant literature.

Erfindungsgemäß wird mittels mindestens eines zusätzlichen Wechselrichterzweigs bzw. mindestens eines Filterzweigs eine gerade Anzahl an Wechselrichterzweigen geschaffen. Die mindestens eine Filter-Halbbrücke wird derart angesteuert, dass die sich ergebende Summenspannung über alle Ausgangsspannungen der herkömmlichen Wechselrichter-Halbbrücken und die Ausgangsspannung der mindestens einen Filter-Halbbrücke zu jedem Zeitpunkt null ergibt. Treibt dieser mindestens eine Filterzweig einen Filterkondensator, der die gleiche Kapazität wie die parasitäre Kopplungskapazität aufweist, dann wird ein Erdkoppelstrom über das Netz vollständig vermieden. Eine Störemission durch Erdkoppelströme im Netz und Fehlauslösungen des FI-Schutzschalters treten nicht mehr auf.According to the invention, an even number of inverter branches is created by means of at least one additional inverter branch or at least one filter branch. The at least one filter half-bridge is controlled in such a way that the resulting sum voltage results in zero over all output voltages of the conventional inverter half-bridges and the output voltage of the at least one filter half-bridge at any time. If this at least one filter branch drives a filter capacitor having the same capacitance as the parasitic coupling capacitance, then an earth coupling current across the network is completely avoided. An interference emission due to earth leakage currents in the network and false tripping of the residual current circuit breaker no longer occur.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert beschrieben. Hierbei zeigen:

  • 1 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Stromrichters in Form eines Frequenzumrichters und
  • 2 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Stromrichters in Form eines Frequenzumrichters.
The invention will be described in detail below with reference to the drawings. Hereby show:
  • 1 a first embodiment of a power converter according to the invention in the form of a frequency converter and
  • 2 a further embodiment of a power converter according to the invention in the form of a frequency converter.

1 zeigt eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Stromrichters 1 in Form eines Frequenzumrichters. 1 shows a first embodiment of a power converter according to the invention 1 in the form of a frequency converter.

Der Stromrichter 1 ist zum Ansteuern eines elektrischen Verbrauchers 2 in Form eines dreiphasigen Elektromotors ausgebildet.The power converter 1 is for driving an electrical consumer 2 formed in the form of a three-phase electric motor.

Der Stromrichter 1 weist einen Gleichrichter 31 auf, der aus einer dreiphasigen Netzwechselspannung herkömmlich mittels einer Gleichrichtung eine Gleichspannung UG erzeugt.The power converter 1 has a rectifier 31 which conventionally generates a DC voltage UG from a three-phase alternating mains voltage by means of rectification.

Der Stromrichter 1 weist weiter einen DC/DC-Wandler 32 auf, der dazu ausgebildet ist, aus der Gleichspannung UG eine Zwischenkreisspannung UZK mit einstellbarem Spannungspegel zu erzeugen. Die Zwischenkreisspannung UZK entspricht einer Potentialdifferenz zwischen einem positiven Zwischenkreispotential UZK_P und einem negativen Zwischenkreispotential UZK_N.The power converter 1 further includes a DC / DC converter 32 on, which is adapted to the DC voltage UG an intermediate circuit voltage UDC to generate with adjustable voltage level. The DC link voltage UDC corresponds to a potential difference between a positive DC link potential UZK_P and a negative DC link potential UZK_N ,

Die Zwischenkreisspannung UZK ist mittels eines Zwischenkreiskondensators 33 gepuffert.The DC link voltage UDC is by means of a DC link capacitor 33 buffered.

Der Stromrichter 1 weist weiter eine Anzahl von drei Wechselrichter-Halbbrücken 3, 4, 5 auf, die in an sich bekannter Weise einen herkömmlichen Wechselrichter 34 bilden. Die erste Wechselrichter-Halbbrücke 3 der drei Wechselrichter-Halbbrücken 3, 4, 5 weist herkömmlich zwei Halbleiter-Schaltmittel 6 und 7 auf. Entsprechend weist die zweite Wechselrichter-Halbbrücke 4 der drei Wechselrichter-Halbbrücken 3, 4, 5 zwei Halbleiter-Schaltmittel 8 und 9 auf und die die dritte Wechselrichter-Halbbrücke 5 der drei Wechselrichter-Halbbrücken 3, 4, 5 weist zwei Halbleiter-Schaltmittel 10 und 11 auf. Die Wechselrichter-Halbbrücken 3, 4, 5 sind jeweils mit der Zwischenkreisspannung UZK beaufschlagt.The power converter 1 further includes a number of three inverter half-bridges 3 . 4 . 5 on, in a conventional manner, a conventional inverter 34 form. The first inverter half-bridge 3 of the three inverter half-bridges 3 . 4 . 5 has conventionally two semiconductor switching means 6 and 7 on. Accordingly, the second inverter half-bridge 4 of the three inverter half-bridges 3 . 4 . 5 two semiconductor switching means 8th and 9 on and the third inverter half-bridge 5 of the three inverter half-bridges 3 . 4 . 5 has two semiconductor switching means 10 and 11 on. The inverter half-bridges 3 . 4 . 5 are each with the DC link voltage UDC applied.

Die Wechselrichter-Halbbrücken 3, 4, 5 weisen jeweils einen ersten Zustand auf, während dem ein Ausgang 12, 13 bzw. 14 der jeweiligen Wechselrichter-Halbbrücke 3, 4 bzw. 5 mit dem positiven Zwischenkreispotential UZK_P verbunden ist, und weisen jeweils einen zweiten Zustand auf, während dem ein Ausgang 12, 13 bzw. 14 der jeweiligen Wechselrichter-Halbbrücke 3, 4 bzw. 5 mit dem negativen Zwischenkreispotential UZK_N verbunden ist.The inverter half-bridges 3 . 4 . 5 each have a first state during which an output 12 . 13 or. 14 the respective inverter half-bridge 3 . 4 or. 5 with the positive DC link potential UZK_P is connected, and each have a second state, during which an output 12 . 13 or. 14 the respective inverter half-bridge 3 . 4 or. 5 is connected to the negative DC link potential UZK_N.

Ein Ausgang 12 der ersten Wechselrichter-Halbbrücke 3 ist mit einem zugehörigen Anschluss u des Elektromotors 2 verbunden, ein Ausgang 13 der zweiten Wechselrichter-Halbbrücke 4 ist mit einem zugehörigen Anschluss v des Elektromotors 2 verbunden und ein Ausgang 14 der dritten Wechselrichter-Halbbrücke 5 ist mit einem zugehörigen Anschluss w des Elektromotors 2 verbunden.An exit 12 the first inverter half-bridge 3 is with an associated connection u of the electric motor 2 connected, an exit 13 the second inverter half-bridge 4 is connected to an associated terminal v of the electric motor 2 connected and an exit 14 the third inverter half bridge 5 is with an associated terminal w of the electric motor 2 connected.

Ganz rechts ist ein Zweig mit einer Diode 36 und einem Halbleiter-Schaltmittel 37 dargestellt, der betriebszustandsabhängig einen Bremswiderstand 38 speist. Insoweit sei auch auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen. Far right is a branch with a diode 36 and a semiconductor switching means 37 shown, the operating state-dependent a braking resistor 38 fed. In that regard, reference is also made to the relevant specialist literature.

Der Stromrichter 1 weist weiter eine Filter-Halbbrücke 15 mit einem ersten Halbleiter-Schaltmittel 16 und einem zweiten Halbleiter-Schaltmittel 17 auf. Die Filter-Halbbrücke 15 weist einen ersten Zustand auf, während dem ein Ausgang 18 der Filter-Halbbrücke 15 mit dem positiven Zwischenkreispotential UZK_P verbunden ist, und einen zweiten Zustand auf, während dem der Ausgang 18 der Filter-Halbbrücke 15 mit dem negativen Zwischenkreispotential UZK_N verbunden ist. Ein kapazitives Filterelement 19 ist zwischen den Ausgang 18 der Filter-Halbbrücke 15 und ein Erdpotential (Erde) eingeschleift. Die Filter-Halbbrücke 15 in Verbindung mit dem kapazitiven Filterelement 19 bildet ein aktives Erdstromfilter.The power converter 1 further has a filter half-bridge 15 with a first semiconductor switching means 16 and a second semiconductor switching means 17 on. The filter half-bridge 15 has a first state during which an output 18 the filter half-bridge 15 with the positive DC link potential UZK_P and a second state during which the output is connected 18 the filter half-bridge 15 with the negative DC link potential UZK_N connected is. A capacitive filter element 19 is between the exit 18 the filter half-bridge 15 and a ground potential (earth) looped. The filter half-bridge 15 in connection with the capacitive filter element 19 forms an active ground current filter.

Der Stromrichter 1 weist weiter eine Steuereinheit 20 auf, die dazu ausgebildet ist, den Zustand der Filter-Halbbrücke 15 in Abhängigkeit von den Zuständen der Wechselrichter-Halbbrücken 3, 4, 5 einzustellen.The power converter 1 further has a control unit 20 which is adapted to the state of the filter half-bridge 15 depending on the states of the inverter half-bridges 3 . 4 . 5 adjust.

Prinzipiell wird der Halbleiter-Schalter 16 geschlossen und der der Halbleiter-Schalter 17 geöffnet, während über alle Wechselrichter-Halbbrücken 3, 4, 5 hinweg insgesamt nur ein einzelner der oberen Schalter 6, 8 bzw. 10 geschlossen ist. Entsprechend wird der Halbleiter-Schalter 16 geöffnet und der Halbleiter-Schalter 17 geschlossen, während über alle Wechselrichter-Halbbrücken 3, 4, 5 hinweg insgesamt nur ein einzelner unterer Schalter 7, 9 bzw. 11 geschlossen ist. In Summe sind damit immer zwei obere und zwei untere Halbleiter-Schalter angesteuert.In principle, the semiconductor switch 16 closed and the the semiconductor switch 17 open while across all inverter half-bridges 3 . 4 . 5 Overall, only a single one of the top switches 6 . 8th or. 10 closed is. Accordingly, the semiconductor switch 16 opened and the semiconductor switch 17 closed while across all inverter half-bridges 3 . 4 . 5 All in all, only a single lower switch 7 . 9 or. 11 closed is. In total, this always two upper and two lower semiconductor switches are driven.

Ansteuersignale für die Halbleiter-Schalter 16, 17 können direkt aus den Zuständen bzw. Schaltmustern der Halbleiter-Schalter 6 bis 11 abgeleitet werden. Die Erdstrom-Kompensation greift damit ein, bevor Störungen entstehen. Mit anderen Worten bildet die Filter-Halbbrücke 15 in Verbindung mit dem kapazitiven Filterelement 19 ein aktives Erdstromfilter, das beispielsweise in den Stromrichter 1 integrierbar ist und das Ableitströme direkt kompensiert. Control signals for the semiconductor switches 16 . 17 can directly from the states or switching patterns of the semiconductor switches 6 to 11 be derived. Earth current compensation intervenes before any disturbances occur. In other words, forms the filter half-bridge 15 in connection with the capacitive filter element 19 an active ground current filter, for example, in the power converter 1 can be integrated and the leakage currents compensated directly.

Nach außen treten keine durch Ableitströme verursachten Probleme wie das Auslösen von Fl-Schutzschaltern oder unzulässige EMV-Störungen auf.To the outside, there are no problems caused by leakage currents, such as the tripping of Fl circuit breakers or inadmissible EMC faults.

Die Halbleiter-Schalter 16 und 17 sind hinsichtlich der schaltbaren elektrischen Leistung wesentlich kleiner dimensioniert als die Halbleiter-Schalter 6 bis 11. Sie sollten jedoch dieselbe Spannungsklasse wie die Halbleiter-Schalter 6 bis 11 aufweisen (1200 V bei 3-Phasen-Geräten). Stromspitzen treten jedoch nur kurzzeitig auf, so dass eine äußerst geringe Verlustleistung entsteht (was u.U. einen direkten Einbau in/auf einer Leiterplatte ermöglicht).The semiconductor switches 16 and 17 are considerably smaller in terms of switchable electrical power than the semiconductor switches 6 to 11 , However, they should be the same voltage class as the semiconductor switches 6 to 11 (1200 V for 3-phase devices). However, current peaks only occur for a short time, resulting in extremely low power loss (which may allow direct installation in / on a printed circuit board).

Das kapazitive Filterelement 19 bzw. der Filterkondensator 19 steht stellvertretend für ein überwiegend kapazitiv wirkendes Filter. Der Scheinwiderstand des kapazitiven Filterelements 19 entspricht im Idealfall genau dem Scheinwiderstand, den der Wechselrichter gebildet aus den Wechselrichter-Halbbrücken 3, 4, 5 an seinem (aktiven) Ausgang gegen Erde sieht. Dabei spielen im Wesentlichen Koppelkapazitäten einer Motorleitung und einer Motorwicklung eine Rolle.The capacitive filter element 19 or the filter capacitor 19 is representative of a predominantly capacitive filter. The impedance of the capacitive filter element 19 ideally corresponds exactly to the impedance, the inverter formed from the inverter half-bridges 3 . 4 . 5 sees at its (active) exit to earth. In this case, essentially coupling capacitances of a motor line and a motor winding play a role.

Ein in herkömmlichen Stromrichtern eventuell vorhandener Y-Kondensator kann entfallen, da seine Funktion von dem mittels der Halbleiterschalter 16, 17 geschalteten kapazitiven Filterelement 19 übernommen wird.A possibly present in conventional converters Y-capacitor can be omitted, since its function by the means of the semiconductor switch 16 . 17 switched capacitive filter element 19 is taken over.

Das kapazitive Filterelement 19 ist zunächst nur für eine zugeordnete Motorleitung passend. Andere Konstellationen können jedoch durch modulare Gestaltung des kapazitiven Filterelements 19 oder ein angepasstes Ansteuermuster im Filterzweig berücksichtigt werden.The capacitive filter element 19 is initially only suitable for an assigned motor cable. Other constellations, however, can be achieved by modular design of the capacitive filter element 19 or an adapted control pattern in the filter branch are taken into account.

Stromrichter mit drei Stromwandlern im Ausgang können den Ableitstrom detektieren und das passende Ansteuermuster für die Halbleiterschalter 16, 17 im Filterzweig „automatisch“ errechnen.Power converters with three current transformers in the output can detect the leakage current and the appropriate control pattern for the semiconductor switches 16 . 17 calculate in the filter branch "automatically".

Das aktive Erstromfilter 16, 17, 19 selber kann als Optionsmodul ausgeführt werden, welches bei Bedarf in den Stromrichter integriert oder getrennt vom Stromrichter und mit dem Stromrichter koppelbar ausgeführt sein kann.The active outlet filter 16 . 17 . 19 itself can be executed as an option module, which can be integrated if necessary in the power converter or separately from the converter and can be coupled to the power converter.

Die beschriebene Erdstromfilter-Topologie mit dem Filterzweig 16, 17 und dem einzelnen kapazitiven Filterelement 19 wird bevorzugt dann verwendet, wenn der Wechselrichter 34 aufweisend die Wechselrichter-Brücken 3, 4, 5 (immer) in Vollaussteuerung bzw. Blocktaktung betrieben wird. Das ist vorteilhaft genau dann der Fall, wenn die Spannungsstellung über den vor den eigentlichen Wechselrichter 34 geschalteten schnellen DC/DC-Wandler 32 erfolgt. In diesem Fall kann der Wechselrichter 34 die Grundwelle in Form einer Sinusmodulation oder mittels Blocktaktung (Blockansteuerung) auf seinen Ausgang schalten. Eine Nullspannung kommt im Schaltmuster nicht vor, so dass die Erdkoppelströme mit Hilfe der beschriebenen, direkt dem Wechselrichter 34 zugeordneten Anordnung vollständig kompensiert werden.The described earth current filter topology with the filter branch 16 . 17 and the single capacitive filter element 19 is preferably used when the inverter 34 comprising the inverter bridges 3 . 4 . 5 (always) in Vollaussteuerung or Blocktaktung is operated. This is advantageous if and only if the voltage position over the before the actual inverter 34 switched fast DC / DC converter 32 he follows. In this case, the inverter can 34 the fundamental wave in the form of a sine wave modulation or by means of block timing (block control) switch to its output. A zero voltage does not occur in the switching pattern, so that the earth leakage currents with the help of the described, directly the inverter 34 assigned arrangement can be fully compensated.

Die in 1 dargestellte Ausführungsform mit einem einzelnen zusätzlichen Filterzweig kann den Ableitstrom nur dann vollständig kompensieren, wenn eine Außenleiterspannung geschaltet wird. Falls der Stromrichter 1 nicht in Blocktaktung betrieben wird, entsteht während der Zeiten, in denen eine Nullspannung im PWM-Zyklus geschaltet wird, d.h. alle oberen Halbleiter-Schalter 6, 8, 10 sind geschlossen (Schaltmuster [1, 1, 1]) oder alle unteren Schalter 7, 9, 11 sind geschlossen (Schaltmuster [0, 0, 0]), weiterhin ein Ungleichgewicht zwischen oberen und unteren Schaltern.In the 1 illustrated embodiment with a single additional filter branch can only fully compensate the leakage current when an external conductor voltage is switched. If the power converter 1 is not operated in block timing, arises during the times in which a zero voltage is switched in the PWM cycle, ie all upper semiconductor switches 6 . 8th . 10 are closed (switching pattern [1, 1, 1]) or all lower switches 7 . 9 . 11 are closed (switching pattern [0, 0, 0]), furthermore an imbalance between upper and lower switches.

2 zeigt eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Stromrichters 1 in Form eines Frequenzumrichters, die auch bei Nullspannungen im PWM-Zyklus Ableitströme vermeidet. 2 shows a further embodiment of a power converter according to the invention 1 in the form of a frequency converter, which avoids leakage currents even at zero voltages in the PWM cycle.

Der Stromrichter 1 weist hierzu zusätzlich zu dem in 1 gezeigten Stromrichter eine zweite Filter-Halbbrücke 21 mit zwei Halbleiter-Schaltmitteln 22, 23 auf, wobei die zweite Filter-Halbbrücke 21 einen ersten Zustand aufweist, während dem ein Ausgang 24 der zweiten Filter-Halbbrücke 21 mit dem positiven Zwischenkreispotential UZK_P verbunden ist, und einen zweiten Zustand aufweist, während dem der Ausgang 24 der zweiten Filter-Halbbrücke 21 mit dem negativen Zwischenkreispotential UZK_N verbunden ist. Ein zweites kapazitives Filterelement 25 ist zwischen den Ausgang 24 der zweiten Filter-Halbbrücke 21 und das Erdpotential eingeschleift.The power converter 1 indicates this in addition to the in 1 shown power converter, a second filter half-bridge 21 with two semiconductor switching means 22 . 23 on, with the second filter half-bridge 21 has a first state during which an output 24 the second filter half-bridge 21 with the positive DC link potential UZK_P is connected, and has a second state during which the output 24 the second filter half-bridge 21 with the negative DC link potential UZK_N connected is. A second capacitive filter element 25 is between the exit 24 the second filter half-bridge 21 and the earth potential is looped in.

Weiter ist eine dritte Filter-Halbbrücke 26 mit zwei Halbleiter-Schaltmitteln 27, 28 vorgesehen, wobei die dritte Filter-Halbbrücke 26 einen ersten Zustand aufweist, während dem ein Ausgang 29 der dritten Filter-Halbbrücke 26 mit dem positiven Zwischenkreispotential UZK_P verbunden ist, und einen zweiten Zustand aufweist, während dem der Ausgang 29 der dritten Filter-Halbbrücke 26 mit dem negativen Zwischenkreispotential UZK_N verbunden ist. Ein drittes kapazitives Filterelement 30 ist zwischen den Ausgang 29 der dritten Filter-Halbbrücke 26 und das Erdpotential eingeschleift.Next is a third filter half-bridge 26 with two semiconductor switching means 27 . 28 provided, the third filter half-bridge 26 has a first state during which an output 29 the third filter half bridge 26 with the positive DC link potential UZK_P is connected, and has a second state during which the output 29 the third filter half bridge 26 with the negative DC link potential UZK_N connected is. A third capacitive filter element 30 is between the exit 29 the third filter half bridge 26 and the earth potential is looped in.

Die Steuereinheit 20 ist dazu ausgebildet, einen Zustand der ersten Filter-Halbbrücke 15, der zweiten Filter-Halbbrücke 21 und der dritten Filter-Halbbrücke 26 in Abhängigkeit von den Zuständen der Wechselrichter-Halbbrücken 3, 4, 5 einzustellen.The control unit 20 is adapted to a state of the first filter half-bridge 15 , the second filter half-bridge 21 and the third filter half-bridge 26 depending on the states of the inverter half-bridges 3 . 4 . 5 adjust.

Bei der in 2 gezeigten Ausführungsform werden insgesamt drei Filterzweige zur Erdstromkompensation verwendet. Die Ansteuerung dieser Filterzweige geschieht wie beschrieben entsprechend dem Ausgangsschaltmuster der Wechselrichter-Halbbrücken 3, 4, 5 im Wechselrichter 34. Bei Nullspannung im Wechselrichter 34 werden alle 3 zusätzlichen oberen bzw. alle 3 zusätzlichen unteren Halbleiter-Schalter aktiviert.At the in 2 In the embodiment shown, a total of three filter branches are used for ground current compensation. The control of these filter branches is done as described according to the output switching pattern of the inverter half-bridges 3 . 4 . 5 in the inverter 34 , At zero voltage in the inverter 34 All 3 additional upper or all 3 additional lower semiconductor switches are activated.

Ein Auslösen eines FI-Schutzschalters 35 aufgrund eines Nullspannungs-Schaltmusters kann daher zuverlässig vermieden werden.A tripping of a residual current circuit breaker 35 due to a zero-voltage switching pattern can therefore be reliably avoided.

Parasitäre Kopplungskapazitäten sind durch diskrete Kondensatoren 39, 40 und 41 abgebildet.Parasitic coupling capacitances are through discrete capacitors 39 . 40 and 41 displayed.

Claims (7)

Stromrichter (1), der zum Ansteuern eines elektrischen Verbrauchers (2) ausgebildet ist, wobei der Stromrichter (1) aufweist: - eine Anzahl von Wechselrichter-Halbbrücken (3, 4, 5) mit jeweils mindestens zwei Schaltmitteln (6, 7; 8, 9; 10, 11), - wobei die Wechselrichter-Halbbrücken (3, 4, 5) jeweils einen ersten Zustand aufweisen, während dem ein Ausgang (12, 13, 14) der jeweiligen Wechselrichter-Halbbrücke (3, 4, 5) mit einem positiven Zwischenkreispotential (UZK_P) verbunden ist, und jeweils einen zweiten Zustand aufweisen, während dem ein Ausgang (12, 13, 14) der jeweiligen Wechselrichter-Halbbrücke (3, 4, 5) mit einem negativen Zwischenkreispotential (UZK_N) verbunden ist, und - wobei ein Ausgang (12, 13, 14) der jeweiligen Wechselrichter-Halbbrücke (3, 4, 5) mit einem zugehörigen Anschluss (u, v, w) des elektrischen Verbrauchers (2) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass - der Stromrichter (1) weiter aufweist: - eine erste Filter-Halbbrücke (15) mit mindestens zwei Schaltmitteln (16, 17), wobei die erste Filter-Halbbrücke (15) einen ersten Zustand aufweist, während dem ein Ausgang (18) der ersten Filter-Halbbrücke (15) mit dem positiven Zwischenkreispotential (UZK_P) verbunden ist, und einen zweiten Zustand aufweist, während dem der Ausgang (18) der ersten Filter-Halbbrücke (15) mit dem negativen Zwischenkreispotential (UZK_N) verbunden ist, - ein erstes kapazitives Filterelement (19), das zwischen den Ausgang (18) der ersten Filter-Halbbrücke (15) und ein Erdpotential eingeschleift ist, und - eine Steuereinheit (20), die dazu ausgebildet ist, den Zustand der ersten Filter-Halbbrücke (15) in Abhängigkeit von den Zuständen der Wechselrichter-Halbbrücken (3, 4, 5) einzustellen.Power converter (1), which is designed to drive an electrical load (2), wherein the power converter (1) comprises: - a number of inverter half-bridges (3, 4, 5) each having at least two switching means (6, 7; , 9, 10, 11), - wherein the inverter half-bridges (3, 4, 5) each have a first state, during which an output (12, 13, 14) of the respective inverter half-bridge (3, 4, 5) is connected to a positive intermediate circuit potential (UZK_P), and in each case have a second state, during which an output (12, 13, 14) of the respective inverter half-bridge (3, 4, 5) is connected to a negative intermediate circuit potential (UZK_N), and - wherein an output (12, 13, 14) of the respective inverter half-bridge (3, 4, 5) with an associated terminal (u, v, w) of the electrical load (2) is connected, characterized in that - Power converter (1) further comprises - a first filter half-bridge (15) with at least two Switching means (16, 17), wherein the first filter half-bridge (15) has a first state, during which an output (18) of the first filter half-bridge (15) is connected to the positive intermediate circuit potential (UZK_P), and a second state during which the output (18) of the first filter half-bridge (15) is connected to the negative intermediate circuit potential (UZK_N), - a first capacitive filter element (19) connected between the output (18) of the first filter half-bridge (15 ) and a ground potential is connected, and - a control unit (20) which is adapted to adjust the state of the first filter half-bridge (15) in dependence on the states of the inverter half-bridges (3, 4, 5). Stromrichter (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass - die Steuereinheit (20) dazu ausgebildet ist, den ersten Zustand der ersten Filter-Halbbrücke (15) einzustellen, wenn eine der Wechselrichter-Halbbrücken (3, 4, 5) den ersten Zustand aufweist, und den zweiten Zustand der ersten Filter-Halbbrücke (15) einzustellen, wenn eine der Wechselrichter-Halbbrücken (3, 4, 5) den zweiten Zustand aufweist.Power converter (1) to Claim 1 characterized in that - the control unit (20) is adapted to set the first state of the first filter half bridge (15) when one of the inverter half bridges (3, 4, 5) has the first state and the second state the first filter half-bridge (15) set when one of the inverter half-bridges (3, 4, 5) has the second state. Stromrichter (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass - eine Impedanz des kapazitiven Filterelements (19) einer Impedanz zwischen einem Ausgang (12, 13, 14) einer der Wechselrichter-Halbbrücken (3, 4, 5) und Erdpotential entspricht.Power converter (1) to Claim 1 or 2 , characterized in that - an impedance of the capacitive filter element (19) of an impedance between an output (12, 13, 14) corresponds to one of the inverter half-bridges (3, 4, 5) and ground potential. Stromrichter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - der Stromrichter (1) ein Frequenzumrichter ist.Power converter (1) according to one of the preceding claims, characterized in that - the power converter (1) is a frequency converter. Stromrichter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - der elektrische Verbraucher (2) ein dreiphasiger Elektromotor ist, wobei der Stromrichter (1) drei Wechselrichter-Halbbrücken (3, 4, 5) aufweist, wobei ein Ausgang (12) der ersten Wechselrichter-Halbbrücke (3) mit einem ersten Phasenanschluss (u) des Elektromotors (2) verbunden ist, ein Ausgang (13) der zweiten Wechselrichter-Halbbrücke (4) mit einem zweiten Phasenanschluss (v) des Elektromotors (2) verbunden ist, und ein Ausgang (14) der dritten Wechselrichter-Halbbrücke (5) mit einem dritten Phasenanschluss (w) des Elektromotors (2) verbunden ist.Power converter (1) according to one of the preceding claims, characterized in that - the electrical load (2) is a three-phase electric motor, wherein the power converter (1) has three inverter half-bridges (3, 4, 5), wherein an output (12 ) of the first inverter half-bridge (3) is connected to a first phase connection (u) of the electric motor (2), an output (13) of the second inverter half-bridge (4) is connected to a second phase connection (v) of the electric motor (2) and an output (14) of the third inverter half bridge (5) is connected to a third phase terminal (w) of the electric motor (2). Stromrichter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - der Stromrichter (1) weiter aufweist: - eine zweite Filter-Halbbrücke (21) mit mindestens zwei Schaltmitteln (22, 23), wobei die zweite Filter-Halbbrücke (21) einen ersten Zustand aufweist, während dem ein Ausgang (24) der zweiten Filter-Halbbrücke (21) mit dem positiven Zwischenkreispotential (UZK_P) verbunden ist, und einen zweiten Zustand aufweist, während dem der Ausgang (24) der zweiten Filter-Halbbrücke (21) mit dem negativen Zwischenkreispotential (UZK_N) verbunden ist, - ein zweites kapazitives Filterelement (25), das zwischen den Ausgang (24) der zweiten Filter-Halbbrücke (21) und das Erdpotential eingeschleift ist, - eine dritte Filter-Halbbrücke (26) mit mindestens zwei Schaltmitteln (27, 28), wobei die dritte Filter-Halbbrücke (26) einen ersten Zustand aufweist, während dem ein Ausgang (29) der dritten Filter-Halbbrücke (26) mit dem positiven Zwischenkreispotential (UZK_P) verbunden ist, und einen zweiten Zustand aufweist, während dem der Ausgang (29) der dritten Filter-Halbbrücke (26) mit dem negativen Zwischenkreispotential (UZK_N) verbunden ist, und - ein drittes kapazitives Filterelement (30), das zwischen den Ausgang (29) der dritten Filter-Halbbrücke (26) und das Erdpotential eingeschleift ist, - wobei die Steuereinheit (20) dazu ausgebildet ist, einen Zustand der ersten Filter-Halbbrücke (15), der zweiten Filter-Halbbrücke (21) und der dritten Filter-Halbbrücke (26) in Abhängigkeit von den Zuständen der Wechselrichter-Halbbrücken (3, 4, 5) einzustellen.Power converter (1) according to one of the preceding claims, characterized in that - the power converter (1) further comprises: - a second filter half-bridge (21) with at least two switching means (22, 23), wherein the second filter half-bridge (21 ) has a first state during which an output (24) of the second filter half-bridge (21) is connected to the positive intermediate circuit potential (UZK_P) and has a second state during which the output (24) of the second filter half-bridge ( 21) is connected to the negative DC link potential (UZK_N), - a second capacitive filter element (25), which is looped between the output (24) of the second filter half-bridge (21) and the ground potential, - a third filter half-bridge (26 ) with at least two switching means (27, 28), wherein the third filter half-bridge (26) has a first state, during which an output (29) of the third filter half-bridge (26) with the positive intermediate circuit potential (UZK_P) is connected, and has a second state during which the output (29) of the third filter half-bridge (26) is connected to the negative DC link potential (UZK_N), and - a third capacitive filter element (30) connected between the output (29 ) of the third filter half-bridge (26) and the ground potential is looped in, - wherein the control unit (20) is adapted to a state of the first filter half-bridge (15), the second filter half-bridge (21) and the third filter Half-bridge (26) depending on the states of the inverter half-bridges (3, 4, 5) to set. Stromrichter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - der Stromrichter (1) weiter aufweist: - einen Gleichrichter (31), der aus einer Netzwechselspannung eine Gleichspannung (UG) erzeugt, und - einen DC/DC-Wandler (32), der dazu ausgebildet ist, aus der Gleichspannung (UG) eine Zwischenkreisspannung (UZK) zu erzeugen, - wobei die Steuereinheit (20) dazu ausgebildet ist, die Schaltmittel (6, 7; 8, 9; 10, 11) der Wechselrichter-Halbbrücken (3, 4, 5) in Blocktaktung anzusteuern.Power converter (1) according to one of the preceding claims, characterized in that - the power converter (1) further comprises: - a rectifier (31) which generates a DC voltage (UG) from an AC line voltage, and - a DC / DC converter ( 32), which is designed to generate from the DC voltage (UG) an intermediate circuit voltage (UZK), - wherein the control unit (20) is adapted to the switching means (6, 7; 8, 9; 10, 11) of the inverters -Helbbrücken (3, 4, 5) in block timing to control.
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