DE10257096A1 - Inverter has auxiliary circuit connected in parallel with intermediate circuit capacitor consisting of auxiliary capacitor and first device with three resistance value ranges - Google Patents

Inverter has auxiliary circuit connected in parallel with intermediate circuit capacitor consisting of auxiliary capacitor and first device with three resistance value ranges Download PDF

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DE10257096A1 DE2002157096 DE10257096A DE10257096A1 DE 10257096 A1 DE10257096 A1 DE 10257096A1 DE 2002157096 DE2002157096 DE 2002157096 DE 10257096 A DE10257096 A DE 10257096A DE 10257096 A1 DE10257096 A1 DE 10257096A1
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Abstract

The device has a rectifier for generating a unipolar intermediate circuit voltage from a 3-phase mains voltage, an intermediate circuit capacitor connected to the intermediate circuit voltage and an end stage with power switches for supplying especially a polyphase motor. An auxiliary circuit is connected in parallel with the intermediate circuit capacitor consisting of an auxiliary capacitor and a first device with three resistance value ranges. The device has a rectifier for generating a unipolar intermediate circuit voltage from a three-phase mains voltage, an intermediate circuit capacitor connected to the intermediate circuit voltage and an end stage with power switches for supplying an electric motor, especially a polyphase motor. An auxiliary circuit is connected in parallel with the intermediate circuit capacitor consisting of an auxiliary capacitor and a first device (3) with three resistance value ranges. AN Independent claim is also included for the following: (a) a method of operating an inventive device.

Description

Die Erfindung betrifft einen Umrichter und ein Verfahren zum Betrieb.The invention relates to a converter and a method of operation.

Umrichter, die

  • – einen Gleichrichter zum Erzeugen einer unipolaren Zwischenkreisspannung aus einer dreiphasigen Netzspannung, insbesondere Drehspannung,
  • – einen Zwischenkreiskondensator, der an der Zwischenkreisspannung angeschlossen ist, und
  • – eine Leistungsschalter umfassende Endstufe, von der aus ein Elektromotor, insbesondere ein Drehstrommotor, versorgbar ist,

umfassen, sind bekannt.Converters that
  • A rectifier for generating a unipolar intermediate circuit voltage from a three-phase mains voltage, in particular three-phase voltage,
  • - An intermediate circuit capacitor, which is connected to the intermediate circuit voltage, and
  • An output stage comprising a circuit breaker, from which an electric motor, in particular a three-phase motor, can be supplied,

include are known.

Dabei werden als Zwischenkreiskondensatoren meist Elektrolytkondensatoren verwendet, die zum Puffern der Energie des Zwischenkreises und der Zwischenkreisspannung dienen. Nachteilig ist dabei, dass beim derzeitigen Stand der Technik die Kapazität des Zwischenkreiskondensators größer als funktional notwendig ist. Funktional notwendig ist dabei insbesondere eine ausreichende Glättung bei Betrieb mit Nennlast. Die Kapazität kann also beim Stand der Technik nicht nach funktionalen sondern muss nach bautechnischen Anforderungen, wie Lebensdauer und Strombelastbarkeit gewählt werden. Somit sind beim Stand der Technik Elektrolytkondensatoren gebräuchlich, die ein großes Bauvolumen beanspruchen, anfällig und kostspielig sind. Derartige Umrichter werden oft auch als Umrichter mit dickem Zwischenkreis bezeichnet.Here are used as intermediate circuit capacitors mostly electrolytic capacitors used to buffer the energy the intermediate circuit and the intermediate circuit voltage. adversely is that in the current state of the art the capacitance of the intermediate circuit capacitor bigger than functional necessary is. In particular, one is functionally necessary adequate smoothing when operating at nominal load. The capacity can be at the state of Technology not according to functional but must according to structural Requirements such as service life and current carrying capacity are selected. Consequently are electrolytic capacitors in the prior art, which is a big one Claim construction volume, vulnerable and are expensive. Such converters are often called converters marked with a thick DC link.

Ein wesentlicher Nachteil bei der Verwendung solcher Umrichter mit dickem Zwischenkreis ist die hohe Netzrückwirkung und insbesondere auch die eingeschränkte Lebensdauer. Da die Lebensdauer abhängig ist von der Temperatur und der Leistungsentnahme, müssen je nach Anwendung entsprechend groß dimensionierte Kondensatoren gewählt werden. Dies führt dann zu einem größeren Wert von Nennkapazität, Bauvolumen, Netzrückwirkungen und zu hohen Kosten.A major disadvantage with the The use of such converters with a thick DC link is the high one Phase effect and especially the limited lifespan. Because the lifespan dependent is dependent on the temperature and the power consumption appropriately sized according to application Capacitors selected become. this leads to then to a greater value of nominal capacity, Construction volume, network perturbations and at a high cost.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Umrichter möglichst kompakt, insbesondere also mit verringerter Netzrückwirkung und höherer Lebensdauer, auszuführen und ihn in kostengünstiger Herstellungsweise weiterzubilden.The invention is therefore the object based on a converter if possible compact, in particular with reduced network feedback and higher Lifespan and it in less expensive To further develop manufacturing methods.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei dem Umrichter nach den in Anspruch 1 und bei dem Verfahren nach den in Anspruch 17 angegebenen Merkmalen gelöst.According to the invention, the task with the converter according to the in claim 1 and in the method according to the in claim 17 specified features solved.

Wesentliche Merkmale der Erfindung bei dem Umrichter sind, dass er

  • – einen Gleichrichter zum Erzeugen einer unipolaren Zwischenkreisspannung aus einer dreiphasigen Netzspannung, insbesondere Drehspannung,
  • – einen Zwischenkreiskondensator, der an der Zwischenkreisspannung angeschlossen ist,
  • – eine Leistungsschalter umfassende Endstufe, von der aus ein Elektromotor, insbesondere ein Drehstrommotor, versorgbar ist,

umfasst, wobei dem Zwischenkreiskondensator ein Hilfszwischenkreis parallel geschaltet ist, der zumindest aus einer Reihenschaltung einer ersten Vorrichtung 3 und einem Hilfskondensator besteht,
wobei die erste Vorrichtung derart gestaltet ist, dass sie
  • – einen Widerstandswert aus einem ersten Widerstandswertebereich zum Minimieren der Spitzenspannung am Zwischenkreiskondensator bei Spannungsanstiegen aufweist, solange die Zwischenkreisspannung Uz größer ist als die Spannung UzH am Hilfskondensator,
  • – einen Widerstandswert aus einem zweiten Widerstandswertebereich, der hochohmiger als der erste Widerstandswertebereich ist, aufweist, wenn die Differenz ΔU = (Uz – UzH) negativ wird, solange die Differenz nicht einen kritischen Wert erreicht und

einen Widerstandswert aus einem dritten Widerstandswertebereich, der viel niederohmiger ist als der zweite Widerstandswertebereich, annimmt, wenn die Differenz ΔU unter den kritischen Wert fällt.Essential features of the invention in the converter are that it
  • A rectifier for generating a unipolar intermediate circuit voltage from a three-phase mains voltage, in particular three-phase voltage,
  • An intermediate circuit capacitor which is connected to the intermediate circuit voltage,
  • An output stage comprising a circuit breaker, from which an electric motor, in particular a three-phase motor, can be supplied,

comprises, the intermediate circuit capacitor being connected in parallel with an auxiliary intermediate circuit which consists at least of a series connection of a first device 3 and an auxiliary capacitor,
the first device being designed such that it
  • Has a resistance value from a first resistance value range for minimizing the peak voltage at the intermediate circuit capacitor in the event of voltage increases, as long as the intermediate circuit voltage Uz is greater than the voltage UzH at the auxiliary capacitor,
  • - Has a resistance value from a second resistance value range, which is higher than the first resistance value range, if the difference ΔU = (Uz - UzH) becomes negative as long as the difference does not reach a critical value and

takes a resistance value from a third resistance value range, which is much lower resistance than the second resistance value range, when the difference ΔU falls below the critical value.

Von Vorteil ist dabei, dass der Umrichter mit schlankem Zwischenkreis ausführbar ist. Dies bedeutet, dass der Zwischenkreiskondensator nur geringe Kapazität aufweisen muss und sogar als kostengünstiger und robuster Folienkondensator vorsehbar ist. Außerdem ist bei solchen Kondensatoren keine Polarität vorhanden, die Lebensdauer hoch und das benötigte Bauvolumen gering.The advantage here is that the converter Executable with a slim DC link is. This means that the intermediate circuit capacitor is only slight capacity must have and even as an inexpensive and robust film capacitor is predictable. Moreover there is no polarity in such capacitors, the service life high and the needed Construction volume low.

Ein dicker Zwischenkreiskondensator hat eine direkt am Netz liegende Kapazität, die größer ist als 5 μF pro Ampere Zwischenkreis-Nennstrom, mindestens jedoch 8000 V μF pro Zwischenkreis-Nennspannung Uz_Nenn in Volt, also mindestens

Figure 00030001
.A thick DC link capacitor has a capacitance directly connected to the mains which is greater than 5 μF per ampere DC link nominal current, but at least 8000 V μF per DC link nominal voltage Uz_Nenn in volts, i.e. at least
Figure 00030001
,

Bei der Erfindung ist ein Hilfszwischenkreis vorhanden, der beim Einschalten des Umrichters, also Verbinden mit dem Versorgungsnetz, auftretende Überspannungen reduzierbar macht. Denn, solange am Hilfskondensator des Hilfszwischenkreises keine Spannung anliegt, der Hilfskondensator also entladen ist, kann der Hilfskondensator Energie aufnehmen. Es fließt also beim Einschalten für kurze Zeit Strom zum Hilfszwischenkreis, da die erste Vorrichtung niedrige Widerstandswerte aufweist. Wird der Umrichter vom Versorgungsnetz abgetrennt, sinkt die Zwischenkreisspannung ab, bleibt der Hilfskondensator aber fürs Erste aufgeladen. Sein selbsttätiges Entladen würde eigentlich sehr lange dauern, insbesondere im Minutenbereich. Eine mit dem Hilfskondensator verbundene Verbraucherschaltung, wie ein Schaltnetzteil oder dergleichen, ist nicht vorhanden. Mit der erfindungsgemäßen ersten Vorrichtung jedoch ist ein Entladen dann ermöglicht, wenn die Zwischenkreisspannung die Spannung am Hilfskondensator um mehr als einen kritischen Wert unterschreitet, da dann die erste Vorrichtung von Widerstandswerfen aus einem zweiten hochohmigen Widerstandswertebereich zu Widerstandswerten aus einem dritten niedrigohmigen Widerstandswertebereich übergeht.In the invention there is an auxiliary intermediate circuit which makes it possible to reduce overvoltages which occur when the converter is switched on, that is to say when it is connected to the supply network. Because as long as there is no voltage at the auxiliary capacitor of the auxiliary intermediate circuit, ie the auxiliary capacitor is discharged, the auxiliary capacitor can absorb energy. Current therefore flows to the auxiliary intermediate circuit for a short time when switched on, since the first device has low resistance values. If the converter is disconnected from the supply network, the DC link voltage drops, but the auxiliary capacitor remains charged for the time being. It would take a long time to unload himself, especially in the minute range. A consumer circuit connected to the auxiliary capacitor, such as a switching power supply or the like, is not present the. With the first device according to the invention, however, discharging is possible when the intermediate circuit voltage falls below the voltage at the auxiliary capacitor by more than a critical value, since the first device then changes from resistance throwing from a second high-resistance value range to resistance values from a third low-resistance value range.

Das Entladen des Hilfskondensators ist dann vollständig ermöglicht, solange die Zwischenkreisspannung unter dem Wert der Spannung am Hilfskondensator bleibt.The discharge of the auxiliary capacitor is then complete allows as long as the DC link voltage is below the value of the voltage on Auxiliary capacitor remains.

Bleibt der Umrichter also abgeschaltet, wird der Hilfskondensator vollständig entladen. Wird der Umrichter jedoch während des Entladevorgangs wieder mit dem Versorgungsnetz verbunden, wird der Entladevorgang des Hilfskondensators gestoppt, sobald die Zwischenkreisspannung derart angestiegen ist, dass sie die aktuelle Spannung am Hilfskondensator erreicht und überschreitet.If the converter remains switched off, the auxiliary capacitor becomes complete discharged. However, the inverter will reappear during the unloading process connected to the supply network, the discharge process of the auxiliary capacitor stopped as soon as the DC link voltage has increased so much that it reaches and exceeds the current voltage on the auxiliary capacitor.

Der beschriebene Entladevorgang des Hilfskondensators hat bei einer vorteiligen Ausführung eine Zeitkonstante von mehr als einem Zehntel einer Netzperiode und weniger als zweihundert Millisekunden. Besonders vorteilhaft ist diese Zeitkonstante größer als eine Netzperiode. Somit ist ein Wiedereinschalten nach Abschalten eines Umrichters sehr schnell möglich, insbesondere z.B. schon nach einer halben Sekunde, ohne dass Überspannungsspitzen die Bauteile des Umrichters gefährden könnten.The described discharge process of the In an advantageous embodiment, the auxiliary capacitor has a time constant of more than a tenth of a network period and less than two hundred Milliseconds. This time constant is particularly advantageously greater than a network period. It is therefore a restart after switching off of a converter is possible very quickly, especially e.g. after only half a second, without overvoltage peaks Endanger components of the converter could.

Der Hilfskondensator versorgt kein Schaltnetzteil und auch keinen entsprechenden Verbraucher.The auxiliary capacitor does not supply Switching power supply and no corresponding consumer.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung hat der Zwischenkreiskondensator eine direkt am Netz liegende Kapazität, die kleiner ist als

Figure 00040001
oder kleiner ist als 5 μF pro Ampere Zwischenkreis-Nennstrom, wobei UZ_Nenn die Zwischenkreis-Nennspannung des Umrichters in Volt ist.In an advantageous embodiment, the intermediate circuit capacitor has a capacitance located directly on the network, which is smaller than
Figure 00040001
or less than 5 μF per ampere DC link nominal current, where U Z_Nenn is the DC link nominal voltage of the converter in volts.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung hat der Zwischenkreiskondensator keine polare Vorzugsrichtung, also kein Elektrolytkondensator ist und also auch keine Polarität aufweist. Der Zwischenkreiskondensator ist also vorteiligerweise als robuster Folienkondensator ausführbar. Hingegen ist der Hilfskondensator vorteiligerweise als Elektrolytkondensator ausführbar.In an advantageous embodiment the intermediate circuit capacitor has no polar preferred direction, that is is not an electrolytic capacitor and therefore has no polarity. The intermediate circuit capacitor is therefore advantageously more robust Foil capacitor executable. In contrast, the auxiliary capacitor can advantageously be designed as an electrolytic capacitor.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung sind die Kapazitätswerte und der erste Wertebereich vorzugsweise derart gewählt, dass die Zeitkonstante des Aufladens für den Hilfskondensators bei den zugehörigen Spannungen zwischen einer halben Millisekunde und drei Millisekunden liegt.In an advantageous embodiment are the capacitance values and the first range of values is preferably selected such that the time constant of charging for the auxiliary capacitor the associated Voltages between half a millisecond and three milliseconds lies.

Bevorzugt ist der Typ des Hilfskondensators, Kapazitätswerte und der zweite Wertebereich derart gewählt, dass die Zeitkonstante des Entladens für den Hilfskondensators bei den zugehörigen Spannungen größer als eine Minute ist.The type of auxiliary capacitor, capacitance values, is preferred and the second range of values is chosen such that the time constant of unloading for the Auxiliary capacitor at the associated Tensions greater than is a minute.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weisen die Kapazitätswerte und der dritte Wertebereich derart gewählt ist, dass die Zeitkonstante des Entladens des Hilfskondensators bei den zugehörigen Spannungen kleiner als eine Sekunde ist. Somit ist vorteiligerweise ein schnelles Wiedereinschalten ermöglicht.In an advantageous embodiment assign the capacitance values and the third range of values is selected such that the time constant discharge of the auxiliary capacitor at the associated voltages is less than a second. Thus, it is advantageously a fast one Enables restart.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die erste Vorrichtung mindestens aus einer Reihenschaltung, umfassend zumindest eine Diode D21 und einen Widerstand R21 in Zusammenwirkung mit dem Serienwiderstand des Hilfszwischenkreiskondensators am Zwischenkreiskondensator C1, und einer zweiten Vorrichtung ausgeführt, die dieser Reihenschaltung parallel geschaltet ist. Vorteilig ist dabei, dass Spannungsüberhöhungen minimierbar sind.In an advantageous embodiment is the first device at least from a series connection, comprising at least one diode D21 and a resistor R21 in cooperation with the series resistance of the auxiliary intermediate circuit capacitor on the intermediate circuit capacitor C1, and a second device running this series circuit is connected in parallel. The advantage here is that voltage increases can be minimized are.

Alternativ besteht die erste Vorrichtung mindestens aus einer Diode D21 und einer dazu parallel geschalteten zweiten Vorrichtung, wobei der Serienwiderstand des Hilfszwischenkreiskondensators zur Minimierung der Spannungsüberhöhung am Zwischenkreiskondensator C1 vorgesehen ist. Somit ist vorteiligerweise der vorgenannte Widerstand R21 einsparbar.Alternatively there is the first device at least one diode D21 and one connected in parallel second device, the series resistance of the auxiliary intermediate circuit capacitor to minimize the voltage surge on DC link capacitor C1 is provided. So it is advantageous the aforementioned resistor R21 can be saved.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die zweite Vorrichtung einen Leistungsschalter und Steuermittel zum Ansteuern des Leistungsschalters, wobei die Steuermittel aus der Differenz ΔU = (Uz – UzH) versorgbar sind und abhängig von dieser Differenz den Leistungsschalter beeinflussen, insbesondere seine Steuerspannung erzeugen. Von Vorteil ist dabei, dass die Steuermittel keine zusätzliche Spannungsversorgung benötigen.In an advantageous embodiment the second device comprises a circuit breaker and control means to control the circuit breaker, the control means being off the difference ΔU = (Uz - UzH) are available and dependent from this difference affect the circuit breaker, in particular generate its control voltage. The advantage here is that the control means no additional power supply need.

Vorzugsweise besteht die zweite Vorrichtung aus zwei parallel geschalteten Reihenschaltungen, wobei in einer der beiden Reihenschaltungen der Leistungsschalter angeordnet ist und in der anderen der beiden Reihenschaltungen die Steuermittel vorgesehen sind. Somit ist eine einfache und kostengünstige Schaltungsart ausführbar.The second device preferably consists of two series connections connected in parallel, one of the two series connections of the circuit breaker is arranged and the control means is provided in the other of the two series connections are. A simple and inexpensive circuit type can thus be implemented.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung umfassen die Steuermittel eine spannungsabhängige Impedanz zur Beeinflussung der Steuerspannung für den Leistungsschalter. Von Vorteil ist dabei, dass die Steuermittel kostengünstig ausführbar sind und wenige Bauteile notwendig sind.In an advantageous embodiment the control means comprise a voltage-dependent impedance for influencing the control voltage for the Circuit breaker. The advantage here is that the control means economical executable are and few components are necessary.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die spannungsabhängige Impedanz zumindest einen Varistor und/oder eine Zenerdiode. Von Vorteil ist dabei, dass eine kostengünstige Realisierung der Steuermittel vorsehbar ist.In an advantageous embodiment includes the voltage dependent Impedance at least one varistor and / or a zener diode. Of The advantage here is that the control means can be implemented at low cost is predictable.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Leistungsschalter ein Thyristor und/oder die Steuermittel bilden eine Zündvorrichtung. Von Vorteil ist dabei, dass ein kostengünstiges Bauteil als Schalter verwendbar ist.In an advantageous embodiment the circuit breaker is a thyristor and / or the control means form an ignition device. The advantage here is that an inexpensive component can be used as a switch is.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung versorgt der Hilfszwischenkreis kein Schaltnetzteil oder einen entsprechenden Verbraucher. Vorteiligerweise ist also die Versorgung des Steuerungsteils mittels eines externen Netzteils vorsehbar. Der Umrichter ist also aus einem solchen Netzteil versorgbar und es sind Kosten und Bauvolumen einsparbar sowie weitere Vorteile erreichbar.In an advantageous embodiment, the auxiliary intermediate circuit does not supply a switching power supply or a corresponding consumer. The supply of the control part by means of an external power supply unit can therefore advantageously be provided. The inverter is So it can be supplied from such a power supply unit and costs and construction volume can be saved and further advantages can be achieved.

Die wesentlichen Merkmale der Erfindung bei dem Verfahren sind, dass zum Betrieb des Umrichters, umfassend

  • – einen Gleichrichter zum Erzeugen einer unipolaren Zwischenkreisspannung aus einer dreiphasigen Netzspannung, insbesondere Drehspannung,
  • – einen Zwischenkreiskondensator, der an der Zwischenkreisspannung angeschlossen ist,
  • – eine Leistungsschalter umfassende Endstufe, von der aus ein Elektromotor, insbesondere ein Drehstrommotor, versorgbar ist,

wobei dem Zwischenkreiskondensator ein Hilfszwischenkreis parallel geschaltet ist, der zumindest aus einer Reihenschaltung einer ersten Vorrichtung 3 und einem Hilfskondensator besteht,
  • – zum Minimieren der Spitzenspannung am Zwischenkreiskondensator bei Spannungsanstiegen mittels der ersten Vorrichtung der Hilfskondensator beladen wird, solange die Zwischenkreisspannung Uz größer ist als die Spannung UzH am Hilfskondensator,
  • – mittels der ersten Vorrichtung der Hilfskondensator vom Zwischenkreis abgekoppelt wird, wenn die Differenz ΔU = (Uz – UzH) negativ wird, solange die Differenz nicht einen kritischen Wert erreicht und
  • – mittels der ersten Vorrichtung der Hilfskondensator entladen wird, wenn die Differenz ΔU unter den kritischen Wert fällt.
The essential features of the invention in the method are that for operating the converter, comprising
  • A rectifier for generating a unipolar intermediate circuit voltage from a three-phase mains voltage, in particular three-phase voltage,
  • An intermediate circuit capacitor which is connected to the intermediate circuit voltage,
  • An output stage comprising a circuit breaker, from which an electric motor, in particular a three-phase motor, can be supplied,

the intermediate circuit capacitor being connected in parallel with an auxiliary intermediate circuit which consists at least of a series connection of a first device 3 and an auxiliary capacitor,
  • To minimize the peak voltage at the intermediate circuit capacitor when the voltage rises, the auxiliary capacitor is charged by the first device as long as the intermediate circuit voltage Uz is greater than the voltage UzH at the auxiliary capacitor,
  • - By means of the first device, the auxiliary capacitor is decoupled from the intermediate circuit when the difference ΔU = (Uz - UzH) becomes negative as long as the difference does not reach a critical value and
  • - The auxiliary capacitor is discharged by means of the first device when the difference ΔU falls below the critical value.

Die Vorteile entsprechen den vorgenannten. Insbesondere ist somit ein schnelles Wiedereinschalten ermöglicht, insbesondere bei einem schlanken Zwischenkreis.The advantages correspond to the aforementioned. In particular a quick restart is thus possible, especially with one slim DC link.

Weitere Vorteile ergeben sich aus den Unteransprüchen.There are further advantages the subclaims.

11
ÜberspannungsschutzOvervoltage protection
22
Gleichrichterrectifier
33
Schaltungsteil circuit part
44
Endstufefinal stage
55
Steuerungsteil control part
66
Versorgungsnetzsupply network
2121
Schaltungsteil circuit part
C1C1
ZwischenkreiskondensatorLink capacitor
C2C2
Hilfskondensatorauxiliary condenser
R21, R31, R33R21, R31, R33
Widerständeresistors
R32R32
Varistor varistor
D21D21
Diodediode
T31T31
Thyristor thyristor
MM
Motorengine

Die Erfindung wird nun anhand von Abbildungen näher erläutert:
In der 1 ist ein erfindungsgemäßer Umrichter mit schlankem Zwischenkreis gezeigt.The invention will now be explained in more detail with the aid of figures:
In the 1 an inverter according to the invention with a slim DC link is shown.

Dabei ist das Versorgungsnetz 6 mit idealer Drehspannungs-Quelle gezeigt, der die Netzwiderstände und Netzinduktivitäten nachgeordnet sind. Der Umrichter weist einen netzseitigen Überspannungsschutz 1 auf. Der Gleichrichter 2 ist als dreiphasiger Brückengleichrichter ausgeführt und erzeugt die Zwischenkreisspannung (Uz+, Uz–).Here is the supply network 6 shown with an ideal three-phase voltage source, which is followed by the line resistances and line inductances. The converter has overvoltage protection on the line side 1 on. The rectifier 2 is designed as a three-phase bridge rectifier and generates the intermediate circuit voltage (Uz +, Uz–).

Bei einer Netzspannung von ca. 500 Volt beträgt die Spitzenspannung ungefähr 700 Volt. Die Zwischenkreisspannung liegt am Zwischenkreiskondensator C1 an, der als Folienkondensator ausgeführt ist und im Vergleich zu Umrichtern mit dickem Zwischenkreis eine geringere Kapazität aufweist. Der Folienkondensator ist im Vergleich zu den Zwischenkreiskondensatoren eines Umrichters mit dickem Zwischenkreis vorteiligerweise kostengünstiger, benötigt ein geringeres Bauvolumen und weist eine höhere Lebensdauer auf.With a mains voltage of approx. 500 Volts the peak voltage approximately 700 volts. The intermediate circuit voltage is at the intermediate circuit capacitor C1 on, which is designed as a film capacitor and compared to Inverters with a thick intermediate circuit have a lower capacity. The film capacitor is compared to the intermediate circuit capacitors of a converter with a thick intermediate circuit is advantageously less expensive, needed a smaller construction volume and a longer lifespan.

Jedoch treten beim Einschalten des Umrichters infolge der Zusammenwirkung der Netzinduktivitäten und des Zwischenkreiskondensators kurzzeitig höhere Spannungen auf. Diese Überspannungen werden bei dem erfindungsgemäßen Umrichter aber vermindert, insbesondere mittels des Hilfskondensators und dem mit diesem in Reihe angeordneten Schaltungsteil 3. Somit sind alle Bauteile vor der Wirkung der Überspannungen geschützt Daher sind alle weiteren Bauteile, wie insbesondere die Endstufe, derart dimensionierbar, dass weniger Verluste auftreten und kostengünstigere Ausführungsarten wählbar sind.However, higher voltages occur briefly when the converter is switched on due to the interaction of the line inductances and the intermediate circuit capacitor. However, these overvoltages are reduced in the converter according to the invention, in particular by means of the auxiliary capacitor and the circuit part arranged in series therewith 3 , Thus, all components are protected from the effect of the overvoltages. Therefore, all other components, in particular the output stage, can be dimensioned in such a way that fewer losses occur and more cost-effective designs can be selected.

Insbesondere beim Auftreten von Netz-Überspannungspulsen sind bei der Erfindung die bewirkten Stromspitzen kleiner als bei Verwendung eines dicken Zwischenkreises gemäß Stand der Technik. Bei der Erfindung, insbesondere also dem Umrichter mit schlankem Zwischenkreis, ist auch der Gleichrichter für geringeren Stoß-Strom auslegbar und eine Zwischenkreisdrossel ist nicht nötig.Especially when mains overvoltage pulses occur the current peaks caused in the invention are smaller than in Use of a thick intermediate circuit according to the prior art. In the Invention, in particular the converter with a slim DC link, is also the rectifier for lower surge current can be designed and an intermediate circuit choke is not necessary.

Die Endstufe 4 umfasst Leistungsschalter zur Bildung eines Wechselrichters, wobei der Wechselrichter vom Steuerungsteil 5 pulsweitenmoduliert angesteuert wird. Der Wechselrichter ist im Wesentlichen aus drei Halbbrücken aufgebaut, die jeweils mindestens einen unteren und einen oberen Leistungshalbleiterschalterumfassen. Aus dieser Endstufe 4 ist der Drehstrommotor M versorgbar. Besonders vorteilhaft ist der erfindungsgemäße Umrichter bei Drehstrommotoren verwendbar.The final stage 4 includes circuit breakers to form an inverter, the inverter being from the control part 5 pulse width modulated is controlled. The inverter is essentially constructed from three half bridges, each of which comprises at least one lower and one upper power semiconductor switch. From this final stage 4 the three-phase motor M can be supplied. The converter according to the invention can be used particularly advantageously in three-phase motors.

Das Schaltungsteil 3 ist in einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform in der 2 näher dargestellt. Der Widerstand R21 dient zur Begrenzung des Ladestroms für den Hilfskondensator C2, wobei der Kapazitätswert C2 derart gewählt wird und der Widerstand R21 aus einem ersten Widerstandswertebereich derart gewählt wird, dass eine möglichst kleine Spannungsüberhöhung beim Einschalten auftritt. Dabei liegt die Zeitkonstante des Aufladens für den Hilfskondensators typisch zwischen einer halben Millisekunde und drei Millisekunden. Die Diode D21 entkoppelt den als Elektrolytkondensator ausgeführten Hilfskondensator C2 vom Netz während des Betriebs unter Last. Beim Einschalten hingegen ist R21 und C2 wirksam.The circuit part 3 is in a first embodiment according to the invention in the 2 shown in more detail. The resistor R21 serves to limit the charging current for the auxiliary capacitor C2, the capacitance value C2 being selected in this way and the resistor R21 being selected from a first range of resistance values in such a way that a possible As little voltage surge occurs when switching on. The time constant for charging for the auxiliary capacitor is typically between half a millisecond and three milliseconds. The diode D21 decouples the auxiliary capacitor C2, which is designed as an electrolytic capacitor, from the mains during operation under load. However, when switched on, R21 and C2 are effective.

Das Schaltungsteil 21 ist in der 3 für das erste erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel gezeigt. Sobald die Zwischenkreisspannung Uz des Umrichters sich auf kleine Werte oder sogar Null Volt verringert, der Hilfskondensator C2 aber noch geladen ist und die Spannung UzH aufweist, steigt die Spannung am Varistor R32 an und erreicht unter Umständen derart hohe Werte, dass der Widerstandswert des Varistors von hochohmigen zu niederohmigen Werten übergeht. Die hochohmigen Werte des Varistors liegen dabei in einem zweiten Widerstandsbereich, insbesondere vorteiligerweise über ein Megaohm. Die niederen Werte sind aus einem dritten Widerstandswertebereich, der vorteiligerweise Werte zwischen 0 Ohm und 100 Kilo-Ohm umfasst. Dadurch bekommt der Thyristor T31 eine genügend hohe Steuerspannung und geht in den leitenden Zustand über. Somit ist nun ein schnelles Entladen des Hilfskondensators C2 über den Widerstand R31 ermöglicht, der die Zeitkonstante des Entladevorgangs wesentlich mitbestimmt. Der Widerstand R33 ist bei verschiedenen Ausführungsbeispielen verschieden dimensionierbar. Er kann sogar weggelassen werden. Mittels der Dimensionierung der Bauteile kann die für das Zünden des Thyristors benötigte Spannung beeinflusst werden.The circuit part 21 is in the 3 shown for the first embodiment of the invention. As soon as the intermediate circuit voltage Uz of the converter decreases to small values or even zero volts, but the auxiliary capacitor C2 is still charged and has the voltage UzH, the voltage at the varistor R32 rises and may reach such high values that the resistance value of the varistor of high-resistance to low-resistance values. The high-resistance values of the varistor are in a second resistance range, in particular advantageously over a megohm. The lower values are from a third resistance value range, which advantageously comprises values between 0 ohms and 100 kilohms. As a result, the thyristor T31 receives a sufficiently high control voltage and changes to the conductive state. A rapid discharge of the auxiliary capacitor C2 is thus now made possible via the resistor R31, which significantly influences the time constant of the discharge process. The resistor R33 can be dimensioned differently in different exemplary embodiments. It can even be left out. The voltage required to ignite the thyristor can be influenced by dimensioning the components.

Der Entladevorgang ist beendet, wenn die Spannungsdifferenz zwischen der Zwischenkreisspannung Uz und der Spannung UzH am Hilfskondensator Null erreicht.The discharge process is finished when the voltage difference between the intermediate circuit voltage Uz and the voltage UzH at the auxiliary capacitor reaches zero.

Der Typ des Hilfskondensators, Kapazitätswerte und der zweite Wertebereich sind typischerweise derart, dass die Zeitkonstante des Entladens für den Hilfskondensators bei den zugehörigen Spannungen, also Spannungswerten von Uz und UzH, die noch nicht zum Zünden des Thyristors führen, größer als eine Minute ist.The type of auxiliary capacitor, capacitance values and the second range of values are typically such that the Discharge time constant for the Auxiliary capacitor at the associated Voltages, i.e. voltage values of Uz and UzH, that are not yet to ignite of the thyristor, larger than is a minute.

Die Kapazitätswerte und der dritte Wertebereich sind derart gewählt, dass die Zeitkonstante des Entladens des Hilfskondensators bei den zugehörigen Spannungen deutlich kleiner als eine Sekunde ist.The capacity values and the third value range are chosen so that the time constant of the discharge of the auxiliary capacitor at the associated Voltages is significantly less than a second.

Vorteilig ist bei der Erfindung insbesondere auch, dass der Zwischenkreiskondensator C1 funktional wählbar ist, also seine Kapazität entsprechend der elektrischen Strom- und Spannungsanforderungen auswählbar ist. Dies bedeutet insbesondere, dass die Lebensdauer diese Auswahl nicht einschränkt, da sie in jedem Fall genügend groß ist.In the invention, it is also particularly advantageous that the intermediate circuit capacitor C1 can be functionally selected, so its capacity according to the electrical current and voltage requirements selectable is. In particular, this means that the lifespan of this selection not restrict since they are enough in any case is great.

Weiter ist von Vorteil, dass die Netzrückwirkung und die Netzoberwellen gering sind. Weiter ist auch der auftretende Einschaltstrom gering. Die Lebensdauer ist im Wesentlichen unabhängig von der Belastung. Insbesondere ist die Lebensdauer typisch mindestens zehnmal größer als bei einem Umrichter mit dickem Zwischenkreis mit derselben Nennleistung bei gegebener Nennleistung und Temperatur.Another advantage is that the Phase effect and the harmonics are low. Next is the one that occurs Inrush current low. The lifespan is essentially independent of the burden. In particular, the lifespan is typically at least ten times larger than for a converter with a thick DC link with the same nominal power for a given nominal power and temperature.

Dem Fachmann ist klar, dass er die beschriebenen Bauelemente und Schaltungsteile auch durch andere Schaltungsteile und/oder Bauteile ersetzen kann, die in entsprechend ähnlicher Weise wirken.It is clear to the expert that he is the described components and circuit parts by others Circuit parts and / or components can replace the correspondingly similar Act wise.

Beispielsweise ist der Zwischenkreiskondensator durch eine Reihenschaltung oder Parallelschaltung oder durch eine komplexere Zusammenschaltungsart aus zwei oder mehreren Kondensatoren ersetzbar.For example, the intermediate circuit capacitor through a series connection or parallel connection or through a more complex interconnection of two or more capacitors replaceable.

Entsprechendes gilt auch für jedes passive Bauelement. Ebenso können Leistungsschalter durch Reihen- oder Parallelschaltungen von mehreren solchen Schaltern ersetzt werden.The same applies to everyone passive component. You can also Circuit breakers through series or parallel connections of several such switches are replaced.

Claims (17)

Umrichter, umfassend – einen Gleichrichter zum Erzeugen einer unipolaren Zwischenkreisspannung aus einer dreiphasigen Netzspannung, insbesondere Drehspannung, – einen Zwischenkreiskondensator, der an der Zwischenkreisspannung angeschlossen ist, – eine Leistungsschalter umfassende Endstufe, von der aus ein Elektromotor, insbesondere ein Drehstrommotor, versorgbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass dem Zwischenkreiskondensator ein Hilfszwischenkreis parallel geschaltet ist, der zumindest aus einer Reihenschaltung einer ersten Vorrichtung 3 und einem Hilfskondensator besteht, wobei die erste Vorrichtung 3 derart gestaltet ist, dass sie – einen Widerstandswert aus einem ersten Widerstandswertebereich zum Minimieren der Spitzenspannung am Zwischenkreiskondensator bei Spannungsanstiegen aufweist, solange die Zwischenkreisspannung Uz größer ist als die Spannung UzH am Hilfskondensator, – einen Widerstandswert aus einem zweiten Widerstandswertebereich, der hochohmiger als der erste Widerstandswertebereich ist, aufweist, wenn die Differenz ΔU = (Uz –UzH) negativ wird, solange die Differenz nicht einen kritischen Wert erreicht und – einen Widerstandswert aus einem dritten Widerstandswertebereich, der viel niederohmiger ist als der zweite Widerstandswertebereich, annimmt, wenn die Differenz ΔU unter den kritischen Wert fällt.Converter, comprising: - a rectifier for generating a unipolar DC voltage from a three-phase mains voltage, in particular three-phase voltage, - an intermediate circuit capacitor which is connected to the intermediate circuit voltage, - a power switch comprising output stage, from, is supplied from an electric motor, especially a three-phase motor, characterized characterized in that the intermediate circuit capacitor, an auxiliary intermediate circuit is connected in parallel, which at least consists of a series connection of a first device 3 and an auxiliary capacitor, the first device 3 is designed in such a way that it has a resistance value from a first resistance value range for minimizing the peak voltage at the intermediate circuit capacitor in the event of voltage increases as long as the intermediate circuit voltage Uz is greater than the voltage UzH at the auxiliary capacitor, a resistance value from a second resistance value range which is more high-resistance than the first resistance value range , if the difference ΔU = (Uz -UzH) becomes negative as long as the difference does not reach a critical value and - assumes a resistance value from a third resistance value range, which is much lower resistance than the second resistance value range, if the difference ΔU below the critical value drops. Umrichter nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenkreiskondensator eine direkt am Netz liegende Kapazität hat, die kleiner ist als
Figure 00130001
oder kleiner ist als 5 μF pro Ampere Zwischenkreis-Nennstrom, wobei UZ_Nenn die Zwischenkreis-Nennspannung des Umrichters in Volt ist.Converter according to at least one of the preceding claims, characterized in that the intermediate circuit capacitor has a capacitance located directly on the network, which is smaller than
Figure 00130001
or less than 5 μF per ampere DC link nominal current, where U Z_Nenn is the DC link nominal voltage of the converter in volts. Umrichter nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenkreiskondensator keine polare Vorzugsrichtung hat, also kein Elektrolytkondensator ist und also auch keine Polarität aufweist.Converter according to at least one of the preceding Expectations, characterized in that the intermediate circuit capacitor none has a polar preferred direction, i.e. is not an electrolytic capacitor and therefore no polarity having. Umrichter nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenkreiskondensator ein Folienkondensator ist.Converter according to at least one of the preceding Expectations, characterized in that the intermediate circuit capacitor is a film capacitor is. Umrichter nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfskondensator ein Elektrolytkondensator ist.Converter according to at least one of the preceding Expectations, characterized in that the auxiliary capacitor is an electrolytic capacitor. Umrichter nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazitätswerte und der erste Wertebereich derart gewählt ist, dass die Zeitkonstante des Aufladens für den Hilfskondensators bei den zugehörigen Spannungen zwischen einer halben Millisekunde und drei Millisekunden liegt.Converter according to at least one of the preceding Expectations, characterized in that the capacitance values and the first range of values such chosen is that the time constant of charging for the auxiliary capacitor at the associated voltages is between half a millisecond and three milliseconds. Umrichter nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Typ des Hilfskondensators, Kapazitätswerte und der zweite Wertebereich derart gewählt ist, dass die Zeitkonstante des Entladens für den Hilfskondensators bei den zugehörigen Spannungen größer als eine Minute ist.Converter according to at least one of the preceding Expectations, characterized in that the type of auxiliary capacitor, capacitance values and the second range of values is chosen such that the time constant of unloading for the auxiliary capacitor at the associated voltages is greater than one Minute is. Umrichter nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazitätswerte und der dritte Wertebereich derart gewählt ist, dass die Zeitkonstante des Entladens des Hilfskondensators bei den zugehörigen Spannungen kleiner als eine Sekunde ist.Converter according to at least one of the preceding Expectations, characterized in that the capacitance values and the third range of values such chosen is that the time constant of the discharge of the auxiliary capacitor at the associated voltages is less than a second. Umrichter nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Vorrichtung mindestens aus einer Reihenschaltung, umfassend zumindest eine Diode D21 und einen Widerstand R21 in Zusammenwirkung mit dem Serienwiderstand des Hilfszwischenkreiskondensators zur Minimierung der Spannungsüberhöhung am Zwischenkreiskondensator C1, und einer zweiten Vorrichtung, die dieser Reihenschaltung parallel geschaltet ist.Converter according to at least one of the preceding Expectations, characterized in that the first device at least a series circuit comprising at least one diode D21 and one Resistor R21 in cooperation with the series resistance of the auxiliary link capacitor to minimize the voltage surge on DC link capacitor C1, and a second device, the this series circuit is connected in parallel. Umrichter nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Vorrichtung mindestens aus einer Diode D21 und einer dazu parallel geschalteten zweiten Vorrichtung besteht, wobei der Serienwiderstand des Hilfszwischenkreiskondensators zur Minimierung der Spannungsüberhöhung am Zwischenkreiskondensator C1 vorgesehen ist.Converter according to at least one of claims 1 to 7, characterized in that the first device at least a diode D21 and a second one connected in parallel Device consists, the series resistance of the auxiliary intermediate circuit capacitor to minimize the voltage surge on DC link capacitor C1 is provided. Umrichter nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Vorrichtung einen Leistungsschalter und Steuermittel zum Ansteuern des Leistungsschalters umfasst, wobei die Steuermittel aus der Differenz ΔU = (Uz – UzH) versorgbar sind und abhängig von dieser Differenz den Leistungsschalter beeinflussen, insbesondere seine Steuerspannung erzeugen.Converter according to at least one of the preceding Expectations, characterized in that the second device includes a circuit breaker and Control means for controlling the circuit breaker, wherein the control means can be supplied from the difference ΔU = (Uz - UzH) and dependent from this difference affect the circuit breaker, in particular generate its control voltage. Umrichter nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Vorrichtung aus zwei parallel geschalteten Reihenschaltungen besteht, wobei in einer der beiden Reihenschaltungen der Leistungsschalter angeordnet ist und in der anderen der beiden Reihenschaltungen die Steuermittel vorgesehen sind.Converter according to at least one of the preceding Expectations, characterized in that the second device consists of two in parallel connected series connections, one of the two Series circuit of the circuit breaker is arranged and in the other of the two series connections, the control means are provided. Umrichter nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuermittel eine spannungsabhängige Impedanz umfassen zur Beeinflussung der Steuerspannung für den Leistungsschalter.Converter according to at least one of the preceding Expectations, characterized in that the control means has a voltage dependent impedance include to influence the control voltage for the circuit breaker. Umrichter nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die spannungsabhängige Impedanz zumindest einen Varistor und/oder eine Zenerdiode umfasst.Converter according to at least one of the preceding Expectations, characterized in that the voltage dependent impedance is at least one Varistor and / or includes a Zener diode. Umrichter nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Leistungsschalter ein Thyristor ist und/oder die Steuermittel eine Zündvorrichtung sind.Converter according to at least one of the preceding Expectations, characterized in that the circuit breaker is a thyristor and / or the control means are an ignition device. Umrichter nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfszwischenkreis kein Schaltnetzteil oder einen entsprechenden Verbraucher versorgt.Converter according to at least one of the preceding Expectations, characterized in that the auxiliary intermediate circuit is not a switching power supply or a corresponding consumer. Verfahren zum Betrieb eines Umrichters, umfassend – einen Gleichrichter zum Erzeugen einer unipolaren Zwischenkreisspannung aus einer dreiphasigen Netzspannung, insbesondere Drehspannung, – einen Zwischenkreiskondensator, der an der Zwischenkreisspannung angeschlossen ist, – eine Leistungsschalter umfassende Endstufe, von der aus ein Elektromotor, insbesondere ein Drehstrommotor, versorgbar ist, wobei dem Zwischenkreiskondensator ein Hilfszwischenkreis parallel geschaltet ist, der zumindest aus einer Reihenschaltung einer ersten Vorrichtung 3 und einem Hilfskondensator besteht, wobei – zum Minimieren der Spitzenspannung am Zwischenkreiskondensator bei Spannungsanstiegen mittels der ersten Vorrichtung 3 der Hilfskondensator beladen wird, solange die Zwischenkreisspannung Uz größer ist als die Spannung UzH am Hilfskondensator, – mittels der ersten Vorrichtung 3 der Hilfskondensator vom Zwischenkreis abgekoppelt wird, wenn die Differenz ΔU = (Uz – UzH) negativ wird, solange die Differenz nicht einen kritischen Wert erreicht und – mittels der ersten Vorrichtung 3 der Hilfskondensator entladen wird, wenn die Differenz ΔU unter den kritischen Wert fällt.Method for operating a converter, comprising - a rectifier for generating a unipolar intermediate circuit voltage from a three-phase mains voltage, in particular three-phase voltage, - an intermediate circuit capacitor which is connected to the intermediate circuit voltage, - a power stage comprising a circuit breaker, from which an electric motor, in particular a three-phase motor, can be supplied, the intermediate circuit capacitor having an auxiliary intermediate circuit connected in parallel, which consists at least of a series connection of a first device 3 and an auxiliary capacitor, wherein - to minimize the peak voltage at the intermediate circuit capacitor when the voltage rises, the auxiliary capacitor 3 is charged by the first device 3 as long as the intermediate circuit voltage Uz is greater than the voltage UzH at the auxiliary capacitor, - by means of the first device 3 of the auxiliary capacitor Tor is decoupled from the intermediate circuit when the difference ΔU = (Uz - UzH) becomes negative as long as the difference does not reach a critical value and - by means of the first device 3, the auxiliary capacitor is discharged when the difference ΔU falls below the critical value.
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