DE10310577A1 - Zero phase sequence voltage filter for inverter with self commutating power supply rectifier and DC link circuit has path provided for zero phase sequence voltages between link circuit output and rectifier low pass input filter - Google Patents

Zero phase sequence voltage filter for inverter with self commutating power supply rectifier and DC link circuit has path provided for zero phase sequence voltages between link circuit output and rectifier low pass input filter Download PDF

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Abstract

The active front end rectifier (AFE) supplies an inverter (not shown) through a DC Link circuit. On its input side is connected a low pass filter of inductances (L1,L2,L3) and capacitors (C2,C3,C4). A path (P) is provided for zero sequence voltages from the center point between two capacitors (C1,C5) connected across the dc link output and the star point of the low pass filter capacitors. A capacitor (C6) in this circuit restricts the level of zero phase sequence currents flowing.

Description

Die Erfindung betrifft ein Nullspannungsfilter für Umrichter mit selbstgeführtem Netzstromrichter (AFE) und Gleichspannungszwischenkreis sowie einem Eingangsfilter, bestehend aus einer Längsinduktivität und einem Kondensator pro Phasenstrang.The invention relates to a zero voltage filter for converters with self-guided Mains converter (AFE) and DC link as well as one Input filter, consisting of a series inductance and a Capacitor per phase string.

Selbstgeführte Netzstromrichter (Aktiv-Front-Ends – AFE) von PWM-Umrichtern erzeugen aufgrund der Schalthandlungen der sechs Schalter prinzipiell eine relativ hohe Nullspannung, welche das Potential des Spannungszwischenkreises gegenüber dem Erd- beziehungsweise Massepotential verschiebt. Diese Nullspannungskomponente gelangt über den Zwischenkreis und den Wechselrichter zum Umrichterausgang und zu dem angeschlossenen Verbraucher, beispielsweise einem Motor. Dies erzeugt bei einem Motor zum einen Probleme bezüglich der EMV und zum anderen verursacht die Nullspannung Lagerströme im Motor, welche die Motorlager beschädigen können. Weiterhin erzeugt auch der Wechselrichter während der Schalthandlungen Nullspannungskomponenten, welche sich mit der Nullspannung vom AFE so überlagern können, dass eine Beschädigung der Motorisolation die Folge sein kann.Self-commutated power converters (active front ends - AFE) from Due to the switching operations of the six, PWM inverters generate Switch basically a relatively high zero voltage, which the Potential of the voltage intermediate circuit compared to the earth or Ground potential shifts. This zero voltage component passes through the DC link and the inverter to the inverter output and the connected consumer, for example an engine. This creates problems with an engine on the one hand and EMC on the other causes the zero voltage bearing currents in the motor, which affects the motor bearings to damage can. Furthermore, the inverter also generates during the switching operations Zero voltage components, which correspond to the zero voltage from the AFE so overlay can that damage the motor insulation may result.

Im Nullsystem wirkt das AFE wie eine treppenförmige Spannungsquelle mit einer "Grundfrequenz", die gleich der Modulationsfrequenz ist, und einer Amplitude, die gleich der halben Zwischenkreisspannung ist. Ohne zusätzliche Maßnahmen würde nur eine Induktivität L Null im Nullsystem wirken, das heißt die Nullspannung und den Nullstrom reduzieren beziehungsweise begrenzen, realisiert hauptsächlich durch die Längsinduktivitäten im AFE. Die Nullströme würden sich über parasitäre Kapazitäten und Induktivitäten im Motor und Umrichterausgangskabel schließen. Dabei wirkt die Induktivität wie ein Filter erster Ordnung, wobei die Filterwirkung sehr stark von den diesen parasitären Bauelementen abhängt.In the zero system, the AFE acts like one stepped Voltage source with a "fundamental frequency" that is equal to the Modulation frequency, and an amplitude equal to half DC link voltage is. Without additional measures, only an inductance L would become zero act in the zero system, that is reduce or limit the zero voltage and the zero current, mainly realized due to the longitudinal inductances in the AFE. The zero currents would yourself about parasitic capacities and inductors in the motor and converter output cable. The inductance acts like one First order filter, the filter effect very different from the this parasitic Components depends.

Bisher bekannte Lösungen beruhen auf der Maßnahme, die Nullimpedanz im Kreis, bestehend aus Netz, Gleichrichter/AFE mit Eingangsfilter, Zwischenkreis, Wechselrichter und induktivem Verbraucher möglichst groß zu machen, damit die von der Nullspannung erzeugten Ströme klein werden, das heißt, dass die unerwünschte Nullspannung an den zusätzlich eingefügten Nullimpedanzen, zum Beispiel einer stromkompensierten Drossel, abfällt.Previously known solutions are based on the measure the zero impedance in the circuit, consisting of mains, rectifier / AFE with input filter, DC link, inverter and inductive Consumers if possible big too so that the currents generated by the zero voltage are small become, that is, that the unwanted Zero voltage on the additional pasted Zero impedances, for example a current-compensated choke, drop.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Nullspannungsfilter der eingangs genannten Art mit einem neuen Konzept anzugeben.The invention is based on the object Zero voltage filter of the type mentioned at the beginning with a new concept specify.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.According to the invention the object is achieved by the features of claim 1. Preferred embodiments of the invention result from the rest, in the subclaims mentioned features.

Der Grundgedanke der Erfindung liegt darin, dass dem Nullstrom gezielt ein Strompfad innerhalb des Umrichters zur Verfügung gestellt wird, so dass sich der Nullstrom innerhalb des Umrichters schließen kann und nicht wie bisher über parasitäre Kapazitäten und Induktivitäten fließen muss und sich die Maschen über den Sternpunkt des Versorgungsnetzes schließen müssen.The basic idea of the invention lies in that the zero-current targeted a current path within the converter to disposal is set so that the residual current is within the converter conclude can and not as before parasitic capacities and inductors flow must and the stitches over must close the star point of the supply network.

Nach der Erfindung wird gezielt ein Strompfad zwischen dem oder den Kondensatoren des Eingangsfilters und dem Spannungszwischenkreis und gegebenenfalls zwischen dem oder den Kondensatoren eines zusätzlichen, analog zum Eingangsfilter gestalteten Ausgangsfilters und dem Spannungszwischenkreis oder dem Eingangsfilter in den Umrichter eingefügt, über welchen sich unerwünschte Nullströme schließen können. Damit die Ströme über diesen Pfad nicht zu groß werden, werden in die sem Stromkreis zweckmäßig Nullimpedanzen eingefügt, so dass die Nullspannung an diesen Impedanzen abfällt. Dies geschieht in bevorzugter Weise so, dass die Nullimpedanzen, welche den Strom in dem zusätzlichen Strompfad begrenzen, gleichzeitig die Nullspannung am Umrichterausgang reduzieren.According to the invention is targeted Current path between the capacitor (s) of the input filter and the voltage intermediate circuit and, if appropriate, between the or the capacitors of an additional, analog to the input filter designed output filter and the voltage intermediate circuit or the input filter inserted into the converter, through which undesired zero currents can be closed. In order to the streams over this Path doesn't get too big expediently zero impedances are inserted into this circuit, so that the zero voltage at these impedances drops. This happens in a more preferred way Way so that the zero impedances, which the current in the additional Limit current path, at the same time the zero voltage at the converter output to reduce.

Bei einem dreiphasigen Stromrichteraufbau kann der separate Strompfad beispielsweise den Mittelpunkt des Spannungszwischenkreises mit dem Sternpunkt der Kondensatoren des Eingangsfilters und/oder des Ausgangsfilters verbinden.With a three-phase converter construction the separate current path, for example, the center of the voltage intermediate circuit with the star point of the capacitors of the input filter and / or of the output filter.

Es ist auch möglich, dass man die Verbindung zum Mittelpunkt des Zwischenkreises weglässt und der separate Strompfad dann die Sternpunkte der Kondensatoren des Eingangsfilters und des Ausgangsfilters verbindet.It is also possible for you to connect to the center of the DC link and the separate current path then the star points of the capacitors of the input filter and the Output filter connects.

Eine weitere, ähnliche Variante dieses Aufbaus ist ein Strompfad, der einen Gleichspannungspol der Stromrichterventile mit dem Sternpunkt der Kondensatoren des Eingangsfilters und/oder Ausgangsfilters verbindet, wobei dann aber ein symmetrischer Aufbau gewählt werden sollte, das heißt für jede Polseite ein Satz Kondensatoren des Eingangs-/Ausgangsfilters vorhanden ist.Another, similar variant of this structure is a current path, which is a DC pole of the converter valves with the star point of the capacitors of the input filter and / or Output filter connects, but then a symmetrical structure chosen should be, that is for every Pole side a set of capacitors of the input / output filter available is.

Die Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:The invention is based on the following of embodiments are explained in more detail. In the associated The drawings show:

1 eine erste Variante des separaten Nullstrompfades an einem AFE; 1 a first variant of the separate zero current path on an AFE;

2 ein Ersatzschaltbild des AFEs mit Eingangsfilter im Nullsystem; 2 an equivalent circuit diagram of the AFE with input filter in the zero system;

3 eine zweite Variante des separaten Nullstrompfades an einem AFE; 3 a second variant of the separate zero current path on an AFE;

4 einen separaten Nullstrompfad analog 1 zum Eingangs- und zum Ausgangsfilter; 4 a separate zero current path analog 1 to the input and output filters;

5 eine alternative Variante zum Nullstrompfad gemäß 4 und 5 an alternative variant to the zero current path according to 4 and

6 eine weitere alternative Variante an einem AFE. 6 another alternative variant on egg AEM.

Eine erste Ausführungsvariante ist in 1 dargestellt, wo ein AFE mit Eingangsfilter und einem zusätzlichen Nullstrompfad P Null abgebildet ist. Der AFE wird durch die sechs abschaltbaren Leistungs-Halbleiterschalter IGBT1 bis IGBT6 (insulated gate bipolar transistor – IGBT) gesteuert, die vom Netz mit den Netzspannungen E1, E2, E3 versorgt werden.A first variant is in 1 shown where an AFE with input filter and an additional zero current path P zero is shown. The AFE is controlled by the six power semiconductor switches IGBT1 to IGBT6 (insulated gate bipolar transistor - IGBT) that can be switched off and are supplied by the network with the line voltages E1, E2, E3.

Das Eingangsfilter besteht dabei aus den für die Funktion des AFE ohnehin nötigen Induktivitäten L1, L2 und L3 und den Kondensatoren C2, C3 und C4. Das Eingangsfilter wirkt – vom AFE aus gesehen – wie ein Tiefpass und filtert die rechteckförmigen Spannungsblöcke, die am Eingang des AFEs entstehen, damit die Netzspannung E1, E2, E3 nicht zu stark verzerrt wird. Der Nullstrompfad P Null, über welchen sich die Nullströme schließen können, beginnt am Sternpunkt, der durch die Kondensatoren C2, C3 und C4 gebildet wird, und führt über einen Kondensator C6 zum Mittelpunkt eines Spannungszwischenkreises, der aus den Kondensatoren C1 und C5 gebildet wird.The input filter is there from the for the Function of the AFE necessary anyway Inductors L1, L2 and L3 and capacitors C2, C3 and C4. The input filter works - from AFE seen - how a low pass and filters the rectangular voltage blocks that at the input of the AFE so that the mains voltage E1, E2, E3 is not distorted too much. The zero current path P zero, over which the zero currents conclude can, starts at the neutral point through the capacitors C2, C3 and C4 is formed, and leads through a capacitor C6 to the center of a voltage intermediate circuit, which consists of the capacitors C1 and C5 is formed.

Mit Hilfe des Nullstrompfades P Null wird ein Filter zweiter Ordnung aufgebaut und die Nullströme können sich innerhalb des Umrichters schließen, wie auch 2 in einem einfachen Ersatzschaltbild zeigt. Überdies ist die am Umrichterausgang auftretende Nullspannung erheblich weniger von den erwähnten parasitären Elementen abhängig und wird gezielt durch das Filter zweiter Ordnung reduziert. Beim Filter erster Ordnung, das heißt ohne den erfindungsgemäßen Nullstrompfad P Null, ergäbe sich nur ein Nullspannungsteiler aus der Induktivität L Null und den parasitären Elementen am Umrichterausgang, das heißt, die Nullspannung würde nur mit Hilfe der externen parasitären Elemente reduziert.With the help of the zero current path P zero, a second order filter is built up and the zero currents can close within the converter as well 2 shows in a simple equivalent circuit diagram. In addition, the zero voltage occurring at the converter output is significantly less dependent on the parasitic elements mentioned and is specifically reduced by the second-order filter. In the first-order filter, that is to say without the zero current path P zero according to the invention, there would only be a zero voltage divider consisting of the inductance L zero and the parasitic elements at the converter output, that is to say the zero voltage would only be reduced with the aid of the external parasitic elements.

Neben dem AFE wirkt auch noch der Wechselrichter WR mit seinen Halbleiterschaltern IGBT11 bis IGBT61 als Nullspannungsquelle. Diese Nullspannung kann auf ähnliche Weise durch ein Ausgangsfilter gefiltert werden. Wie 4 zeigt, kann so ein Nullstrompfad P Null zwischen Eingangsfilter, Spannungszwischenkreis und Ausgangsfilter aufgebaut werden. Das Ausgangsfilter wird aus den Kondensatoren C7, C8, C9 und den Induktivitäten L4, L6, L6 gebildet.In addition to the AFE, the inverter WR with its semiconductor switches IGBT11 to IGBT61 also acts as a zero voltage source. This zero voltage can be filtered in a similar way by an output filter. How 4 shows, a zero current path P zero can be established between the input filter, voltage intermediate circuit and output filter. The output filter is formed from the capacitors C7, C8, C9 and the inductors L4, L6, L6.

Gibt man einen Freiheitsgrad bei der Dimensionierung des Nullspannungsfilters auf, so kann der Nullstrompfad P Null auch realisiert werden, indem der Kondensator C6 weggelassen und der Mittelpunkt des Spannungszwischenkreises direkt mit dem Sternpunkt des Eingangsfilters verbunden wird, wie das 3 zeigt.If one gives up a degree of freedom when dimensioning the zero voltage filter, the zero current path P zero can also be realized by omitting the capacitor C6 and connecting the center of the voltage intermediate circuit directly to the star point of the input filter, like that 3 shows.

Diese Realisierung hat allerdings den Nachteil, dass die Filtercharakteristik des Nullspannungsfilters fest durch das Eingangsfilter des AFEs vorgegeben ist, wenn die Kondensatoren C1 und C5 sehr groß sind im Vergleich zu den restlichen Kondensatoren, was der Fall ist, wenn die Kondensatoren C1 und C5 die Zwischenkreiskondensatoren bilden.However, this realization has the disadvantage that the filter characteristic of the zero voltage filter is fixed by the input filter of the AFE if the Capacitors C1 and C5 are very large compared to the remaining capacitors, which is the case when the capacitors C1 and C5 form the intermediate circuit capacitors.

Dieser Nachteil tritt nicht auf bei einer dritten Ausführungsform, wenn die Kondensatoren C1 und C5 relativ klein sind (zum Beispiel Folienkondensatoren), so dass mit ihnen die Filtercharakteristik des Nullspannungsfilters eingestellt werden kann. Dazu parallel würden sich dann die Zwischenkreiskondensatoren (gewöhnlich Elektrolytkondensatoren) befinden (nicht gezeigt).This disadvantage does not occur a third embodiment, when capacitors C1 and C5 are relatively small (for example Film capacitors), so that with them the filter characteristic of the zero voltage filter can be set. In parallel would then the intermediate circuit capacitors (usually electrolytic capacitors) located (not shown).

Erhöht man die Schaltfrequenz des AFEs, so reduziert sich die Baugröße der Filterbauelemente. Damit durch die erhöhte Schaltfrequenz die Schaltverluste nicht zu sehr ansteigen, kann man für die elektronischen Schalter zum Beispiel SiC-Bauelemente (SiC-Schottky-Dioden, SiC-Jfets, etc.) einsetzen.Increasing the switching frequency of the AFEs reduce the size of the filter components. In order to through the increased Switching frequency, the switching losses cannot increase too much one for the electronic switches, for example SiC components (SiC Schottky diodes, SiC Jfets, etc.).

Die kleineren Filterbauelemente würden eine Realisierung der Filtertopologie vereinfachen und kostengünstiger machen.The smaller filter components would be a realization simplify the filter topology and make it cheaper.

Dabei ist es auch möglich, dass man die Verbindung zum Mittelpunkt des Zwischenkreises weglässt, wie in 5 dargestellt ist. In diesem Falle schließen sich die Nullströme über den Wechselrichter WR, das Ausgangsfilter und zurück über den hinzugefügten Nullstrompfad P Null. Dabei ist anzumerken, dass sich bei einer Verbindung des Nullstrompfades P Null mit dem Spannungszwischenkreis, wie dies in 4 dargestellt ist, die Nullströme auf kürzerem Wege schließen, das heißt nicht über den Wechselrichter WR und Ausgangsfilter. Andererseits fällt im Falle der Verbindung wie sie in 5 dargestellt ist, zusätzlich über der Nullimpedanz des Wechselrichters WR und der Nullimpedanz des Ausgangsfilters ein Teil der Nullspannung ab, welche vom AFE erzeugt wird, so dass sich die Nullspannung am Umrichterausgang weiter reduziert.It is also possible to omit the connection to the center of the DC link, as in 5 is shown. In this case, the zero currents close via the inverter WR, the output filter and back via the added zero current path P zero. It should be noted that when the zero current path P zero is connected to the voltage intermediate circuit, as shown in 4 is shown, the zero currents close in a shorter way, that is, not via the inverter WR and output filter. On the other hand, in the case of the connection as in 5 is shown, in addition to the zero impedance of the inverter WR and the zero impedance of the output filter, a part of the zero voltage generated by the AFE, so that the zero voltage at the converter output is further reduced.

In 6 ist noch eine weitere Variante an einem AFE gezeigt. Hier verbinden zwei Strompfade P Null jeweils einen Gleichspannungspol der Stromrichterventile IGBT1 bis IGBT6 mit dem Sternpunkt der Kondensatoren C2, C3, C4 und C11, C12, C13 des Eingangsfilters, wobei hier ein symmetrischer Aufbau des Eingangsfilters gewählt wurde.In 6 a further variant is shown on an AFE. Here, two current paths P zero each connect a DC voltage pole of the converter valves IGBT1 to IGBT6 to the star point of the capacitors C2, C3, C4 and C11, C12, C13 of the input filter, a symmetrical structure of the input filter being selected here.

Claims (5)

Nullspannungsfilter für Umrichter mit selbstgeführtem Netzstromrichter (AFE) und Gleichspannungszwischenkreis sowie einem Eingangsfilter, bestehend aus einer Längsinduktivität (L1, L2, L3) und einem Kondensator (C2, C3, C4) pro Phasenstrang, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Kondensatoren (C2, C3, C4) des Eingangsfilters mit dem Spannungszwischenkreis und gegebenenfalls der oder die Kondensatoren (C7, C8, C9) eines zusätzlichen, analog zum Eingangsfilter gestalteten Ausgangsfilters mit dem Spannungszwischenkreis oder dem Eingangsfilter durch einen separaten Strompfad (P Null) verbunden sind.Zero voltage filter for converters with self-commutated line converter (AFE) and DC voltage intermediate circuit as well as an input filter, consisting of a series inductance (L1, L2, L3) and a capacitor (C2, C3, C4) per phase string, characterized in that the capacitor (s) (C2, C3, C4) of the input filter are connected to the voltage intermediate circuit and, if appropriate, the capacitor (s) (C7, C8, C9) of an additional output filter, designed analogously to the input filter, are connected to the voltage intermediate circuit or the input filter by a separate current path (P zero). Nullspannungsfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem separaten Strompfad (P Null) mindestens eine Impedanz (C6, C10) angeordnet ist.Zero voltage filter according to claim 1, characterized in that in the separate current path (P zero) at least one impedance (C6, C10) is arranged. Nullspannungsfilter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der separate Strompfad (P Null) den Mittelpunkt des Spannungszwischenkreises mit dem Sternpunkt der Kondensatoren (C2, C3, C4; C7, C8, C9) des Eingangsfilters und/oder Ausgangsfilters verbindet.Zero voltage filter according to one of the preceding Expectations, characterized in that the separate current path (P zero) the Center of the voltage intermediate circuit with the neutral point of the capacitors (C2, C3, C4; C7, C8, C9) of the input filter and / or output filter combines. Nullspannungsfilter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der separate Strompfad (P Null) die Sternpunkte der Kondensatoren (C2, C3, C4; C7, C8, C9) des Eingangsfilters und des Ausgangsfilters verbindet.Zero voltage filter according to claim 1 or 2, characterized characterized that the separate current path (P zero) the star points the capacitors (C2, C3, C4; C7, C8, C9) of the input filter and of the output filter connects. Nullspannungsfilter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der separate Strompfad mindestens einen Gleichspannungspol der Stromrichterventile (IGBT1 bis IGBT6; IGBT11 bis IGBT61) mit dem Sternpunkt der Kondensatoren (C2, C3, C4; C7, C8, C9) des Eingangsfilters und/oder Ausgangsfilters verbindet.Zero voltage filter according to claim 1 or 2, characterized characterized in that the separate current path has at least one DC voltage pole of the converter valves (IGBT1 to IGBT6; IGBT11 to IGBT61) with the star point of the capacitors (C2, C3, C4; C7, C8, C9) of the input filter and / or Output filter connects.
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