WO1999049559A2

WO1999049559A2 - Verfahren und vorrichtung zur entstörung von umrichtern

Info

Publication number: WO1999049559A2
Application number: PCT/AT1999/000073
Authority: WO
Inventors: Lutz Erhartt; Karl Edelmoser
Original assignee: Lutz Erhartt; Karl Edelmoser
Priority date: 1998-03-20
Filing date: 1999-03-19
Publication date: 1999-09-30
Also published as: AU3017599A; WO1999049559A3; ATA49098A

Abstract

Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Gleichtaktentstörung von Umrichtern (1), mit denen verlustarm der Energiefluß zwischen zwei verschiedenen elektrischen Systemen, von denen eines ein Gleichstromsystem ist, geregelt werden kann. Der Umrichter erzeugt dabei die Gleichtaktstörspannung (21), die zwischen den Bezugspotentialen der beiden elektrischen Systeme auftritt. Das Bezugspotential des Gleichstromsystems liegt an der Klemme (16), das des anderen Systems, vorzugsweise das Sternpunktpotential eines Drehstromsystems, liegt an der Klemme (5). An die Klemmen (5 und 16) wird nun die Primärwicklung (37) des Entstörtransformators (31) angeschlossen, dessen Sekundärwicklungen (36, 38) in die positive und die negative Versorgungsleitung des Gleichstromsystems geschaltet sind, bzw. an die gleichstromseitigen Umrichterklemmen (9, 10) und den Klemmen (32, 33) des Gleichstromsystems angeschlossen sind. Die an der Wicklung (37) auftretende Gleichtaktstörspannung (21) liegt auch an den Sekundärwicklungen (36, 38) und wird dadurch kompensiert, sodaß zwischen einem geeigneten Bezugspotential des Gleichstromsystems und dem Potential an der Klemme (5) des anderen elektrischen Systems, das vorzugsweise erdpotential ist, keine Wechselspannung mehr anliegt.

Description

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR ENTSTÖRUNG VON UMRICHTERN

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Vermeidung der Gleichtaktstörungen bzw. der Erdableitströme in Umrichtern, wie sie in den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 2 beschrieben sind. Dabei wird zwischen den gleichspannungsseitigen positiven und negativen Versorgungsleitungen des Umrichters einerseits und den Anschlüssen des Gleichstromsystems andererseits jeweils eine Spannungsquelle zwischengeschaltet, sodaß die Gleichspannung zwischen den Anschlüssen des Gleichstromsystems gegenüber dem Erdpotential ruht, obwohl sich die Gleichspannung zwischen den Versorgungsleitungen des Umrichters gegenüber dem Erdpotential bewegt.

Pulsgleichrichterschaltungen nehmen sinusähnliche Netzströme auf und reduzieren somit die Netzrückwirkungen, stellen jedoch eine große Störquelle dar. Der an das Drephasennetz angeschlossene Umrichter erzeugt eine Gleichspannung, die sich gegenüber dem Erdpotential mindestens mit Schaltfrequenz und Schaltgeschwindigkeit um Spannungswerte, die im Bereich der Zwischenkreisspannung liegen, bewegt. Der Wechselanteil der vom Umrichter erzeugten Spannung zwischen den gleichstromseitigen Versorgungsleitungen des Umrichters und einem Bezugspotential des anderen Systems, vorzugsweise dem Sternpunktpotential eines Drehstromsystems, wird im folgenden als Gleichtaktstörspannung bezeichnet. Vor allem bei höheren Schaltfrequenzen führt sie zu Problemen.

Im Bereich der Antriebssysteme setzen sich beispielsweise aufgrund der Entwicklung in der Leistungselektronik und der einfacheren Maschinen sowie der steigenden Anforderungen an die Drehzahlstellbarkeit zunehmend mit Wechselrichtern (Frequenzumrichtern) gespeiste Drehfeldmaschinen durch. Mit IGBT-Umrichtern werden bereits 6 kHz erreicht. Höhere Schaltfrequenzen werden zur Herabsetzung von Drehmomentpulsationen und Geräuschentwicklungen angestrebt, sind derzeit wegen der hohen Beanspruchung der Isolation in den Maschinen jedoch nicht möglich. Die Filterkosten zur Reduktion der Ausgangsüberspannung eines Umrichters betragen dabei bereits je nach deren Güte zwischen 10% und 100% der Umrichterkosten und erhöhen die Verlustleistung um 1%-1,5% der Nennleistung des Umrichters. Die Anforderungen an die Isolation sowie die Filterkosten vervielfachen sich, wenn zur Erzielung von sinusförmigen Netzströmen und zur Rückspeisung der Bremsenergie der Zwischenkreis ebenfalls von einem Umrichter versorgt wird, da sich die Gleichtaktstörspannung des netzseitigen Umrichters zur Ausgangsspannung des maschinenseitigen Umrichters addiert.

Umrichter dienen vorzugsweise dem Energieaustausch zwischen einem Drehstromsystem und einem Gleichstromsystem. Die größten Anwendungsgebiete sind Antriebsumrichter und unterbrechungsfreie Stromversorgungen. Neue, stark wachsende Anwendungsgebiete sind Blindleistungskompensatoren und Netzentzerrer, sowie Wechselrichter zur Einspeisung erneuerbarer Energie (Solar- und Windkraft) in das öffentliche Drehstromnetz und Gleichstromversorgungen mit sinusförmigen Eingangsströmen (Pulsgleichrichter, PFC). Sämtliche Anwendungsgebiete nehmen an Bedeutung zu, wobei generell die Schaltfrequenz der Umrichter steigt. Auch bei Pulsgleichrichtern sind wegen der geringeren Netzrückwirkungen höhere Schaltfrequenzen wünschenswert.

Ein Umrichter, z B wie in Fig 1 dargestellt, wird im Ersatzschaltbild der Fig 3 gegenüber den Erdkapazitaten als Gleichtaktstorspannungsquelle mit Innenimpedanz dargestellt Für die gebräuchlichste Umπchterstruktur, dem bidirektionalen B6 Umrichter, ist die Gleichtaktstörspannung eine Treppenfunktion mit vier Spannungsniveaus Die Summe der Spannungssprunge innerhalb einer Schaltperiode des Umrichters betragt das zweifache der Gleichspannung oder Zwischenkreisspannung Die Innenimpedanz betragt ein Drittel der Phasenimpedanz des Umrichters Die Phasenimpedanzen des Umrichters sind Spulen mit entsprechend hoher Induktivität und als solche seine großen- und kostenbestimmenden Elemente Umrichter, Phasenimpedanzen und Erdkapazitat in Fig 3 bilden einen Serienschwingkreis, der mit der Gleichtaktstörspannung angeregt wird Es ist offensichtlich, daß

• der Schwingkreis nur sehr schwach durch die Leitungswiderstande und die Innenwiderstande der Phasenimpedanzen bedampft ist,

• die den Schwingkreis anregende Storspannung ein breites Spektrum von 300 Hz (B6- Rippel) über die Schaltfrequenz bis zu eimgen Megaherz (Schaltflanken) aufweist,

• und die Entstörung mittels Differentialdrossel (Gleichtaktentstorfilter) mit oder ohne Fixierung der Gleichspannung gegenüber Erde sehr teuer kommt, da dιese(s), um wirksam zu werden, in der gleichen Größenordnung egt, wie die Phasenimpedanzen

Die Differentialdrossel ist auch in den Gleichtaktentstorfiltern US 4,888,675 A und JP 09 233 854 A ein wesentlicher Bestandteil

Alexander Rokhvarg gibt im US Patent 5,502,630 der Firma Transistor Devices vom März 1996 eine Umπchterstruktur an, deren Gleichspannungsseite sich gegenüber Erde im wesentlichen nicht bewegen soll Das ist angesichts der über die Erdleitung fließenden Pulsstrome Hf-maßig nicht zu erreichen Zudem benotigt die Schaltung ein Symmetπerungsnetzwerk für die Zwischenkreiskondensatoren und ist relativ aufwendig

Eine weit verbreitete Losung besteht in der Potentialtrennung zum Netz und der Fixierung des Zwischenkreises gegenüber Erde Der erforderliche Netztransformator ist für die Netzfrequenz auszulegen und entsprechend groß Mit dem Aufkommen der modernen und nahezu leistungslos steuerbaren Leistungsschalter, wie dem IGBT und dem MCT und der rasanten Entwicklung auf dem Sektor der Mikroelektronik steigen die erreichbaren Schaltfrequenzen in leistungselektronischen Anwendungen und damit auch die Anforderungen an die Systeme, insbesonders in den neuen Anwendungsgebieten. Mit der vorliegenden Erfindung wird mit einer sehr preiswerten und äußerst betriebssicheren Vorrichtung das grundlegende Problem der von Umrichtern erzeugten Gleichtaktstörungen gelöst. Damit kann beispielsweise der Zwischenkreis eines Antriebssystemes von einem Umrichter gespeist werden, ohne daß dabei eine wesentlich höhere Maschinenisolation erforderlich wäre. Vor allem in den neuen Anwendungsgebieten für das Dreiphasennetz und bei Umrichterlösungen für UPS-Anlagen vereinfachen sich die Strukturen und erhöht sich die Betriebssicherheit, weil aufgrund der Gleichtaktstörspannung keine zusätzliche Potentialtrennung erforderlich ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Entstörung von Umrichterstrukturen zu schaffen, das auf alle Strukturen anwendbar ist und das bezüglich Wirtschaftlichkeit, Betriebssicherheit und Wirksamkeit die bisherigen Lösungen übertrifft.

Diese Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale im Kennzeichenteil des Patentanspruches 3 gelöst. Vorteilhaft bei dieser Lösung ist, daß aufgrund der Kompensation der Gleichtaktstörspannung der aus der Innenimpedanz des Umrichters und der Erdkapazität gebildete Schwingkreis nicht mehr angeregt wird und keine Resonanzüberhöhungen mehr auftreten können.

Die im Kennzeichenteil des Patentanspruches 1 beschriebene Vorrichtung besteht aus einem Dreiwicklungstransformator, der vorteilhafter Weise nur auf die Schaltfrequenz des Umrichters ausgelegt werden kann.

Durch die Ausgestaltung nach Patentanspruch 2 wird im Falle von Unsymmetrien und Pulsmusterfehlern des Umrichters die Gleichmagnetisierung des Dreiwicklungsentstörtransformators verhindert.

Die Erfindung wird im nachfolgenden anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Umrichterstrukturen;

Fig. 2 Schaltzustände und Gleichtaktstörspannung des B6-Umrichters;

Fig. 3 Ersatzschaltbild eines Umrichters gegenüber der Erdkapazitäten des Zwischenkreises und der daran angeschlossenen Last(en); Fig. 4 Prinzipschaltbild des Verfahrens zur Gleichtaktentstörung;

Fig.5 Drei Wicklungstransformator zur Gleichtaktentstörung;

Fig.6 Vorrichtung zur weitgehenden Vermeidung einer Gleichmagnetisierung des Dreiwicklungstransformators.

Fig. 1 zeigt Umrichterstrukturen. Die Umrichter 1 in Fig.la und b erlauben den Energiefluß nur in eine Richtung. Es handelt sich hierbei um gesteuerte Gleichrichter mit geringer Netztrückwirkung zur Versorgung eines Gleichstromverbrauchers oder eines Gleichstromoder Gleichspannungszwischenkreises zB. eines Antriebssystemes. Der Umrichter 1 in Fig. lc kann den Energiefluß in beiden Richtungen steuern. An die Klemmen 2,3,4 der Umrichter sind die Phasenspannungen eines Drehstromsystems angeschlossen. Die Klemme 5 ist an den Stempunkt 22 des Drehstromsystems angeschlossen. Dieser befindet sich zumeist auf Erdpotential oder ist mittels Netztransformator potentialfrei gemacht. Im Falle des bidirektionalen Umrichters 1 in Fig. lc kann an die Klemmen 2-5 auch ein Drehstromverbraucher angeschlossen sein. Handelt es sich dabei zB. um eine Maschine, so sind die Phaseninduktivitäten 6,7 und 8 des Umrichters sehr klein dimensioniert oder überhaupt durch die im Dreieck oder Stern geschaltenen Wicklungsinduktivitäten der Maschine gebildet. Das Gehäuse der Maschine sowie der Sternpunkt 22 sind vorschriftsgemäß zumeist mit dem Erdpotential verbunden.

Die Gleichspannungsanschlüsse der Umrichter sind die Klemmen 9 und 10. Die an die positive Versorgungsleitung 13 und an die negative Versorgungsleitung 14 angeschlossenen Zwi schenkreiskondensatoren 11 und 12 bilden den Mittelpunkt 15, dessen Potential das Bezugspotential des Gleichspannungssystemes sei. Die Klemme 16 ist an den Mittelpunkt 15 angeschlossen. Sämtliche an den Gleichspannungszwischenkreis angeschlossenen Elemente, das sind Kondensatoren, Filter, Verbraucher, Leitungen, Leistungshalbleiter, im Falle des Umrichters 1 in Fig. lc kann es auch eine Gleichspannungsquelle, zB. ein Solarpanel, ein Windgenerator oder ähnliches sein, etc., weisen eine Erdkapazität auf. Die Summe dieser Erdkapazitäten ist in der Kapazität 17 zusammengefaßt, die einerseits am Knoten 15 angeschlossen ist und andererseits mit dem Erdpotential 30 verbunden ist. Parallel zur Erdkapazität 17 liegt der Erdableitwiderstand 24.

Fig.2 zeigt die Ansteuersignale 18,19,20 für die Umschalter 27,28,29 des bidirektionalen Umrichters in Fig.lc bei auf Erdpotential befindlichem Sternpunkt 22 und die resultierende Gleichtaktstörspannung 21 zwischen den Klemmen 5 und 16 ohne Berücksichtigung der Erdimpedanzen 17 und 24. Die positive Amplitude 25 und die negative Amplitude 26 betragen die Hälfte der Gleichspannung zwischen den Klemmen 9 und 10. In der Anlage wird gezeigt, daß der Umrichter bezüglich der Klemmen 5 und 16 wie die Serienschaltung aus der idealen Störspannungsquelle 21 mit einer Innenimpedanz 23 wirkt, die sich aus den Phasenimpedanzen 6,7,8 ergibt.

Fig.3 zeigt das sich für alle Umrichter ergebende Ersatzschaltbild bezüglich der Klemmen 5 und 16, wenn die Erdkapazität 17 klein gegenüber den Zwischenkreiskondensatoren 11 und 12 ist. Es handelt sich dabei um einen schwach gedämpften Serienschwingkreis bestehend aus der Spule 23 und der Erdkapazität 17, der von der Gleichtaktstörspannung 21 angeregt wird. Aufgrund der resonanten Spannungsüberhöhungen treten an der nicht geerdeten Klemme 5 oder 16 große Spannungen auf, die unter anderem zu Isolationsproblemen fuhren.

Fig.4 zeigt das Prinzipschaltbild des Verfahrens zur Gleichtaktentstörung. Der Umrichter 1 ist mit den Klemmen 2-5 an das Drehstromsystem angeschlossen. An seine gleichspannungsseitigen Anschlußlemmen 9,10 wird das Gleichtaktentstörfilter 31 angeschlossen. Es besteht aus den Spannungsquellen 34,35, die die Gleichtaktstörspannung 21 über einer beliebigen Erdimpedanz 40 zwischen den Klemmen 5 und 16 kompensieren. Sie liegen jeweils zwischen einer Anschlußklemme 9,10 des Umrichters und einer Anschlußklemme 32,33 des Zwischenkreises. Bei vollständiger Kompensation liegen zwischen der zB. auf Erdpotential befindlichen Klemme 5 und den Klemmen 32 bzw. 33 nur mehr Gleichspannungen an. Über die Erdkapazitäten des an die Klemmen 32 und 33 angeschlossenen Zwischenkreises inklusive Verbraucher fließt kein Strom. In Fig.5 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung dargestellt. Sie besteht aus dem Transformator 31 , dessen Primärwicklung 37 an die Klemmen 5 und 16 angeschlossen ist. Die an der Primärwicklung 37 anliegende Gleichtaktstörspannung 21 wird an die Sekundärwicklung 38 zwischen den Klemmen 9 und 32 und an die Sekundärwicklung 36 zwischen den Klemmen 10 und 33 übertragen.

In Fig.6 ist der Primärwicklung 37 ein Kondensator 40 in Serie geschaltet, um einen auf der Gleichtaktstörspannung 21 eventuell befindlichen Gleichanteil der Gleichtaktstörspannung vom Filtertransformator 31 abzukoppeln.

Selbstverständlich ist es im Rahmen der Erfindung auch möglich, daß die beschriebenen Schaltungselemente durch beliebige andere Schaltungsteile ersetzt werden können.

Claims

Patentansprüche

1. Vorrichtung zur Gleichtaktentstörung von leistungselektronischen Umrichtern zur verlustarmen Kopplung eines elektrischen Versorgungssystem.es und eines elektrischen Verbrauchersystemes, von denen mindestens ein System ein Gleichstromsystem ist, in denen die Verbindung zwischen dem Versorgungssystem und dem Verbrauchersystem mittels einem oder mehrerer steuerbarer Schaltelemente taktweise unterbrochen und/oder umgepolt wird, wobei der Umrichter zwischen einem Bezugspotential des Versorgungssystems und einem Bezugspotential des Verbrauchersystems eine Gleichtaktstörspannung erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem positiven Gleichstromanschluß (9) des Umrichters und dem positiven Anschluß (32) des Gleichstromsystems die Wicklung (38), zwischen dem negativen Gleichstromanschluß (10) des Umrichters und dem negativen Anschluß (33) des Gleichstromsystemes die Wicklung (36) und zwischen der Klemme (16), die auf einem Bezugspotential des Gleichstromsystems liegt und der Klemme (5), die sich auf einem Bezugspotential des anderen elektrischen Systems befindet, die Wicklung (37) des Dreiwicklungstransformators (31) angeordnet ist und die Wicklungen (36,37,38) des Entstörtransformators (31) so gekoppelt sind, daß der Wechselanteil der Gleichtaktstörspannung (21) an der Wicklung (37) durch die in die Wicklungen (36,38) eingekoppelten Spannungen kompensiert wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wicklung (37) eine Kapazität (39) in Serie geschaltet ist.

3. Verfahren zur Gleichtaktentstörung von leistungselektronischen Umrichtern zur verlustarmen Kopplung eines elektrischen Versorgungssystemes und eines elektrischen Verbrauchersystemes, von denen mindestens eines ein Gleichstromsystem ist, in denen die Verbindung zwischen dem Versorgungssystem und dem Verbrauchersystem mittels einem oder mehrerer steuerbarer Schaltelemente taktweise unterbrochen und/oder umgepolt wird, wobei der Umrichter zwischen einem Bezugspotential des Versorgungssystems und einem Bezugspotential des Verbrauchersystems eine Gleichtaktstörspannung erzeugt und zwischen dem positiven Gleichstromanschluß (9) des Umrichters und dem positiven Anschluß (32) des Gleichstromsystems die Kompensationsquelle (34) und zwischen dem negativen Gleichstromsanschluß (10) des Umπchters und dem negativen Anschluß (33) des Gleichstromsystemes die Kompensationsquelle (35) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselanteil der Gleichtaktstörspannung (21) zwischen den Bezugspotentialen der gekoppelten Systeme am Umrichter, zB zwischen der Klemme (16) des Gleichstromsystems und der Klemme (5) des Drehstromsystems, mittels der Spannungsquellen (34,35) kompensiert wird, sodaß sich die Potentiale an den Anschlüssen (32,33) des Gleichstromsystems gegenüber dem Bezugspotential des anderen Systemes zB an Klemme (5) zeitlich nicht mehr andern