DE102021209430A1

DE102021209430A1 - Frequenzumrichter

Info

Publication number: DE102021209430A1
Application number: DE102021209430.9A
Authority: DE
Inventors: Andreas Burgermeister
Original assignee: Lenze Swiss AG
Current assignee: Lenze Swiss AG
Priority date: 2021-08-27
Filing date: 2021-08-27
Publication date: 2023-03-02

Abstract

Frequenzumrichter (1), aufweisend:- einen bidirektionalen Stromrichter (2) mit einem ersten Ausgangsanschluss (2a) und einem zweiten Ausgangsanschluss (2b), der dazu ausgebildet ist, aus einer dreiphasigen Netzwechselspannung (UN) eine Gleichspannung (UG) zu erzeugen,- einen Zwischenkreiskondensator (3),- einen Wechselrichter (4) mit einem ersten Eingangsanschluss (4a) und einem zweiten Eingangsanschluss (4b), und- ein Filter (5), das zwischen den bidirektionalen Stromrichter (2) und den Wechselrichter (4) geschaltet ist, wobei das Filter (5) eine Filterdrossel (6) aufweist, die zwischen den ersten Ausgangsanschluss (2a) des Gleichrichters (2) und den ersten Eingangsanschluss (4a) des Wechselrichters eingeschleift ist.

Description

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Frequenzumrichter zur Verfügung zu stellen, der möglichst geringe Störemissionen in ein den Frequenzumrichter versorgendes Wechselspannungsnetz aufweist.
Der Frequenzumrichter weist einen herkömmlichen bidirektionalen Stromrichter auf, beispielsweise in Form eines bidirektionalen, dreiphasigen, selbstgeführten bzw. netzgeführten (aktiven) Gleichrichters. Der bidirektionale Stromrichter weist einen ersten Ausgangsanschluss und einem zweiten Ausgangsanschluss auf. Der bidirektionale Stromrichter ist dazu ausgebildet, aus einer dreiphasigen Netzwechselspannung eine Gleichspannung zu erzeugen.
Der Frequenzumrichter weist weiter einen oder mehrere herkömmliche Zwischenkreiskondensatoren auf.
Der Frequenzumrichter weist weiter einen herkömmlichen, insbesondere dreiphasigen, Wechselrichter mit einem ersten Eingangsanschluss und einem zweiten Eingangsanschluss auf.
Der Frequenzumrichter weist weiter ein Filter auf, das zwischen den bidirektionalen Stromrichter und den Wechselrichter geschaltet ist und das insbesondere dazu dient, Störemission in die den Frequenzumrichter speisende Netzwechselspannung zu reduzieren.
Das Filter weist eine Filterdrossel bzw. eine Filterinduktivität auf, die zwischen den ersten Ausgangsanschluss des Gleichrichters und den ersten Eingangsanschluss des Wechselrichters eingeschleift ist.
In einer Ausführungsform ist der Zwischenkreiskondensator zwischen den ersten Eingangsanschluss und den zweiten Eingangsanschluss des Wechselrichters eingeschleift.
In einer Ausführungsform weist das Filter einen (Snubber-) Kondensator auf, der zwischen den ersten Ausgangsanschluss und den zweiten Ausgangsanschluss des bidirektionalen Stromrichters eingeschleift ist. Dem Snubber-Kondensator kann ein Varistor parallel geschaltet sein oder der Snubber-Kondensator kann durch einen Varistor ersetzt sein.
In einer Ausführungsform weist der bidirektionale Stromrichter eine Speisebetriebsart auf, während der elektrische Energie von der dreiphasigen Netzwechselspannung in Richtung des Zwischenkreiskondensators übertragen wird, und eine Rückspeisebetriebsart auf, während der elektrische Energie vom Zwischenkreiskondensator in Richtung der dreiphasigen Netzwechselspannung übertragen wird.
In einer Ausführungsform ist der (Snubber-) Kondensator derart dimensioniert, dass er in der Rückspeisebetriebsart und für den Fall einer Unterbrechung der Netzwechselspannung sämtliche in der Filterdrossel gespeicherte elektrische Energie aufnehmen kann.
In einer Ausführungsform weist der Wechselrichter eine vorgegebene Schaltfrequenz auf, wobei eine Induktivität der Filterdrossel derart dimensioniert ist, dass eine Resonanzfrequenz eines Schwingkreises, der den Zwischenkreiskondensator und die Filterdrossel enthält, kleiner ist als die Schaltfrequenz. Die Schaltfrequenz kann beispielsweise die Frequenz einer Pulsweitenmodulation sein, mittels der der Frequenzumrichter seine Ausgangsspannungen stellt. Insoweit sei auch auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen.
In einer Ausführungsform liegt die Schaltfrequenz in einem Frequenzbereich zwischen 4 kHz und 16 kHz. Insbesondere beträgt die Schaltfrequenz 8 kHz oder 12,16 kHz.
In einer Ausführungsform steht an dem ersten Ausgangsanschluss des bidirektionalen Stromrichters ein Potential an, das bezogen auf ein Potential, das an dem zweiten Ausgangsanschluss des bidirektionalen Stromrichters ansteht, positiv bzw. höher ist.
In einer Ausführungsform ist der Stromrichter ein selbstgeführter bzw. netzgeführter Gleichrichter.
In einer Ausführungsform sind der bidirektionale Stromrichter und der Zwischenkreiskondensator Bestandteile eines Fundamental Frequency Front Ends (F3E). Der Stromrichter ist hierbei typisch ein aktiver, netzgeführter Gleichrichter und der Zwischenkreiskondensator weist eine vergleichsweise geringe Kapazität auf. Hinsichtlich des F3E Standards sei auch auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen.
In einer Ausführungsform ist der Filterdrossel ein Varistor parallel geschaltet. Der Varistor unterdrückt Überspannungen in bestimmten Betriebsfällen, beispielsweise beim Netzausfall, bei der Rückspeisebetriebsart, einem Surge-Test, etc. Da die maximale Spannung über der Filterdrossel viel geringer ist als die Zwischenkreisspannung, ist ein kleiner Varistor (SMD) mit beispielsweise 100... 200 V ausreichend. Für diesen Fall kann beispielsweise auf den Snubber-Kondensator verzichten werden.
Die Erfindung wird nachfolgend detailliert unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. Hierbei zeigt:

1 schematisch ein Schaltbild eines Frequenzumrichters mit einem Fundamental Frequency Front End und einem erfindungsgemäßen Filter.

1 zeigt einen Frequenzumrichter 1, aufweisend einen bidirektionalen Stromrichter 2 in Form eines selbst- bzw. netzgeführten aktiven Gleichrichters in B6-Topologie mit einem ersten Ausgangsanschluss 2a und einem zweiten Ausgangsanschluss 2b, der dazu ausgebildet ist, aus einer dreiphasigen Netzwechselspannung UN eine Gleichspannung UG zu erzeugen, einen Zwischenkreiskondensator 3, einen herkömmlichen dreiphasigen Wechselrichter 4 in B6-Topologie mit einem ersten Eingangsanschluss 4a und einem zweiten Eingangsanschluss 4b, und ein Filter 5, das zwischen den bidirektionalen Stromrichter 2 und den Wechselrichter 4 geschaltet ist.
Zwischen die dreiphasige Netzwechselspannung UN und den bidirektionalen Stromrichter 2 können herkömmliche Filter in Form der EMC-Drosseln 13 und der X-Kondensatoren 14 geschaltet sein. Insoweit sei auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen.
Der bidirektionale Stromrichter 2 in Form des selbst- bzw. netzgeführten aktiven Gleichrichters in B6-Topologie weist herkömmliche Halbleiterschaltmittel 8 mit jeweils parallel geschalteten Netzdioden 9 in der dargestellten Verschaltung auf, wobei die Halbleiterschaltmittel 8 herkömmlich netzgeführt in Abhängigkeit von einem zeitlichen Verlauf von Phasenspannungen der dreiphasigen Netzwechselspannung UN angesteuert werden. Insoweit sei auch auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen.
Der Wechselrichter 4 in B6-Topologie weist herkömmliche Halbleiterschaltmittel 10 mit jeweils parallel geschalteten Freilaufdioden 11 in der dargestellten Verschaltung auf, wobei die Halbleiterschaltmittel 10 herkömmlich mit einer (PWM-) Schaltfrequenz angesteuert werden. Insoweit sei auch auf die einschlägige Fachliteratur verwiesen.
Der Wechselrichter 4 kann herkömmlich zur Ansteuerung eines Drehstrommotors 12 dienen.
Das Filter 5 weist eine Filterdrossel 6 auf, die zwischen den ersten Ausgangsanschluss 2a des Gleichrichters 2 und den ersten Eingangsanschluss 4a des Wechselrichters 4 eingeschleift ist. Der Filterdrossel 6 ist ein Varistor 15 parallel geschaltet.
Der Zwischenkreiskondensator 3 ist zwischen den ersten Eingangsanschluss 4a und den zweiten Eingangsanschluss 4b des Wechselrichters 4 eingeschleift.
Das Filter 5 weist weiter einen Snubber-Kondensator 7 auf, der zwischen den ersten Ausgangsanschluss 2a und den zweiten Ausgangsanschluss 2b des bidirektionalen Stromrichters 2 eingeschleift ist.
Der bidirektionale Stromrichter 2 weist eine Speisebetriebsart auf, während der elektrische Energie in Richtung des Zwischenkreiskondensators 3 übertragen wird. Der bidirektionale Stromrichter 2 weist weiter eine Rückspeisebetriebsart auf, während der elektrische Energie in Richtung der dreiphasigen Netzwechselspannung UN übertragen wird. Der Snubber-Kondensator 7 ist hierbei derart dimensioniert, dass er in der Rückspeisebetriebsart und für den Fall einer Unterbrechung der Netzwechselspannung UN sämtliche in der Filterdrossel 6 gespeicherte elektrische Energie aufnehmen kann.
Der Wechselrichter 4 weist eine vorgegebene PWM-Schaltfrequenz auf, wobei eine Induktivität der Filterdrossel 6 derart dimensioniert ist, dass eine Resonanzfrequenz eines Schwingkreises, der den Zwischenkreiskondensator 3 und die Filterdrossel 6 beinhaltet, immer kleiner ist als die Schaltfrequenz. Die Schaltfrequenz kann beispielswiese 8 kHz oder 12,16 kHz betragen.
Der bidirektionale Stromrichter 2 und der Zwischenkreiskondensator 3 sind Bestandteile eines Fundamental Frequency Front Ends (F3E).
Mittels der Erfindung kann eine Rückwirkung von Spannungs-Rippeln aus dem Zwischenkreis in das dreiphasige Netzwechselspannungs-Versorgungsnetz UN bei Verwendung der F3E Technologie reduziert werden.
Aufgrund des kapazitätsarmen Zwischenkreiskondensators 3 in Verbindung mit der Netzimpedanz ergibt sich herkömmlich eine Resonanzfrequenz, die im Bereich von einigen kHz liegt. Bei beispielsweise 40 µH Netzimpedanz und 10 µF Kapazität des Zwischenkreiskondensators 3 liegt die Resonanzfrequenz bei 8kHz, womit bei einer PWM-Schaltfrequenz von 4 kHz und 8 kHz Schwingungen mit hoher Amplitude entstehen, die das Netzwechselspannungs-Versorgungsnetz UN belasten und stören.
Um die Rückwirkung der durch den Wechselrichter 4 erzeugten Spannungs-Rippel zurück in das Netzwechselspannungs-Versorgungsnetz UN zu reduzieren, wird erfindungsgemäß im Zwischenkreis die Filterdrossel 6 eingesetzt. Die zugrunde liegende Funktionsweise wird nachfolgend beschrieben.
Im Zwischenkreis ist aufgrund der sehr geringen Kapazität des Zwischenkreiskondensators 3 ein hoher Spannungs-Rippel von beispielsweise ca. 50 Vpp zu messen. Die Rippel-Frequenz entspricht der Schaltfrequenz und der 2-fachen Schaltfrequenz des Wechselrichters 4. Damit die Rippel-Spannung sich nicht direkt in das Netzwechselspannungs-Versorgungsnetz UN ausbreiten kann, wird im Zwischenkreis die Filterdrossel 6 eingefügt.
Die Auslegung ist wie folgt. Ziel ist es, dass die Schaltfrequenz des Wechselrichters 4 immer oberhalb der Resonanzfrequenz des gesamten Systems liegt. Aus diesem Grund wird die tiefste Schaltfrequenz beispielsweise auf 8kHz oder 12,16kHz festgelegt. Bei einem 2.2 kW Wechselrichter mit einer Kapazität des Zwischenkreiskondensators 3 von 10 µF wird die Induktivität der Filterdrossel 6 auf 170 µH berechnet. In diesem Fall liegt die Resonanzfrequenz kalkuliert mit einer Netzinduktivität von 0 µH bei typisch 3.72 kHz. Das ist deutlich tiefer als die tiefste Schaltfrequenz von 8 kHz. Wenn nun die Netzinduktivität zunimmt, verschiebt sich die Resonanzfrequenz nach unten, noch weiter entfernt von der Schaltfrequenz. Somit werden Rückwirkungen aufgrund der Schaltfrequenz in das Netzwechselspannungs-Versorgungsnetz UN deutlich reduziert.
Der Snubber-Kondensator 7 ist derart ausgelegt, dass, wenn bei maximaler Rückspeisung eine Unterbrechung im Netzwechselspannungs-Versorgungsnetz UN stattfindet, der Snubber-Kondensator 7 die gespeicherte Energie der Filterdrossel 6 aufnehmen kann. Bei einem 2,2 kW Frequenzumrichter kann der Snubber-Kondensator 7 beispielsweise auf 220 nF / 1000 V dimensioniert sein. Die Unterbrechung kann beispielswiese durch eine auslösende Sicherung und ein daraufhin abschaltendes F3E verursacht werden.
Erfindungsgemäß wird die Resonanzfrequenz des Gesamtsystems aufgrund der Verwendung der Filterdrossel 6 vom Frequenzumrichter 1 und nicht mehr von der Netzinduktivität definiert.

Claims

Frequenzumrichter (1), aufweisend: - einen bidirektionalen selbstgeführten Stromrichter (2) mit einem ersten Ausgangsanschluss (2a) und einem zweiten Ausgangsanschluss (2b), der dazu ausgebildet ist, aus einer dreiphasigen Netzwechselspannung (UN) eine Gleichspannung (UG) zu erzeugen, - einen Zwischenkreiskondensator (3), - einen Wechselrichter (4) mit einem ersten Eingangsanschluss (4a) und einem zweiten Eingangsanschluss (4b), und - ein Filter (5), das zwischen den bidirektionalen Stromrichter (2) und den Wechselrichter (4) geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass - das Filter (5) eine Filterdrossel (6) aufweist, die zwischen den ersten Ausgangsanschluss (2a) des Gleichrichters (2) und den ersten Eingangsanschluss (4a) des Wechselrichters (4) eingeschleift ist.
Frequenzumrichter (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass - der Zwischenkreiskondensator (3) zwischen den ersten Eingangsanschluss (4a) und den zweiten Eingangsanschluss (4b) des Wechselrichters (4) eingeschleift ist.
Frequenzumrichter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - das Filter (5) einen Snubber-Kondensator (7) aufweist, der zwischen den ersten Ausgangsanschluss (2a) und den zweiten Ausgangsanschluss (2b) des bidirektionalen Stromrichters (2) eingeschleift ist.
Frequenzumrichter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - der bidirektionale Stromrichter (2) eine Speisebetriebsart aufweist, während der elektrische Energie in Richtung des Zwischenkreiskondensators (3) übertragen wird, und eine Rückspeisebetriebsart aufweist, während der elektrische Energie in Richtung der dreiphasigen Netzwechselspannung (UN) übertragen wird.
Frequenzumrichter (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass - der Snubber-Kondensator (7) derart dimensioniert ist, dass er in der Rückspeisebetriebsart und für den Fall einer Unterbrechung der Netzwechselspannung (UN) sämtliche in der Filterdrossel (6) gespeicherte elektrische Energie aufnimmt.
Frequenzumrichter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - der Wechselrichter (4) eine vorgegebene Schaltfrequenz aufweist, wobei eine Induktivität der Filterdrossel (6) derart dimensioniert ist, dass eine Resonanzfrequenz eines Schwingkreises, der den Zwischenkreiskondensator (3) und die Filterdrossel (6) aufweist, kleiner ist als die Schaltfrequenz.
Frequenzumrichter (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass - die Schaltfrequenz in einem Frequenzbereich zwischen 4 kHz und 16 kHz liegt, insbesondere 8 kHz oder 12,16 kHz beträgt.
Frequenzumrichter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - der Stromrichter (2) ein selbstgeführter Gleichrichter ist.
Frequenzumrichter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - der bidirektionale Stromrichter (2) und der Zwischenkreiskondensator (3) Bestandteile eines Fundamental Frequency Front Ends (F3E) sind.
Frequenzumrichter (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - der Filterdrossel (6) ein Varistor (15) parallel geschaltet ist.