DE19607201A1 - Störschutzfilter für Spannungsquellen-Wechselrichter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Störschutzfilter für eine Spannungsquellen-Wechselrichteranordnung, das dazu ausgelegt ist, hochfrequente Störungen während des Betriebs der Wechselrichteran­ ordnung zu unterdrücken.

Fig. 8 ist ein Schaltbild, das den generellen Aufbau eines Beispiels einer bekannten Spannungs­ quellen-Wechselrichteranordnung zeigt. Bei der Schaltung von Fig. 8 dient ein Gleichrichter 1 als ein erster Stromrichter, der mit einer in der Figur nicht dargestellten Wechselstromquelle verbunden ist. Der Gleichrichter 2 formt den von der Wechselstromquelle gelieferten Wechsel­ strom in Gleichstrom um und gibt Gleichstromleistung an einen Gleichstromzwischenkreis ab. Ein Glättungskondensator 3 ist mit dem Gleichstromzwischenkreis verbunden und dient dazu, eine Wechsel strom- oder Welligkeitskomponente, die in dem von dem Gleichrichter 2 erzeugten Gleichstrom noch enthalten ist, zu absorbieren und zu beseitigen. Ein Wechselrichter 4 dient als ein zweiter Stromrichter, der mit dem Gleichstromzwischenkreis verbunden ist und von ihm den geglätteten Gleichstrom empfängt und beispielsweise durch Pulsbreitenmodulationssteuerung in einen Wechselstrom gewünschter Spannung und Frequenz umsetzt, um etwa einen Induktions­ motor 5 mit variabler Geschwindigkeit bzw. Drehzahl zu betreiben.

Der Wechselrichter 4 enthält Schaltelemente in einer 3-Phasen-Brückenschaltung, von denen jedes aus einem selbstkommutierenden Halbleiter-Schaltelement 4T in der Form eines bipolaren Transistors mit isoliertem Gate (nachfolgend als IGBT abgekürzt) und einer antiparallel geschal­ teten Freilaufdiode 4D besteht. Jeder IGBT 4T ist mit einer gesonderten Gatetreiberschaltung 4G versehen.

In der letzten Zeit sind vermehrt Schaltelemente hoher Schaltgeschwindigkeit wie etwa IGBTs zu dem Zweck eingesetzt worden, mit der Pulsbreitenmodulationssteuerung eine ausreichend hohe Trägerfrequenz zu erzielen. Wenn derart schnelle Schaltelemente, etwa IGBTs, verwendet werden, weist die aufgrund des Schaltens der Elemente erzeugte Spannung eine recht hohe Spannungssteilheit (großes dV/dT) auf. Bei Vorhandensein einer Kapazität 6 (floating capaci­ tancel zwischen dem Wechselrichter 4 und Masse fließt ein Leckstrom I_E über die Kapazität 6 nach Masse, und zwar abhängig von der oben erwähnten Spannungssteilheit (dV/dT). Bei der in Fig. 8 gezeigten bekannten Schaltung fließt der Leckstrom I_E von der Wechselstromquelle (nicht gezeigt) über den Gleichrichter 2, den Gleichstromzwischenkreis, den Wechselrichter 4 und die Kapazität 6 in dieser Reihenfolge nach Erde oder Masse, wie durch die strichpunktierte Linie in Fig. 8 angezeigt. Der Wert dieses Leckstroms I_E ergibt sich aus der folgenden Gleichung (1), in der C₀ der Wert der Kapazität 6 ist:

I_E = C₀·(dV/dT) (1)

Aus Gleichung (1) geht hervor, daß der Leckstrom I_E mit zunehmender Höhe der Spannungs­ steilheit (dV/dT) zunimmt. Wenn dieser Leckstrom zur Wechselstromquelle fließt, werden andere (insbesondere elektronische) Geräte, die an dieselbe Wechselstromquelle angeschlossen sind, von diesem Leckstrom nachteilig beeinflußt. Aus diesem Grund wird ein Störschutzfilter, das bei dem bekannten Schaltungsbeispiel in Fig. 8 nicht dargestellt ist, bezüglich jeder Phase an der Wechselstromeingangsseite des Gleichrichters 2 vorgesehen, um zu verhindern, daß der Leck­ strom I_E zur Wechselstromquelle fließt.

Das Vorsehen des Störschutzfilters an jeder Phase der Wechselstromeingangsseite des Gleich­ richters 2 kann jedoch die folgenden Probleme verursachen:

• (1) Da der Gleichrichter 2 häufig an eine 3-Phasen-Wechselstromquelle angeschlossen wird, erhöht das Vorsehen des Störschutzfilters für drei Phasen unerwünschterweise die Anzahl der Bauteile der Wechselrichteranordnung. Ferner nehmen Größe und Kosten der resultierenden Wechselrichteranordnung infolge der erhöhten Anzahl von Filtern zu, die sperrige, teuere Ferrit­ kerne umfassen.

Die Größe der Wechselrichteranordnung nimmt zu, wenn die Störschutzfilter mit dem Gleich­ richter, dem Glättungskondensator 3 und dem Wechselrichter 4 zur Bildung der Wechselrich­ teranordnung integriert werden. Auf der anderen Seite ist es schwierig, die Störschutzfilter bei einer herkömmlichen Wechselrichteranordnung hinzuzufügen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Störschutzfilter geringer Größe zu schaffen, das in der Lage ist, sicher zu verhindern, daß hochfrequente Störungen, die beim Schalten des Wechselrichters auftreten, zu einer Stromquelle fließen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Störschutzfilter gemäß Patentanspruch 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Tiefpaßfilterschaltung wird von eine Kombination der Nullreaktanz und der Stromrichter gebildet, wobei die Nullreaktanz einen gemeinsamen Magnetkern aufweist, um den eine erste und eine zweite Leitung gewickelt sind, bzw. durch den diese beiden Leitungen hindurchgeführt sind, von denen die erste Leitung einen positiven Strom, das heißt von dem ersten Stromrichter erzeugten Gleichstrom, führt, während die zweite Leitung einen negativen Strom führt. Diese Tiefpaßfilterschaltung ist zwischen der Gleichrichterseite des ersten Stromrichters und dem Glättungskondensator angeordnet. Obwohl die Nullreaktanz der Tiefpaßfilterschaltung den gleichzeitig durch die positivseitige Leitung und die negativseitige Leitung des Gleichstromzwi­ schenkreises fließenden normalen Strom nicht beeinflußt, fließt der Leckstrom durch die (floating) Kapazität nur durch eine dieser beiden Leitungen, die um die Nullreaktanz gewickelt oder durch sie hindurchgeführt sind, nach Erde. In diesem Fall wirkt die Nullreaktanz als Indukti­ vität für den Leckstrom. Demzufolge kann der Leckstrom unterdrückt werden, wenn die Tief­ paßfilterschaltung so aufgebaut ist, daß die Nullreaktanz mit den Kondensatoren kombiniert wird, von denen jeweils ein Ende geerdet ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläu­ tert. Es zeigen:

Fig. 1 ein generelles Schaltbild einer Spannungsquellen-Wechselrichteranordnung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2 eine Darstellung des Stromweges, über den Leckstrom bei der Schaltung nach Fig. 1 durch die (floating) Kapazität fließt,

Fig. 3 ein Ersatzschaltbild einer in der Schaltung von Fig. 1 enthaltenen ersten Tiefpaßfilter­ schaltung,

Fig. 4 ein generelles Schaltbild einer Spannungsquellen-Wechselrichteranordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 5 ein Ersatzschaltbild einer in der Schaltung von Fig. 4 enthaltenen zweiten Tiefpaßfil­ terschaltung,

Fig. 6 ein generelles Schaltbild einer Spannungsquellen-Wechselrichteranordnung gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 7 ein Zeitdiagramm, das einen Erdfehlerdetektorbetrieb der Schaltung von Fig. 6 darstellt, und

Fig. 8 ein generelles Schaltbild eines Beispiels einer herkömmlichen Spannungsquellen- Wechselrichteranordnung.

Fig. 1 ist ein Übersichtsschaltbild, das eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. Die Schaltung dieser ersten Ausführungsform enthält einen als ersten Stromrichter dienenden Gleichrichter 2, einen Glättungskondensator 3 und einen als zweiten Stromrichter dienenden Wechselrichter 4, der Freilaufdioden 4D, Gatetreiberschaltungen 4G und IGBTs 4T enthält. Im dargestellten Beispiel dient die Wechselrichteranordnung zum Betrieb eines Induk­ tionsmotors 5. Die Namen, Zwecke und Funktionen dieser Komponenten 2, 3, 4 und 5 sind dieselben wie die der entsprechenden Komponenten der oben anhand von Fig. 8 beschriebenen bekannten Schaltung und werden daher nicht noch einmal erläutert.

Bei der Schaltung der ersten Ausführungsform nach Fig. 1 ist eine erste Tiefpaßfilterschaltung 10 zwischen dem Gleichrichter 2 und dem Glättungskondensator 3 des Gleichstromzwischen­ kreises eingefügt. Die erste Tiefpaßfilterschaltung 10 besteht aus einer Nullreaktanz 11 und Filterkondensatoren 12, 13, 14 und 15. Die Nullreaktanz 11 ist in der Form eines ringröhrenar­ tigen Eisenkerns mit einem Mittenloch, durch das ein Bündel aus einer positivseitigen Leitung und einer negativseitigen Leitung des Gleichstromzwischenkreises geführt ist. Die Filterkonden­ satoren 12, 13 sind mit jeweiligen Abschnitten der positivseitigen und der negativseitigen Leitung auf der Gleichrichterseite der Nullreaktanz 11 verbunden, während die Filterkondensato­ ren 14, 15 mit jeweiligen Abschnitten der positivseitigen und der negativseitigen Leitung auf der Glättungskondensatorseite der Nullreaktanz 11 verbunden sind. Die anderen Enden der Filter­ kondensatoren 12 bis 15 sind jeweils mit einem Erdkreis verbunden. Mit der durch das Mitten­ loch des Kerns der Nullreaktanz 11 verlaufenden positivseitigen Leitung und der negativseitigen Leitung, wie in der Figur dargestellt, bildet diese Reaktanz 11 eine Spule mit der Windungszahl 1. Die Nullreaktanz 11 kann jedoch auch so aufgebaut werden, das die positivseitige Leitung mehrfach um den Kern gewickelt ist und die negativseitige Leitung gleich häufig um denselben Kern gewickelt ist. Darüberhinaus führt die Verwendung eines Materials (eines Ferritkerns zum Beispiel) mit guter Sättigungseigenschaft für den Kern zu einer verbesserten Wirkung der Verhinderung des Leckstroms I_E.

Fig. 2 ist eine Darstellung des Stromwegs des Leckstroms, der durch die Kapazität 6 bei der in Fig. 1 gezeigten Schaltung der ersten Ausführungsform fließt. In Fig. 2 kennzeichnet eine strichpunktierte Linie den Strom weg für den Fall, daß der Leckstrom I_E durch die positivseitige Leitung des Gleichstromzwischenkreises und die Kapazität 6 nach Erde fließt. Der Leckstrom I_E ist eine hochfrequente Stromkomponente, da die infolge des wiederholten schnellen Schaltens der IGBTs 4T des Wechselrichters 4 wiederholt an die Kapazität 6 mit hoher Geschwindigkeit angelegte Spannung eine hohe Spannungssteilheit aufweist. Da ein Tiefpaßfilter zur Unter­ drückung des hochfrequenten Leckstroms I_E wirksam ist, ist die erste Tiefpaßfilterschaltung 10 in dem Gleichstromzwischenkreis vorgesehen, um den Leckstrom I_E zu unterdrücken.

Fig. 3 ist ein Ersatzschaltbild der ersten Tiefpaßfilterschaltung 10 der ersten Ausführungsform von Fig. 1. Die Tiefpaßfilterschaltung ist so ausgebildet, daß die Nullreaktanz 11 eine Induktivi­ tät L darstellt, und Filterkondensatoren mit entsprechenden Kapazitätswerten C₁ und C₂ vor und hinter der Induktivität L vorgesehen sind. Es sei angemerkt, daß die Bezugszahl 18 die positiv­ seitige oder die negativseitige Leitung des Gleichstromzwischenkreises bezeichnet, während die Bezugszahl 19 den Erdkreis bezeichnet.

Fig. 4 ist ein Übersichtsschaltbild einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Die Schaltung der zweiten Ausführungsform enthält einen als ersten Stromrichter dienenden Gleichrichter 2, einen Glättungskondensator 3, einen als zweiten Stromrichter dienenden Wechselrichter 4 mit Freilaufdioden 4D, Gatetreiberschaltungen 4G und IGBTs 4T, eine Nullreaktanz 11 und zwei Paare Filterkondensatoren 12-15; sie dient im dargestellten Beispiel zum Betrieb eines Induk­ tionsmotors 5. Die Namen, Zwecke und Funktionen dieser Komponenten 2, 3, 4, 5, 11 und 12 bis 15 sind dieselben wie die der entsprechenden Komponenten bei der Schaltung der ersten Ausführungsform von Fig. 1 und werden daher nicht noch einmal erläutert. Die Schaltung der zweiten Ausführungsform unterscheidet sich von der der ersten Ausführungsform dadurch, daß statt der ersten eine zweite Tiefpaßfilterschaltung 20 zwischen dem Gleichrichter 2 und dem Glättungskondensator 3 eingefügt ist. Die zweite Tiefpaßfilterschaltung 20 enthält die zwei Paare Filterkondensatoren 12-15, eine Sekundärwicklung 21, die um den Kern der Nullreaktanz 11 gewickelt ist, und einen Kurzschlußwiderstand 22 zum Kurzschließen der Sekundärwicklung 21.

Die Eigenschaften der Tiefpaßfilterschaltung werden verschlechtert, wenn infolge der Verdrah­ tungsinduktivität des Hauptschaltungsteiles und der Kapazität der Filterkondensatoren eine Resonanzerscheinung auftritt. Durch Kurzschließen des Sekundärwicklung 21 auf dem Kern der Nullreaktanz 11 mittels des Kurzschlußwiderstands 22 mit dem Widerstandswert R kann die Resonanzerscheinung gedämpft werden und damit eine Verschlechterung der Eigenschaften der Tiefpaßfilterschaltung vermieden werden.

Fig. 5 ist ein Ersatzschaltbild der zweiten Tiefpaßfilterschaltung 20 der zweiten Ausführungs­ form von Fig. 4. Die Tiefpaßfilterschaltung 20 besteht im wesentlichen aus der Nullreaktanz 11, die die Induktivität L darstellt, der auf der Reaktanz 11 vorgesehenen Sekundärwicklung, die durch den Kurzschlußwiderstand mit dem Widerstandswert R kurzgeschlossen ist, und den Filterkondensatoren mit den Kapazitäten C₁ und C₂, die vor und hinter der Induktivität L vorge­ sehen sind. Es ist anzumerken, daß die Bezugszahl 18 die positivseitige oder die negativseitige Leitung des Gleichstromzwischenkreises bezeichnet, während die Bezugszahl 19 den Erdkreis bezeichnet.

Fig. 6 ist eine Übersichtsschaltung, die eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. Die Schaltung der dritten Ausführungsform enthält einen als ersten Stromrichter dienenden Gleichrichter 2, einen Glättungskondensator 3, einen als zweiten Stromrichter dienenden Wechselrichter 4, der Freilaufdioden 4D, Gatetreiberschaltungen 4G und IGBTs 4T enthält, eine Nullreaktanz 11, zwei Paare Filterkondensatoren 12 bis 15 und eine Sekundär­ wicklung 21. Wie die ersten beiden Ausführungsformen ist auch die dritte Ausführungsform beispielhaft als zum Betrieb eines Induktionsmotors 5 dargestellt. Die Namen, Zwecke und Funktionen dieser Komponenten 2, 3, 4, 5, 11, 12 bis 15 und 21 sind dieselben wie jene der entsprechenden Komponenten der Schaltung der zweiten Ausführungsform von Fig. 4 und werden daher nicht noch einmal erläutert.

Die Schaltung der dritten Ausführungsform unterscheidet sich von derjenigen der zweiten Ausführungsform darin, daß die Sekundärwicklung 21 anstelle des obigen Kurzschlußwider­ stands 22 mittels eines Stromdetektors 31 verbunden ist. Somit ist statt der zweiten eine dritte Tiefpaßfilterschaltung 30, die den Stromdetektor 31 enthält, zwischen dem Gleichrichter 2 und dem Glättungskondensator 3 eingefügt. Ähnlich der oben beschriebenen Schaltung der zweiten Ausführungsform von Fig. 4 kann die Resonanzerscheinung dadurch vermieden werden, daß die Impedanz des Stromdetektors 31 auf einen geeigneten Wert eingestellt wird. Falls darüber­ hinaus beispielsweise an einem Punkt A in Fig. 6 ein Erdfehler auftritt, unterscheidet sich der Strom in der positivseitigen Leitung des Gleichstromzwischenkreises von dem in der negativsei­ tigen Leitung, und ein der Differenz zwischen diesen beiden Strömen entsprechender Strom fließt durch die Sekundärwicklung 21 der Nullreaktanz 11. Der durch die Sekundärwicklung 21 fließende Strom wird mittels des Stromdetektors 31 erfaßt und, wenn der erfaßte Strom einen vorbestimmten Wert übersteigt, wird ein Erdschluß- oder Erdfehlerdetektor 32 betrieben, um Alarm zu geben und die Wechselrichteranordnung über das Auftreten des Erdfehlers zu infor­ mieren.

Fig. 7 ist ein Zeitdiagramm, das den Erdfehlerdetektorbetrieb der Schaltung der dritten Ausfüh­ rungsform von Fig. 6 darstellt. In dem Zeitdiagramm bezeichnet (a) eine Änderung im Erdstrom I_L, der durch die Sekundärwicklung 21 fließt und von dem Stromdetektor 31 erfaßt wird, während (b) den Betrieb des Erdfehlerdetektors 32 bezeichnet, der so arbeitet, daß er Alarm gibt, um das Auftreten des Erdfehlers anzuzeigen, wenn der Erdstrom I_L einen vorbestimmten Wert I_O übersteigt, was im Beispiel von Fig. 7 zu einem Zeitpunkt T der Fall ist (die schraffierte Fläche in Fig. 7(b) kennzeichnet das zum Zeitpunkt T erfolgende Ansprüchen des Erdfehlerdetecktors).

Wie oben beschrieben, ist gemäß der vorliegenden Erfindung eine Tiefpaßfilterschaltung beste­ hend aus der Nullreaktanz und den Kondensatoren in den Gleichstromzwischenkreis der Wech­ selrichteranordnung eingefügt. Diese Anordnung verhindert, daß hochfrequenter Leckstrom durch die (floating) Kapazität zur Wechselstromquelle fließt, wenn die Schaltelemente des zwei­ ten Stromrichters arbeiten, um Gleichstromleistung in Wechselstromleistung umzusetzen. Dies schließlich verhindert, daß andere an die Wechselstromquelle angeschlossene Geräte von diesem Leckstrom ungünstig beeinflußt werden. Der Einsatz nur einer Tiefpaßfilterschaltung in den Gleichstromzwischenkreis erhöht die Bauteileanzahl nicht wesentlich, im Gegensatz zum Stand der Technik, wo ein Störschutzfilter bezüglich jeder einzelnen Phase der Wechselstrom­ quelle vorgesehen ist. Damit kann die Wechselrichteranordnung der vorliegenden Erfindung rela­ tiv klein bleiben und mit geringeren Kosten hergestellt werden.

Wenn die Nullreaktanz mit der Sekundärwicklung versehen wird, die durch einen Widerstand geeigneten Werts kurzgeschlossen ist, wird das Auftreten von Resonanz durch die Schaltungs­ induktivität und die Filterkondensatoren verhindert, mit dem Ergebnis, daß keine Reduzierung der Wirkung der Tiefpaßfilterschaltung infolge von Resonanz auftritt. Wenn die Sekundärwick­ lung anstelle des Kurzschlußwiderstandes mit einem Stromdetektor verbunden wird, kann ein Erdfehler der Wechselrichteranordnung festgestellt werden und zugleich das Auftreten von Resonanz vermieden werden, wie oben beschrieben.

Claims (4)

1. Störschutzfilter für eine Spannungsquellen-Wechselrichteranordnung, welche einen an eine Wechselstromquelle angeschlossenen, Wechselstrom in Gleichstrom umformenden ersten Stromrichter (2), einen an dessen Ausgang angeschlossenen Gleichstromzwischenkreis, mit dem ein Glättungskondensator (3) verbunden ist, und einen Gleichstrom in Wechselstrom einer gewünschten Spannung und Frequenz umformenden zweiten Stromrichter (4), der mit dem Gleichstromzwischenkreis verbunden ist, aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Tiefpaßfilterschaltung umfassend eine Nullreaktanz (11) und Kondensatoren (12-15) zwischen der Gleichstromseite des ersten Stromrichters (2) und dem Glättungskondensator (3) vorgesehen ist.

2. Störschutzfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nullreaktanz eine Sekundärwicklung (21) und einen diese kurzschließenden Widerstand (22) aufweist.

3. Störschutzfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nullreaktanz (11) eine Sekundärwicklung (21) aufweist, die zur Erfassung des sie durchfließenden Stroms mit einem Stromdetektor (31) verbunden ist, und daß ein Erdfehlerdetektor (32) mit dem Stromdetektor (31) verbunden ist, um das Auftreten eines Erdfehlers festzustellen, wenn der mittels des Stromdetektors (31) erfaßte Strom durch die Sekundärwicklung (21) einen vorbe­ stimmten Wert übersteigt.

4. Störschutzfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Stromtrichter selbstkommutierende Halbleiter-Schaltelemente (4T) enthält.