DE10360549A1

DE10360549A1 - Ausgangsfilter eines Mehrpunkt-Wechselrichters

Info

Publication number: DE10360549A1
Application number: DE10360549A
Authority: DE
Inventors: Klemens Dr. Kahlen; Hubert Dr. Schierling
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2003-12-22
Filing date: 2003-12-22
Publication date: 2005-07-14

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Ausgangsfilter (2) eines Mehrpunkt-Umrichters. Erfindungsgemäß weist das Ausgangsfilter (2) ein LC-Filter (6) und eine Klemmschaltung (8) auf, mit der ein Ausgang (10) des Ausgangsfilters (2) mit jeder Potentialstufe des Mehrpunkt-Wechselrichters elektrisch leitend verbunden ist. Somit erhält man ein Ausgangsfilter (2) für einen Mehrpunkt-Wechselrichter, bei dem keine Schwingungen mehr angeregt werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Ausgangsfilter eines Mehrpunkt-Wechselrichters.

In der 1 ist ein bekanntes Ausgangsfilter 2 eines Zweipunkt-Wechselrichters 4 näher dargestellt. Ein derartiges Ausgangsfilter 2 ist aus der DE 41 35 680 A1 bekannt. Dieses Ausgangsfilter 2 weist ein aus einer Induktivität L und einem Kondensator C aufgebautes LC-Filter 6 und eine Klemmschaltung 8 auf, mit der ein Ausgang 10 des Ausgangsfilters 2 mit jedem der beiden Potentiale + und – des Spannungszwischenkreises des Zweipunkt-Wechselrichters 4 elektrisch verbunden ist. Dazu weist diese Klemmschaltung 8 zwei elektrisch in Reihe geschaltete Dioden D7 und D8 auf, die derart gepolt sind, dass diese leitend werden, so bald die Spannung im Ausgang 10 des Ausgangsfilters 2 größer als die Zwischenkreis-Spannung U_ZW am Eingang des Wechselrichters 4 wird. Das LC-Filter 6 ist ein Tiefpass-Filter, das den Niederfrequenzenanteil eines PWM-Spektrums unbeeinflusst lässt. Die Schaltfrequenz und deren Oberwellen werden jedoch abgeblockt. Mittels dieser Klemmschaltung 8 wird eine ansteigende Spannung am Ausgang 10 des Ausgangsfilters 2, d.h. die Motorspannung, auf die Eingangs-Gleichspannung U_ZW des Wechselrichters 4 geklemmt.

Durch die Verwendung immer schneller schaltendeter abschaltbarer Halbleiterschalter weisen die an den Ausgangsklemmen des Wechselrichters 4 bereitgestellten Spannungsimpulse eine sehr hohe Flankensteilheit auf. Durch diese sehr steilen Schaltflanken wird die Isolation eines angeschlossenen Motors überhöht beansprucht, wodurch diese schneller altern und gegebenenfalls zerstört werden. Außerdem verursachen diese steilen Schaltflanken Überspannungen, deren Amplituden die Amplitude der gleichspannungsseitigen Zwischenkreis-Spannung U_ZW um das Doppelte oder Dreifache übersteigen können. Auch daraus resultiert eine überhöhte Beanspruchung der Isolation eines angeschlossenen Motors.

Bei Mittelspannungs-Umrichtern werden heute ebenfalls schnell schaltende abschaltbare Halbleiterschalter, beispielsweise Insulated-Gate-Bipolare-Transistor (IGBT), eingesetzt. Wegen deren Spannungsfestigkeit wird als Umrichter-Topologie wenigstens ein Dreipunkt-Wechselrichter verwendet. Ein derartiger Dreipunkt-Wechselrichter weist ein Mittelspannungs-Potential auf, wodurch die Sperrspannung an jedem Halbleiter gleich die Hälfte der Zwischenkreis-Spannung U_ZW ist.

Die 2 zeigt eine Phase 12 eines mehrphasigen Dreipunkt-Wechselrichters. Diese Phase 12 weist zwei äußere und zwei innere Halbleiterschalter T1, T4 und T2, T3 auf. Die Verbindung eines äußeren und eines inneren Halbleiterschalters T1, T2 bzw. T4, T3 ist mittels einer Mittelpunktsdiode D5 bzw. D6 mit dem Mittelpunkts-Potential des Dreipunkt-Wechselrichters elektrisch leitend verbunden. Den äußeren und inneren Halbleiterschaltern T1, T4 und T2, T3 sind Dioden D1, D4 und D2, D3 elektrisch antiparallel geschaltet.

Wenn man nun das Ausgangsfilter 2 des Zweipunkt-Wechselrichters 4 gemäß 1 bei einem Dreipunkt-Wechselrichter verwendet entsteht eine einphasige Schaltung, wie diese in der 2 näher dargestellt ist. Mittels der Klemmschaltung 8 wird eine Motorspannung an die Zwischenkreis-Spannung U_ZW geklemmt. Da die Zwischenkreis-Spannung U_ZW des Dreipunkt-Wechselrichters wesentlich höher ist als die des Zweipunkt-Wechselrichters, ist dementsprechend die Motorspannung höher. Beim Schalten zum Mittelspannungspotential entstehen Schwingungen. Diese können mit einem Dämpfungswiderstand 20, der elektrisch parallel zur Induktivität L des LC-Filters 6 geschaltet wird, gedämpft werden. Mit diesem Dämpfungswiderstand 20 ist nur eine begrenzte Dämpfung möglich. Dieser zusätzliche Dämpfungswiderstand 20 verursacht zusätzliche Verluste.

Bei Hochspannungs-Umrichtern muss wegen der Spannungsfestigkeit der abschaltbaren Halbleiterschalter die Anzahl der Potentialstufen des Mehrpunkt-Wechselrichters erhöht werden. D.h., man verwendet an Stelle des Dreipunkt-Wechselrichters einen Vier- bzw. Fünfpunkt-Wechselrichter. Die Topologie eines Vier- bzw. Fünfpunkt-Wechselrichters ist der Veröffentlichung mit dem Titel "A GENERAL CIRCUIT TOPOLOGY OF MULTILEVEL INVERTER", abgedruckt in PESC'91 Record, 22nd Annual IEEE Power Electronics Specialists Conference, 1991, Seite 96 bis 103, zu entnehmen. Bei der Erhöhung der Anzahl der Potentialstufen wird die Anzahl der Mittenpotentiale erhöht. Dadurch erhöht sich das Auftreten von Schwingungen, die beim Schalten zu den Mittenpotentialen angeregt werden. D.h., das Schwingungsproblem bei Mehrpunkt-Wechselrichter vergrößert sich mit der Erhöhung der Anzahl der Potentialstufen.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, das bekannte Ausgangsfilter derart weiterzubilden, dass das genannte Problem nicht mehr auftritt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Dadurch, dass die Klemmschaltung derart ausgebildet ist, dass ein Ausgang des Ausgangsfilters mit jeder Potentialstufe des Mehrpunkt-Wechselrichters elektrisch leitend verbindbar ist, können sich keine Schwingungen mehr ausbilden.

Bei einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Klemmschaltung weist diese Klemmschaltung für jedes Potentialpaar des Mehrpunkt-Wechselrichters zwei elektrisch in Reihe geschaltete Dioden auf, mit der der Ausgang des Ausgangsfilters mit einem Potentialpaar des Mehrpunkt-Wechselrichters elektrisch verbindbar ist. Dadurch werden im Ausgangsfilter nach der Erfindung wenigstens zwei Reihenschaltungen zweier Dioden pro Phase des Mehrpunkt-Wechselrichters nebeneinander angeordnet. Dadurch ist der Platzbedarf nicht unerheblich.

Bei einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Klemmschaltung weist diese Klemmschaltung wenigsten vier elektrisch in Reihe geschaltete Dioden auf, deren Anschlüsse jeweils mit einer Potentialstufe des Mehrpunkt-Wechselrichters verbunden sind. Dadurch wird einerseits gegenüber der ersten Ausführungsform weniger Platz benötigt und andererseits müssen die Dioden nicht mehr für die gesamte Zwischenkreis-Spannung dimensioniert werden.

Bei einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Klemmschaltung weist diese Klemmschaltung nur für jedes innere Potentialpaar jeweils zwei elektrisch in Reihe geschaltete Dioden auf. D.h., die Anzahl der Dioden der Klemmschaltung entspricht der Anzahl der Mittendioden des Mehrpunkt-Wechselrichters. Somit spart man zwei Dioden für das äußere Potentialpaar pro Phase ein.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform sind in den Verbindungsleitungen zwischen der Klemmschaltung und jeweils einer Potentialstufe ein Dämpfungswiderstand angeordnet. Mittels diesem bzw. dieser Dämpfungswiderstände werden die Spannungssteilheiten der am Ausgang des Ausgangsfilters anstehenden Ausgangsspannung begrenzt.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der Ausführungsbeispiele eines Ausgangsfilters eines Mehrpunkt-Wechselrichters schematisch veranschaulicht sind.
1 zeigt ein bekanntes Ausgangsfilter eines Zweipunkt-Wechselrichters, die
2 zeigt eine Phase eines Dreipunkt-Wechselrichters, die ausgangsseitig mit dem bekannten Ausgangsfilter des Zweipunkt-Wechselrichters nach 1 versehen ist, in der
3 ist eine erste Ausführungsform eines Ausgangsfilters eines Mehrpunkt-Wechselrichters nach der Erfindung veranschaulicht, wobei die
4 eine zweite und die
5 eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ausgangsfilters eines Mehrpunkt-Wechselrichters zeigen.
Die Erfindung wird anhand einer Phase 12 eines Dreipunkt-Wechselrichters erläutert. D.h., ein dreiphasiger Dreipunkt-Wechselrichter weist jeweils drei der dargestellten Phasen 12 mit zugehöriger Phase des Ausgangsfilters 2 auf.
In der 3 ist eine erste Ausführungsform des Ausgangsfilters 2 eines Mehrpunkt-Wechselrichters nach der Erfindung schematisch dargestellt. Jede Phase dieses Ausgangsfilters 2 weist für jedes Potentialpaar des Mehrpunkt-Wechselrichters zwei elektrisch in Reihe geschaltete Dioden D7, D8 und D9 und D10 auf. Der Verbindungspunkt 14 bzw. 16 dieser reihengeschalteten Dioden D7, D8 bzw. D9, D10 sind mit dem Ausgang 10 des Ausgangsfilters 2 verknüpft. Die Kathode der Diode D7 bzw. D9 ist mit dem Plus-Potential bzw. dem Mittelpotential elektrisch leitend verbunden, wogegen die Anode der Diode D8 bzw. D10 mit dem Minus-Potential bzw. Mittelpotential elektrisch leitend verknüpft ist. Somit ist der Ausgang 10 des Ausgangsfilters 2 eines Mehrpunkt-Wechselrichters jeweils auf einer Potentialstufe geklemmt. In der Verbindungsleitung 18 zwischen dem Verknüpfungspunkt 16 und dem Ausgang 10 des Ausgangsfilters 2 ist ein Dämpfungswiderstand 20 angeordnet. Mittels diesem Dämpfungswiderstands 20 wird beim Schalten gegen den Mittelpunkt die Spannungssteilheit der am Ausgang 10 anstehenden Spannung begrenzt.
Wird anstelle dieses Dreipunkt-Wechselrichters ein Vier- bzw. Fünfpunkt-Wechselrichter verwendet, so wird eine dritte bzw. vierte Reihenschaltung von zwei Dioden benötigt, die aus gangsseitig jeweils mit einer vierten bzw. fünften Potentialstufe verbunden sind.
In der 4 ist eine zweite Ausführungsform des Ausgangsfilters 2 eines Mehrpunkt-Wechselrichters nach der Erfindung veranschaulicht. Diese zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der Ausführungsform nach 3 dadurch, dass die benötigten Dioden D7, D8, D9 und D10 der Klemmschaltung 8 hier elektrisch in Reihe geschaltet sind. Dabei ist der Verbindungspunkt 22 bzw. 24 der Dioden D7, D9 bzw. D8, D10 mit dem Mittenpotential verbunden. In jeder dieser Verbindungsleitungen ist ein Dämpfungswiderstand 20 angeordnet. Durch diese Reihenschaltung aller Dioden D7, D8, D9 und D10 der Klemmschaltung 8 müssen diese Dioden D7 bis D10 nicht mehr die gesamte Zwischenkreis-Spannung U_ZW sperren können. Dadurch können preiswertere Dioden verwendet werden. Demgegenüber wird in dieser Ausführungsform zwei Dämpfungswiderstände 20 benötigt, wodurch sich die Verlustleistung auf diese beiden Dämpfungswiderstände 20 aufteilt.
Bei einem Vier- bzw. Fünfpunkt-Wechselrichter werden dann sechs bzw. acht Dioden elektrisch in Reihe geschalten, wobei jeweils ein Verbindungspunkt zweier reihengeschalteter Dioden mit einer Potentialstufe verknüpft ist. In diesen vier bzw. sechs Verbindungsleitungen kann ebenfalls Dämpfungswiderstände 20 angeordnet werden.
Die 5 zeigt eine Phase einer dritten Ausführungsform des Ausgangsfilters 2 eines Mehrpunkt-Wechselrichters. Bei dieser Ausführungsform weist die Klemmschaltung 8 jeweils nur die Dioden D9 und D10 zur Klemmung der Ausgangsspannung an jeweils einem Mittenpotential auf. Da hier eine Phase 12 eines Dreipunkt-Wechselrichters dargestellt ist, der nur ein Mittenpotential, nämlich das Mittelpotential aufweist, werden nur zwei elektrisch in Reihe geschaltete Dioden D9 und D10 benötigt. Wird ein Vier- bzw. Fünfpunkt-Wechselrichter verwendet, so existieren zwei bzw. drei Mittenpotentiale, so dass sich die Anzahl der Dioden der Klemmschaltung 8 verdoppelt bzw. verdreifacht. Die Dioden einer jeden inneren Potentialstufe werden wie in der Ausführungsform gemäß 3 elektrisch in Reihe geschaltet. Die Funktion der beiden Dioden D7 und D8 der äußeren Potentialstufe werden von den Freilauf-Dioden D1 und D4 der beiden äußeren abschaltbaren Halbleiterschalter T1 und T4 übernommen.
Mit dieser erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Klemmschaltung 8 erhält man ein Ausgangsfilter 2 für einen Mehrpunkt-Wechselrichter mit einer Punktzahl Drei und größer, bei dem keine Schwingungen mehr auftreten.

Claims

Ausgangsfilter (2) eines Mehrpunkt-Wechselrichters mit einem LC-Filter (6) und einer Klemmschaltung (8), mit der ein Ausgang (10) des Ausgangsfilters (2) mit jeder Potentialstufe des Mehrpunkt-Wechselrichters elektrisch leitend verbunden ist.
Ausgangsfilter (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Klemmschaltung (8) für jedes Potentialpaar des Mehrpunkt-Wechselrichters zwei elektrisch in Reihe geschaltete Dioden (D7, D8 bzw. D9, D10) aufweist.
Ausgangsfilter (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Klemmschaltung (8) eine Reihenschaltung aus wenigstens vier Dioden (D7, D8, D9, D10) aufweist.
Ausgangsfilter (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Klemmschaltung (8) für jedes innere Potentialpaar zwei elektrisch in Reihe geschaltete Dioden (D9, D10) aufweist.
Ausgangsfilter (2) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den Verbindungsleitungen zwischen der Klemmschaltung (8) und jeweils einer inneren Potentialstufe ein Dämpfungswiderstand (20) angeordnet ist.
Mehrphasiges Ausgangsfilter, dadurch gekennzeichnet, dass jede Ausgangsfilter-Phase einem Ausgangsfilter gemäß einem der vorgenannten Ansprüche entspricht.