WO2002023705A1 - Filter circuit configuration for a converter circuit - Google Patents

Filter circuit configuration for a converter circuit Download PDF

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WO2002023705A1
WO2002023705A1 PCT/EP2001/010418 EP0110418W WO0223705A1 WO 2002023705 A1 WO2002023705 A1 WO 2002023705A1 EP 0110418 W EP0110418 W EP 0110418W WO 0223705 A1 WO0223705 A1 WO 0223705A1
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WO
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voltage
filter
filter circuit
circuit arrangement
converter circuit
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PCT/EP2001/010418
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Gernot Enzensberger
Markus Jörg
Gerald Hilpert
Stefan Umbricht
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Bombardier Transportation Gmbh
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/53—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M7/537—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters
    • H02M7/5387—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters in a bridge configuration
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/12—Arrangements for reducing harmonics from ac input or output

Definitions

  • the invention relates to the field of power electronics. It is based on a filter circuit arrangement for a converter circuit according to the preamble of the independent claim.
  • Converter circuits in particular with a single-phase or three-phase AC voltage output, which are constructed from switchable power semiconductor switches, such as bipolar transistors with an insulated gate electrode, require filter circuit arrangements to limit the steepness when the switching voltage applied between AC voltage connections of the converter circuit changes.
  • Such a limitation of the steepness of the switching voltage in the event of potential changes is necessary, in particular, in the case of electrical loads such as transformers or electric motors connected to the AC voltage output of the converter circuit, since otherwise asymmetrical stresses on the winding insulation in the transformers or electric motors can occur and bearing damage can also occur when connecting an electric motor.
  • a filter circuit arrangement suitable for reducing resonance vibrations in a line is shown in EP 0473 192 B2.
  • An inductance of the filter circuit arrangement is connected to the AC voltage connections of a three-phase converter circuit.
  • a resistor with a diode is connected between each connection of the individual inductors and the two DC voltage connections of the converter circuit. The resistance with the diode between the respective inductance connections and the two DC voltage connections serves to limit the output current during switching operations of the converter circuit when an electrical load is connected, in particular a motor fed via a long line which is covered with a cable covering.
  • a problem with such a filter circuit arrangement according to EP 0 473 192 B2 is that in order to limit the output current of the converter circuit during switching operations for the inductances of the filter circuit arrangement, extremely large values must be selected in relation to the line inductance of the line in order to be able to achieve a satisfactory limitation of the current.
  • this choice of inductance leads to drastic material costs, an increase in weight and a high space requirement.
  • the filter circuit arrangement does not allow flexible coupling to an electrical load, since the filter components, in particular the inductances, have to be selected and designed as a function of the line to be connected.
  • the filter circuit arrangement is suitable for the suppression of resonance vibrations in a line with an exact design. However, it is unsuitable, for example, for limiting the steepness of the switching voltage in the event of potential changes, which is essential to reduce the electrical and mechanical stress on the components of the electrical load to be connected, when coupled to different loads, since it depends on the boundary conditions specified by the load , Presentation of the invention
  • the object of the invention is therefore to provide a filter circuit arrangement for a converter circuit constructed from power semiconductor switches, which limits the steepness of the switching voltage of the converter circuit in the event of potential changes, can be designed to be load-independent and can be implemented very simply and with few components. This object is solved by the features of the independent claim. Advantageous developments of the invention are specified in the subclaims.
  • the filter circuit arrangement according to the invention for the single-phase or three-phase converter circuit each has at least one inductance at AC voltage connections of the converter circuit, an electrical load being connected to each inductance connection provided on the inductance.
  • a voltage-limiting device is also connected to each inductance connection, and a filter capacitor is also advantageously provided between the inductance connections.
  • the filter capacitor together with the inductance advantageously serves to limit the steepness of the switching voltage, in particular in the event of potential changes.
  • the inductance and the filter capacitor are selected in the filter circuit arrangement such that the resonance frequency of the filter circuit arrangement is substantially greater than the switching frequency of the power semiconductor switches of the converter circuit.
  • the voltage-limiting device also ensures that possible inadmissible overvoltage values in the switching voltage that occur when the steepness of the switching voltage is limited in the event of potential changes are minimized as far as possible.
  • any high-frequency vibrations that occur in the switching voltage which are caused by the design of the filter capacitor and the inductance, are damped by the voltage-limiting device provided at each inductance connection, so that this damping advantageously keeps the high-frequency vibrations away from the electrical load and further reduces the mechanical and electrical stresses.
  • the filter circuit thus also enables improved operational reliability of the connected electrical loads and further circuits possibly involved on the converter output side.
  • the filter circuit arrangement according to the invention represents a particularly simple and inexpensive solution, since it requires only a few components and can therefore be implemented easily and with little expenditure of time.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of a filter circuit arrangement according to the invention for a three-phase converter circuit
  • FIG. 2 shows a second embodiment of a filter circuit arrangement according to the invention for a three-phase converter circuit
  • FIG. 3 shows a third embodiment of a filter circuit arrangement according to the invention for a three-phase converter circuit
  • Fig. 4 shows a fourth embodiment of a filter circuit arrangement according to the invention for a three-phase converter circuit.
  • the converter circuit 7 is constructed from power semiconductor switches, which are designed in particular as bipolar transistors with an insulated gate electrode.
  • a common DC voltage intermediate circuit with an intermediate circuit capacitor, which serves as an energy store, is provided at DC voltage connections 8 of the converter circuit 7.
  • the converter circuit 7 has, at its three-phase AC voltage output, AC voltage connections 1 to which at least one inductor 2 is connected in each case. Between the AC voltage connections 1 there is also the switching voltage of the converter circuit 7, which is not shown for the sake of clarity.
  • each inductor 2 according to FIG. 1 has an inductance connection 3 on its load side, to which a common electrical load 6, such as a transformer or an electric motor, is connected.
  • a filter capacitor 5 is provided between the inductance connections 3, each of which has two Inductance connections 3 connects.
  • This filter capacitor 5 forms, together with the inductor 2, a resonance circuit which advantageously limits the steepness of the switching edges of the switching voltage to the desired extent due to its filter action.
  • the inductance 2 and the filter capacitor 5 are selected in such a way that the resonance frequency f res of the filter circuit arrangement is considerably greater than the switching frequency frequency fs of the power semiconductor switch of the converter circuit 7, the resonance frequency f res preferably being in the order of magnitude of 500 times the switching frequency fs.
  • inductors 2 and the filter capacitors 5 are connected with one connection to the inductance connections 3 of the inductors 2 and the other connection of all filter capacitors 5 is connected with one another.
  • the inductor 2 and the filter capacitor 5 are designed in the manner described above makes it possible to set or limit the steepness of the switching voltage when the potential changes to a certain size.
  • electrical stresses for example of insulation windings of a transformer or electrical motor designed as an electrical load 6, are reduced.
  • mechanical stresses in particular in the case of an electric motor connected to the inductance connections 3 as an electrical load 6, are also reduced, for example in the motor bearings and the motor shaft.
  • the design of the inductance and the capacitor is advantageously independent of the load, so that a complex and therefore expensive design adapted to the electrical load can be dispensed with.
  • a voltage-limiting device 4 connected to each inductance connection 3 is provided.
  • This voltage-limiting device 4 ensures that possible inadmissible overvoltage values in the switching voltage which occur when the steepness of the switching voltage is limited when the potential changes are reduced to a minimum.
  • any high-frequency vibrations that occur in the switching voltage, which can occur due to the design of the filter capacitor 5 and the inductor 2 are damped by the voltage-limiting device 4, so that such high-frequency vibrations are advantageously prevented from the electrical load. This enables a further reduction in mechanical and electrical stresses to be achieved.
  • the varistor 1 has at least one varistor, wherein a varistor is advantageously provided between the inductance connections 3 and connects two inductance connections 3.
  • the use of the varistor as a voltage-limiting device 4 has the advantage that a complex voltage-limiting circuitry for the inductance connections 3 with a large number of components can be dispensed with.
  • FIG. 2 shows a second embodiment of the filter circuit arrangement according to the invention.
  • This shows the converter circuit 7 already described in FIG. 1, to which at least one inductance 2 is connected to the AC voltage connections 1 in the manner described above. Furthermore, the filter capacitor 5 and the electrical load are arranged in the manner described.
  • the voltage-limiting device 4 according to FIG. 2 has at least two diodes, each with a resistor connected in series with each diode.
  • the voltage-limiting device 4, in particular the diodes with the resistors connected in series, are connected to the DC voltage connections 8 of the converter circuit 7.
  • the advantage of the voltage-limiting device 4 formed with the diodes with resistors connected in series is that, by suitably selecting the resistor connected in series with the diode, the course of minimizing overvoltage values of the switching voltage while limiting the steepness of the switching voltage in the event of potential changes to specified requirements Converter circuit can be adjusted. For example, it is possible to choose the resistance in such a way that no or only very slight overshoot occurs in the damped switching voltage, which is limited in its steepness. Possible overvoltage values are thus kept away from the connected electrical load 6.
  • the third embodiment of the filter circuit arrangement shown in FIG. 3 differs from the embodiment shown in FIG. 2 in that the voltage-limiting device 4 has at least two diodes connected to the DC voltage connections 8 of the converter circuit 7 via two resistors.
  • the design of the voltage-limiting device 4 is an additional advantage of the voltage-limiting device designed according to FIG. 3.
  • the fact that the resistance connected in series with each diode corresponds to the voltage-limiting device 4 in accordance with FIG Fig. 2 can be saved, which results in a significant cost reduction and a weight and space saving, especially in a three-phase converter circuit.
  • FIG. 4 shows a fourth embodiment of the filter circuit arrangement according to the invention.
  • This embodiment differs from the above-described embodiments of the filter circuit arrangement according to FIGS. 1 to 3 in that the voltage-limiting device 4 has a resistor connected in series with each filter capacitor 5.
  • the voltage-limiting device 4, in particular the resistor connected in series with each filter capacitor 5, has the advantage that the characteristic of minimizing overvoltage values of the switching voltage when limiting the steepness of the switching voltage in the event of potential changes can be adapted to predetermined requirements of the converter circuit by suitable selection of the resistor and at the same time a minimal number of components is used.
  • the resistance can be selected in such a way that no or only very slight overshoot occurs in the damped switching voltage, which is limited in its steepness. Overvoltage values that can possibly occur are thereby advantageously prevented from the connected electrical load 6.
  • the filter circuit arrangement according to the invention according to FIGS. 1 to 4 is constructed very simply and with few elements and can be used both for the described three-phase converter circuit 7 according to FIGS. 1 to 4 and for a single-phase converter circuit with a single-phase AC output for limitation the steepness of the switching voltage can be used for potential changes.
  • the filter circuit arrangement thus represents a very simple, flexible and inexpensive solution.

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Abstract

The invention relates to a filter circuit configuration for a single-phase or three-phase converter circuit (7) for limiting the steepness of the switching voltage of the converter circuit (7) when changing potential. Said filter circuit configuration comprises at least one inductor (2) located at alternating current connections (1) of the converter circuit (7). An electrical load (6) and a voltage-limiting device (4) are connected to each inductor connection (3) provided at the inductor (2), and a filter capacitor (5) is provided between each of the inductor connections (3). In addition, the inductor (2) and the filter capacitor (5) in the filter circuit configuration are selected in such a manner that the resonance frequency (fres) of the filter circuit configuration is significantly greater than the switching frequency (fs) of the power semiconductor switch of the converter circuit (7).

Description

FILTERSCHALTUNGSANORDNUNG FÜR EINE STROMRICHTERSCHALTUNG FILTER CIRCUIT ARRANGEMENT FOR A RECTIFIER CIRCUIT
B E S C H R E I B U N GDESCRIPTION
Technisches GebietTechnical field
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Leistungselektronik. Sie geht aus von einer Filterschaltungsanordnung für eine Stromrichterschaltung gemäss dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs.The invention relates to the field of power electronics. It is based on a filter circuit arrangement for a converter circuit according to the preamble of the independent claim.
Stand der TechnikState of the art
Stromrichterschaltungen, insbesondere mit einem einphasigen oder dreiphasigen Wech- selspannungsausgang, die aus abschaltbaren Leistungshalbleiterschaltern, wie beispielsweise Bipolartransistoren mit isoliert angeordneter Gatelektrode, aufgebaut sind, benötigen zur Begrenzung der Steilheit bei Potentialwechseln der zwischen Wechselspannungsanschlussen der Stromrichterschaltung anliegenden Schaltspannung Filterschaltungsanordnungen. Eine solche Begrenzung der Steilheit der Schaltspannung bei Potentialwechseln ist insbesondere bei an den Wechselspannungsausgang der Stromrichterschaltung angeschlossenen elektrischen Lasten wie Transformatoren oder Elektromotoren notwendig, da ansonsten unsymmetrische Beanspruchungen der Wicklungsisolationen in den Transformatoren oder Elektromotoren auf- treten können und es bei Anschluss eines Elektromotors zudem zu Lagerschäden kommen kann.Converter circuits, in particular with a single-phase or three-phase AC voltage output, which are constructed from switchable power semiconductor switches, such as bipolar transistors with an insulated gate electrode, require filter circuit arrangements to limit the steepness when the switching voltage applied between AC voltage connections of the converter circuit changes. Such a limitation of the steepness of the switching voltage in the event of potential changes is necessary, in particular, in the case of electrical loads such as transformers or electric motors connected to the AC voltage output of the converter circuit, since otherwise asymmetrical stresses on the winding insulation in the transformers or electric motors can occur and bearing damage can also occur when connecting an electric motor.
Eine für die Reduzierung von Resonanzschwingungen in einer Leitung geeignete Filterschal- tungsanordnung ist in der EP 0473 192 B2 gezeigt. Darin ist an den Wechselspannungsanschlussen einer dreiphasig ausgeführten Stromrichterschaltung jeweils eine Induktivität der Filterschaltungsanordnung angeschlossen. Zudem ist zwischen jedem Anschluss der einzelnen Induktivitäten und den beiden Gleichspannungsanschlüssen der Stromrichterschaltung jeweils ein Widerstand mit einer Diode angeschlossen. Der Widerstand mit der Diode zwi- sehen den jeweiligen Induktivitätsanschlüssen und den beiden Gleichspannungsanschlüssen dient der Ausgangsstrombegrenzung während Schaltvorgängen der Stromrichterschaltung bei Anschluss einer elektrischen Last, insbesondere eines über eine mit einem Leitungsbelag behaftete lange Leitung gespeisten Motors.A filter circuit arrangement suitable for reducing resonance vibrations in a line is shown in EP 0473 192 B2. An inductance of the filter circuit arrangement is connected to the AC voltage connections of a three-phase converter circuit. In addition, a resistor with a diode is connected between each connection of the individual inductors and the two DC voltage connections of the converter circuit. The resistance with the diode between the respective inductance connections and the two DC voltage connections serves to limit the output current during switching operations of the converter circuit when an electrical load is connected, in particular a motor fed via a long line which is covered with a cable covering.
Problematisch bei einer derartigen Filterschaltungsanordnung nach der EP 0 473 192 B2 ist, dass zur Begrenzung des Ausgangsstromes der Stromrichterschaltung bei Schaltvorgängen für die Induktivitäten der Filterschaltungsanordnung extrem grosse Werte gegenüber der Leitungsinduktivität der Leitung gewählt werden müssen, um eine befriedigende Begrenzung des Stromes erreichen zu können. Diese Induktivitätenwahl führt jedoch zu drastischen Mate- rialkosten, einer Gewichtserhöhung und einem hohen Platzbedarf.A problem with such a filter circuit arrangement according to EP 0 473 192 B2 is that in order to limit the output current of the converter circuit during switching operations for the inductances of the filter circuit arrangement, extremely large values must be selected in relation to the line inductance of the line in order to be able to achieve a satisfactory limitation of the current. However, this choice of inductance leads to drastic material costs, an increase in weight and a high space requirement.
Weiterhin erlaubt die Filterschaltungsanordnung keine flexible Ankopplung an eine elektrische Last, da die Filterbauelemente, insbesondere die Induktivitäten in Abhängigkeit der an- zuschliessenden Leitung ausgewählt und ausgelegt werden müssen. Die Filterschaltungsan- Ordnung eignet sich zwar bei exakter Auslegung zur Unterdrückung von Resonanzschwingungen in einer Leitung. Sie ist jedoch beispielsweise für eine Begrenzung der Steilheit der Schaltspannung bei Potentialwechseln, die zur Minderung der elektrischen und mechanischen Beanspruchungen der Komponenten der anzuschliessenden elektrischen Last unerlässlich ist, bei einer Ankopplung an unterschiedliche Lasten ungeeignet, da sie von den durch die Last vorgegeben Randbedingungen abhängig ist. Darstellung der ErfindungFurthermore, the filter circuit arrangement does not allow flexible coupling to an electrical load, since the filter components, in particular the inductances, have to be selected and designed as a function of the line to be connected. The filter circuit arrangement is suitable for the suppression of resonance vibrations in a line with an exact design. However, it is unsuitable, for example, for limiting the steepness of the switching voltage in the event of potential changes, which is essential to reduce the electrical and mechanical stress on the components of the electrical load to be connected, when coupled to different loads, since it depends on the boundary conditions specified by the load , Presentation of the invention
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Filterschaltungsanordnung für eine aus Leistungshalbleiterschaltern aufgebauten Stromrichterschaltung anzugeben, die die Steilheit der Schaltspannung der Stromrichterschaltung bei Potentialwechseln begrenzt, lastunabhängig ausgelegt werden kann und sehr einfach und mit wenigen Bauelementen realisiert ist. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs gelöst. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung angegeben.The object of the invention is therefore to provide a filter circuit arrangement for a converter circuit constructed from power semiconductor switches, which limits the steepness of the switching voltage of the converter circuit in the event of potential changes, can be designed to be load-independent and can be implemented very simply and with few components. This object is solved by the features of the independent claim. Advantageous developments of the invention are specified in the subclaims.
Die erfmdungsgemässe Filterschaltungsanordnung für die einphasig oder dreiphasig ausgeführte Stromrichterschaltung weist jeweils mindestens eine Induktivität an Wechselspannungsanschlussen der Stromrichterschaltung auf, wobei an jedem an der Induktivität vorgesehenen Induktivitätsanschluss eine elektrische Last angeschlossen ist. Erfindungsgemäss ist ferner an jedem Induktivitätsanschluss eine spannungsbegrenzende Einrichtung angeschlos- sen und zudem ist vorteilhaft zwischen den Induktivitätsanschlüssen jeweils ein Filterkondensator vorgesehen. Der Filterkondensator zusammen mit der Induktivität dient vorteilhaft der Begrenzung der Steilheit der Schaltspannung, insbesondere bei Potentialwechseln. Darüber hinaus sind bei der Filterschaltungsanordnung erfindungsgemäss die Induktivität und der Filterkondensator derart gewählt, dass die Resonanzfrequenz der Filterschaltungsanordnung wesentlich grosser ist, als die Schaltfrequenz der Leistungshalbleiterschalter der Stromrichterschaltung. Dadurch lässt sich die Steilheit der Schaltspannung auf eine bestimmte Grosse einstellen beziehungsweise begrenzen. Mechanische und elektrische Beanspruchungen einer an die Filterschaltungsanordnung, insbesondere an die Induktivitätsanschlüsse angeschlossenen elektrischen Last können so in gewünschter Weise reduziert werden, wobei auf eine lastabhängige aufwendige Auslegung der Induktivität und des Filterkondensators verzichtet werden kann. Die spannungsbegrenzende Einrichtung gewährleistet zudem, dass mögliche, bei der Begrenzung der Steilheit der Schaltspannung bei Potentialwechseln auftretende unzulässige Überspannungswerte in der Schaltspannung weitestgehend minimiert werden.The filter circuit arrangement according to the invention for the single-phase or three-phase converter circuit each has at least one inductance at AC voltage connections of the converter circuit, an electrical load being connected to each inductance connection provided on the inductance. According to the invention, a voltage-limiting device is also connected to each inductance connection, and a filter capacitor is also advantageously provided between the inductance connections. The filter capacitor together with the inductance advantageously serves to limit the steepness of the switching voltage, in particular in the event of potential changes. In addition, according to the invention, the inductance and the filter capacitor are selected in the filter circuit arrangement such that the resonance frequency of the filter circuit arrangement is substantially greater than the switching frequency of the power semiconductor switches of the converter circuit. This allows the steepness of the switching voltage to be set or limited to a certain size. Mechanical and electrical stresses on an electrical load connected to the filter circuit arrangement, in particular to the inductance connections, can thus be reduced in the desired manner, and a load-dependent, complex design of the inductance and the filter capacitor can be dispensed with. The voltage-limiting device also ensures that possible inadmissible overvoltage values in the switching voltage that occur when the steepness of the switching voltage is limited in the event of potential changes are minimized as far as possible.
Weiterhin werden eventuell auftretende hochfrequente Schwingungen in der Schaltspannung, die durch die Auslegung des Filterkondensators und der Induktivität hervorgerufen werden, durch die an jedem Induktivitätsanschluss vorgesehene spannungsbegrenzende Einrichtung gedämpft, so dass mittels dieser Dämpfung die hochfrequenten Schwingungen vorteilhaft von der elektrischen Last abgehalten werden und eine weitere Reduzierung der mechanischen und elektrischen Beanspruchungen erreicht wird. Die Filterschaltung ermöglicht somit zudem eine verbesserte Betriebssicherheit der angeschlossenen elektrischen Lasten und weiterer eventuell stromrichterausgangsseitig beteiligter Beschaltungen.Furthermore, any high-frequency vibrations that occur in the switching voltage, which are caused by the design of the filter capacitor and the inductance, are damped by the voltage-limiting device provided at each inductance connection, so that this damping advantageously keeps the high-frequency vibrations away from the electrical load and further reduces the mechanical and electrical stresses. The filter circuit thus also enables improved operational reliability of the connected electrical loads and further circuits possibly involved on the converter output side.
Insgesamt stellt die erfindungsgemässe Filterschaltungsanordnung ein besonders einfache und kostengünstige Lösung dar, da sie mit wenigen Bauelementen auskommt und demnach einfach und mit geringem zeitlichen Aufwand realisiert werden kann.Overall, the filter circuit arrangement according to the invention represents a particularly simple and inexpensive solution, since it requires only a few components and can therefore be implemented easily and with little expenditure of time.
Diese und weitere Aufgaben, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung offensichtlich.These and other objects, advantages and features of the present invention will become apparent from the following description of a preferred embodiment of the invention in conjunction with the drawing.
Kurze Beschreibung der ZeichnungBrief description of the drawing
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 eine erste erfindungsgemässe Ausführungsform einer Filterschaltungsanordnung für eine dreiphasige Stromrichterschaltung,1 shows a first embodiment of a filter circuit arrangement according to the invention for a three-phase converter circuit,
Fig. 2 eine zweite erfindungsgemässe Ausführungsform einer Filterschaltungsanordnung für eine dreiphasige Stromrichterschaltung,2 shows a second embodiment of a filter circuit arrangement according to the invention for a three-phase converter circuit,
Fig. 3 eine dritte erfindungsgemässe Ausführungsform einer Filterschaltungsanordnung für eine dreiphasige Stromrichterschaltung und Fig. 4 eine vierte erfindungsgemässe Ausführungsform einer Filterschaltungsanordnung für eine dreiphasige Stromrichterschaltung.3 shows a third embodiment of a filter circuit arrangement according to the invention for a three-phase converter circuit and Fig. 4 shows a fourth embodiment of a filter circuit arrangement according to the invention for a three-phase converter circuit.
Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.In principle, the same parts are provided with the same reference symbols in the figures.
Wege zur Ausführung der ErfindungWays of Carrying Out the Invention
In Fig. 1 ist eine erste Ausführungsform einer Filterschaltungsanordnung für eine dreiphasige Stromrichterschaltung 7 dargestellt. Die Stromrichterschaltung 7 ist aus Leistungshalbleiterschaltern aufgebaut, die insbesondere als Bipolartransistoren mit isoliert angeordneter Gateelektrode ausgeführt sind. An Gleichspannungsanschlüssen 8 der Stromrichterschaltung 7 ist ein gängiger Gleichspannungszwischenkreis mit einem Zwischenkreiskondensator vorgesehen, der als Energiespeicher dient. Die Stromrichterschaltung 7 weist an ihrem dreiphasigen Wechselspannungsausgang Wechselspannungsanschlüsse 1 auf, an die jeweils mindestens eine Induktivität 2 angeschlossen ist. Zwischen den Wechselspannungsanschlussen 1 liegt zudem die Schaltspannung der Stromrichterschaltung 7 an, die der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigt ist. Ferner weist jede Induktivität 2 gemäss Fig. 1 an ihrer Lastseite einen Induktivitätsanschluss 3 auf, an den eine gängige elektrische Last 6, wie beispielsweise ein Transformator oder ein elektrischer Motor, angeschlossen ist.1 shows a first embodiment of a filter circuit arrangement for a three-phase converter circuit 7. The converter circuit 7 is constructed from power semiconductor switches, which are designed in particular as bipolar transistors with an insulated gate electrode. A common DC voltage intermediate circuit with an intermediate circuit capacitor, which serves as an energy store, is provided at DC voltage connections 8 of the converter circuit 7. The converter circuit 7 has, at its three-phase AC voltage output, AC voltage connections 1 to which at least one inductor 2 is connected in each case. Between the AC voltage connections 1 there is also the switching voltage of the converter circuit 7, which is not shown for the sake of clarity. Furthermore, each inductor 2 according to FIG. 1 has an inductance connection 3 on its load side, to which a common electrical load 6, such as a transformer or an electric motor, is connected.
Zur Begrenzung der Steilheit der Schaltspannung, insbesondere der Schaltflanken der Schaltspannung bei Potentialwechseln, ist erfindungsgemäss gemäss Fig. 1 und gemäss weiteren erfindungsgemässen Ausführungsformen der Filterschaltungsanordnung in den Fig. 2 bis Fig. 4 zwischen den Induktivitätsanschlüssen 3 jeweils ein Filterkondensator 5 vorgesehen, der jeweils zwei Induktivitätsanschlüsse 3 verbindet. Dieser Filterkondensator 5 bildet zusammen mit der Induktivität 2 einen Resonanzkreis, der durch seine Filterwirkung vorteilhaft die Steilheit der Schaltflanken der Schaltspannung in gewünschtem Masse begrenzt. Die Induktivität 2 und der Filterkondensator 5 sind erfindungsgemäss derart ausgewählt, dass die Resonanzfrequenz fres der Filterschaltungsanordnung wesentlich grosser ist, als die Schaltfre- quenz fs der Leistungshalbleiterschalter der Stromrichterschaltung 7, wobei die Resonanzfrequenz fres vorzugsweise in der Grössenordnung der 500-fachen Schaltfrequenz fs liegt.To limit the steepness of the switching voltage, in particular the switching edges of the switching voltage in the event of potential changes, according to the invention, according to FIG. 1 and according to further embodiments of the filter circuit arrangement in FIGS. 2 to 4, a filter capacitor 5 is provided between the inductance connections 3, each of which has two Inductance connections 3 connects. This filter capacitor 5 forms, together with the inductor 2, a resonance circuit which advantageously limits the steepness of the switching edges of the switching voltage to the desired extent due to its filter action. According to the invention, the inductance 2 and the filter capacitor 5 are selected in such a way that the resonance frequency f res of the filter circuit arrangement is considerably greater than the switching frequency frequency fs of the power semiconductor switch of the converter circuit 7, the resonance frequency f res preferably being in the order of magnitude of 500 times the switching frequency fs.
Alternativ ist es ebenfalls möglich, die Induktivitäten 2 und die Filterkondensatoren 5 als Sternschaltung zu realisieren, bei der die Filterkondensatoren 5mit einem Anschluss mit den Induktivitätsanschlüssen 3 der Induktivitäten 2 verbunden sind und der andere Anschluss aller Filterkondensatoren 5 miteinander verbunden ist.Alternatively, it is also possible to implement the inductors 2 and the filter capacitors 5 as a star connection, in which the filter capacitors 5 are connected with one connection to the inductance connections 3 of the inductors 2 and the other connection of all filter capacitors 5 is connected with one another.
Dadurch, dass die Induktivität 2 und der Filterkondensator 5 in der vorstehend beschriebenen Weise ausgelegt werden, ist eine Einstellung beziehungsweise eine Begrenzung der Steilheit der Schaltspannung bei Potentialwechseln auf eine bestimmte Grosse möglich. Durch die Begrenzung der Steilheit der Schaltspannung bei Potentialwechseln werden elektrische Beanspruchungen beispielsweise von Isolationswicklungen eines als elektrische Last 6 ausgebildeten Transformators oder elektrischen Motors reduziert. Darüber hinaus werden die mecha- nischen Beanspruchungen, insbesondere bei einem als elektrische Last 6 an die Induktivitätsanschlüsse 3 angeschlossenen elektrischen Motor beispielsweise in den Motorlagern und der Motorwelle ebenfalls herabgesetzt. Weiterhin ist die Auslegung der Induktivität und des Kondensators mit Vorteil lastunabhängig, so dass auf eine an die elektrische Last angepasste aufwendige und damit teuere Auslegung verzichtet werden kann.The fact that the inductor 2 and the filter capacitor 5 are designed in the manner described above makes it possible to set or limit the steepness of the switching voltage when the potential changes to a certain size. By limiting the steepness of the switching voltage in the event of potential changes, electrical stresses, for example of insulation windings of a transformer or electrical motor designed as an electrical load 6, are reduced. In addition, the mechanical stresses, in particular in the case of an electric motor connected to the inductance connections 3 as an electrical load 6, are also reduced, for example in the motor bearings and the motor shaft. Furthermore, the design of the inductance and the capacitor is advantageously independent of the load, so that a complex and therefore expensive design adapted to the electrical load can be dispensed with.
Nach den erfindungsgemässen Ausführungsformen der Filterschaltungsanordnung gemäss den Fig. 1 bis Fig. 4 ist eine an jedem Induktivitätsanschluss 3 angeschlossene spannungsbegrenzende Einrichtung 4 vorgesehen. Diese spannungsbegrenzende Einrichtung 4 stellt sicher, dass mögliche bei der Begrenzung der Steilheit der Schaltspannung bei Potentialwech- sein auftretende unzulässige Überspannungswerte in der Schaltspannung auf eine Minimum reduziert werden. Darüber hinaus werden eventuell auftretende hochfrequente Schwingungen in der Schaltspannung, die durch die Auslegung des Filterkondensators 5 und der Induktivität 2 auftreten können, durch die spannungsbegrenzende Einrichtung 4 gedämpft, so dass derartige hochfrequente Schwingungen vorteilhaft von der elektrischen Last abgehalten werden. Dadurch kann eine weitere Reduzierung der mechanischen und elektrischen Beanspruchungen erzielt werden. Erfindungsgemäss weist die spannungsbegrenzende Einrichtung 4 gemäss Fig. 1 mindestens einen Varistor auf, wobei vorteilhaft jeweils ein Varistor zwischen den Induktivit tsanschlüssen 3 vorgesehen ist, der jeweils zwei Induktivitätsanschlüsse 3 verbindet. Der Einsatz des Varistors als spannungsbegrenzende Einrichtung 4 hat den Vorteil, dass auf eine aufwendige spannungsbegrenzende Beschal tung der Induktivitätsanschlüsse 3 mit einer Vielzahl an Bauelementen verzichtet werden kann.According to the embodiments of the filter circuit arrangement according to the invention according to FIGS. 1 to 4, a voltage-limiting device 4 connected to each inductance connection 3 is provided. This voltage-limiting device 4 ensures that possible inadmissible overvoltage values in the switching voltage which occur when the steepness of the switching voltage is limited when the potential changes are reduced to a minimum. In addition, any high-frequency vibrations that occur in the switching voltage, which can occur due to the design of the filter capacitor 5 and the inductor 2, are damped by the voltage-limiting device 4, so that such high-frequency vibrations are advantageously prevented from the electrical load. This enables a further reduction in mechanical and electrical stresses to be achieved. According to the invention, the voltage-limiting device 4 according to FIG. 1 has at least one varistor, wherein a varistor is advantageously provided between the inductance connections 3 and connects two inductance connections 3. The use of the varistor as a voltage-limiting device 4 has the advantage that a complex voltage-limiting circuitry for the inductance connections 3 with a large number of components can be dispensed with.
In Fig. 2 ist eine zweite erfindungsgemässe Ausführungsform der Filterschaltungsanordnung dargestellt. Darin ist die bereits in Fig. 1 beschriebene Stromrichterschaltung 7 gezeigt, an die an den Wechselspannungsanschlussen 1 jeweils mindestens eine Induktivität 2 in vorstehend beschriebener Weise angeschlossen ist. Ferner ist der Filterkondensator 5 und die elektrische Last in beschriebener Weise angeordnet. Die spannungsbegrenzende Einrichtung 4 gemäss Fig. 2 weist im Gegensatz zu der in Fig. 1 gezeigten erfindungsgemäss mindestens zwei Dioden mit jeweils einem zu jeder Diode in Reihe geschalteten Widerstand auf. Die spannungsbegrenzende Einrichtung 4, insbesondere die Dioden mit den in Reihe geschalteten Widerständen sind dabei mit den Gleichspannungsanschlüssen 8 der Stromrichterschaltung 7 verbunden. Der Vorteil der mit den Dioden mit in Reihe geschalteten Widerständen ausgebildeten Spannungsbegrenzenden Einrichtung 4 besteht darin, dass durch geeignete Wahl des zur Diode in Reihe geschalteten Widerstands der Verlauf der Minimierung von Überspannungswerten der Schaltspannung bei der Begrenzung der Steilheit der Schaltspannung bei Potentialwechseln an vorgegebene Anforderungen der Stromrichterschaltung angepasst werden kann. So ist es beispielsweise möglich, den Widerstand derart zu wählen, dass kein oder nur sehr geringes Überschwingen in der gedämpften und in ihrer Steilheit begrenzten Schaltspan- nung auftritt. Mögliche Überspannungswerte werden somit von der angeschlossenen elektrischen Last 6 ferngehalten.FIG. 2 shows a second embodiment of the filter circuit arrangement according to the invention. This shows the converter circuit 7 already described in FIG. 1, to which at least one inductance 2 is connected to the AC voltage connections 1 in the manner described above. Furthermore, the filter capacitor 5 and the electrical load are arranged in the manner described. In contrast to the inventive device shown in FIG. 1, the voltage-limiting device 4 according to FIG. 2 has at least two diodes, each with a resistor connected in series with each diode. The voltage-limiting device 4, in particular the diodes with the resistors connected in series, are connected to the DC voltage connections 8 of the converter circuit 7. The advantage of the voltage-limiting device 4 formed with the diodes with resistors connected in series is that, by suitably selecting the resistor connected in series with the diode, the course of minimizing overvoltage values of the switching voltage while limiting the steepness of the switching voltage in the event of potential changes to specified requirements Converter circuit can be adjusted. For example, it is possible to choose the resistance in such a way that no or only very slight overshoot occurs in the damped switching voltage, which is limited in its steepness. Possible overvoltage values are thus kept away from the connected electrical load 6.
Die in Fig. 3 dargestellte dritte Ausführungsform der Filterschaltungsanordnung unterscheidet sich gegenüber der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform dadurch, dass die spannungsbegren- zende Einrichtung 4 mindestens zwei über zwei Widerstände mit den Gleichspannungsanschlüssen 8 der Stromrichterschaltung 7 verbundene Dioden aufweist. Neben den bereits ge- nannten Vorteilen der ersten und zweiten Ausführungsform der Filterschaltungsanordnung, insbesondere der Ausbildung der spannungsbegrenzenden Einrichtung 4, liegt ein zusätzlicher Vorteil der gemäss Fig. 3 ausgebildeten spannungsbegrenzenden.Einrichtung 4 darin, dass der zu jeder Diode in Reihe geschaltete Widerstand der spannungsbegrenzenden Ein- richtung 4 gemäss Fig. 2 eingespart werden kann, woraus sich eine wesentliche Kostenreduktion und eine Gewichts- und Platzersparnis, insbesondere bei einer dreiphasigen Stromrichterschaltung ergibt.The third embodiment of the filter circuit arrangement shown in FIG. 3 differs from the embodiment shown in FIG. 2 in that the voltage-limiting device 4 has at least two diodes connected to the DC voltage connections 8 of the converter circuit 7 via two resistors. In addition to the already Advantages of the first and second embodiment of the filter circuit arrangement, in particular the design of the voltage-limiting device 4, is an additional advantage of the voltage-limiting device designed according to FIG. 3. The fact that the resistance connected in series with each diode corresponds to the voltage-limiting device 4 in accordance with FIG Fig. 2 can be saved, which results in a significant cost reduction and a weight and space saving, especially in a three-phase converter circuit.
In Fig. 4 ist eine vierte erfindungsgemäss Ausführungsform der Filterschaltungsanordnung gezeigt. Diese Ausführungsform unterschiedet sich von den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen der Filterschaltungsanordnung gemäss Fig. 1 bis Fig. 3 dadurch, dass die spannungsbegrenzende Einrichtung 4 einen in Reihe zu jedem Filterkondensator 5 geschalteten Widerstand aufweist. Die spannungsbegrenzende Einrichtung 4, insbesondere der in Reihe zu jedem Filterkondensator 5 geschaltete Widerstand hat den Vorteil, dass durch geeignete Wahl des Widerstands die Charakteristik der Minimierung von Überspannungswerten der Schaltspannung bei der Begrenzung der Steilheit der Schaltspannung bei Potentialwechseln an vorgegebene Anforderungen der Stromrichterschaltung angepasst werden kann und gleichzeitig eine minimale Anzahl an Bauelementen verwendet wird. Der Widerstand kann derart gewählt werden, dass kein oder nur sehr geringes Überschwingen in der gedämpften und in ihrer Steilheit begrenzten Schaltspannung auftritt. Überspannungswerte, die eventuell auftreten können, werden dadurch vorteilhaft von der angeschlossenen elektrischen Last 6 abgehalten.4 shows a fourth embodiment of the filter circuit arrangement according to the invention. This embodiment differs from the above-described embodiments of the filter circuit arrangement according to FIGS. 1 to 3 in that the voltage-limiting device 4 has a resistor connected in series with each filter capacitor 5. The voltage-limiting device 4, in particular the resistor connected in series with each filter capacitor 5, has the advantage that the characteristic of minimizing overvoltage values of the switching voltage when limiting the steepness of the switching voltage in the event of potential changes can be adapted to predetermined requirements of the converter circuit by suitable selection of the resistor and at the same time a minimal number of components is used. The resistance can be selected in such a way that no or only very slight overshoot occurs in the damped switching voltage, which is limited in its steepness. Overvoltage values that can possibly occur are thereby advantageously prevented from the connected electrical load 6.
Insgesamt ist die erfindungsgemässe Filterschaltungsanordnung gemäss Fig. 1 bis Fig. 4 sehr einfach und mit wenigen Elementen aufgebaut und kann sowohl für die beschriebene dreiphasige Stromrichterschaltung 7 gemäss den Fig. 1 bis Fig. 4 als auch für eine einphasige Stromrichterschaltung mit einem einphasigen Wechselspannungsausgang zur Begrenzung der Steilheit der Schaltspannung bei Potentialwechseln eingesetzt werden. Die Filterschaltungsanordnung stellt somit eine sehr einfache, flexible und kostengünstige Lösung dar. Overall, the filter circuit arrangement according to the invention according to FIGS. 1 to 4 is constructed very simply and with few elements and can be used both for the described three-phase converter circuit 7 according to FIGS. 1 to 4 and for a single-phase converter circuit with a single-phase AC output for limitation the steepness of the switching voltage can be used for potential changes. The filter circuit arrangement thus represents a very simple, flexible and inexpensive solution.

Claims

P A T E N T AN S P RÜ C HE PATENT TO SP RÜ C HE
1. Filterschaltungsanordnung für eine aus Leistungshalbleiterschaltern aufgebaute Strom- richterschaltung (7) mit jeweils mindestens einer an Wechselspannungsanschlussen (1) der Stromrichterschaltung (7) angeschlossenen Induktivität (2), wobei jede Induktivität (2) an der Lastseite einen Induktivitätsanschluss (3) aufweist, an den eine elektrische Last (6) angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass an jedem Induktivitätsanschluss (3) eine spannungsbegrenzende Einrichtung (4) ange- schlössen ist und zwischen den Induktivitätsanschlüssen (3) jeweils ein Filterkondensator (5) vorgesehen ist, wobei die Induktivität (2) und der Filterkondensator (5) derart gewählt sind, dass die Resonanzfrequenz (fres) der Filterschaltungsanordnung wesentlich grosser ist, als die Schalt- frequenz (fs) der Leistungshalbleiterschalter der Stromrichterschaltung (7).1. filter circuit arrangement for a converter circuit (7) constructed from power semiconductor switches, each having at least one inductor (2) connected to AC voltage connections (1) of the converter circuit (7), each inductor (2) having an inductance connection (3) on the load side, to which an electrical load (6) is connected, characterized in that a voltage-limiting device (4) is connected to each inductance connection (3) and a filter capacitor (5) is provided between the inductance connections (3), the inductance (2) and the filter capacitor (5) are selected such that the resonance frequency (f res ) of the filter circuit arrangement is significantly greater than the switching frequency (fs) of the power semiconductor switches of the converter circuit (7).
2. Filterschaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Induktivitäten (2) und Filterkondensatoren (5) als Sternschaltung verschaltet sind, wobei mit jedem Induktivitätsanschluss (3) jeweils ein Filterkondensator (5) mit einem An- schluss verbunden ist, während der andere Anschluss jedes Filterkondensators (5) mit den anderen Anschlüssen der anderen Filterkondensatoren (5) verbunden ist.2. Filter circuit arrangement according to claim 1, characterized in that inductors (2) and filter capacitors (5) are connected as a star connection, with each inductance connection (3) in each case a filter capacitor (5) being connected to one connection, while the other connection each filter capacitor (5) is connected to the other connections of the other filter capacitors (5).
3. Filterschaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonanzfrequenz (fres) in der Grössenordnung der 500-fachen Schaltfrequenz (fs) liegt.3. Filter circuit arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that the resonance frequency (f res ) is in the order of magnitude of 500 times the switching frequency (fs).
4. Filterschaltungsanordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die spannungsbegrenzende Einrichtung (4) mindestens einen Varistor aufweist.4. Filter circuit arrangement according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the voltage-limiting device (4) has at least one varistor.
5. Filterschaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils ein Varistor zwischen den Induktivitätsanschlüssen (1) vorgesehen ist. 5. Filter circuit arrangement according to claim 4, characterized in that in each case a varistor is provided between the inductance connections (1).
6. Filterschaltungsanordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3 , dadurch gekennzeichnet, dass die spannungsbegrenzende. Einrichtung (4) mindestens zwei Dioden mit jeweils einem zu jeder Diode in Reihe geschalteten Widerstand aufweist, wobei die spannungsbegrenzende Einrichtung (4) mit Gleichspannungsanschlüssen (8) der6. Filter circuit arrangement according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the voltage limiting. Device (4) has at least two diodes, each with a resistor connected in series with each diode, the voltage-limiting device (4) having DC voltage connections (8)
Stromrichterschaltung (7) verbunden ist.Converter circuit (7) is connected.
7. Filterschaltungsanordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die spannungsbegrenzende Einrichtung (4) mindestens zwei Dioden aufweist, wobei die Dioden über zwei Widerstände mit Gleichspannungsanschlüssen (8) der Stromrichterschaltung (7) verbunden sind.7. Filter circuit arrangement according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the voltage-limiting device (4) has at least two diodes, the diodes being connected via two resistors to DC voltage connections (8) of the converter circuit (7).
8. Filterschaltungsanordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die spannungsbegrenzende Einrichtung (4) einen in Reihe zu jedem Filterkondensator (5) geschalteten Widerstand aufweist. 8. Filter circuit arrangement according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the voltage-limiting device (4) has a resistor connected in series with each filter capacitor (5).
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