DE102007007287A1 - Electrical power supply unit for three-phase welding assembly has has three mains power input chokes and output capacitors - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein dreiphasiges, an einem dreiphasigen Spannungsnetz anschließbares Leistungselektronikgerät, wobei das Spannungsnetz eine bekannte Induktivität L2 und Netzfrequenz fn aufweist mit einem Leistungsausgang, an dem ein Verbraucher, z. B. ein Schweißgerät anschließbar ist. Derartige Leistungselektronikgeräte weisen einen netzseitigen Gleichrichter, einen ausgangsseitigen Wechselrichter und einen zwischengeschalteten Zwischenkreiskondensator auf.The invention relates to a three-phase, connectable to a three-phase power network power electronics device, wherein the voltage network has a known inductance L 2 and network frequency f n with a power output to which a consumer, z. B. a welding machine can be connected. Such power electronic devices have a network-side rectifier, an output-side inverter and an intermediate DC link capacitor.
Der Zwischenkreiskondensator ermöglicht die Funktionalität des spannungseingeprägten Wechselrichters, da die Zwischenkreiskondensatoren eine Spannungsquelle für den Wechselrichter, also Gleichstrom-/Wechselstromwandler bilden. Die Spannungsquelle, also der Zwischenkreiskondensator, ist in der Regel als Kondensatorbank ausgeführt, welche von der Netzseite über den Gleichrichter geladen und von der Ausgangsseite entladen wird. Der Wechselrichter benötigt hierbei auch Blindleistung, die periodisch zum Verbraucher, also der Last übergeben und von dieser übernommen wird und zurück zum Zwischenkreis geführt wird. Der Zwischenkreiskondensator wird also ständig geladen und entladen.Of the DC link capacitor allows the functionality the voltage injected inverter, because the DC link capacitors a voltage source for the inverter, ie Forming DC / AC converters. The voltage source, so The DC link capacitor is usually a capacitor bank executed, which from the network side over the rectifier is charged and discharged from the output side. The inverter is needed This also reactive power, the periodic to the consumer, so handed over to the load and taken over by this will and back to DC link led becomes. The DC link capacitor is thus constantly charged and discharged.
Um bei einem Kondensator eine bestimmte Lebensdauer zu erreichen, müssen die Lade- bzw. Entladeströme, also die Kondensatorwechselströme pro Kondensatorgröße begrenzt werden. Die Ausführung als Kondensatorbank stellt hier eine Lösung dar, da mehrere Kondensatoren parallel geschaltet sind und sich hier durch der Zwischenkreiswechselstrom auf mehrere Kondensatorwechselströme verteilt. Eine Folge ist, dass wegen der Lebensdauerbedingung des Zwischenkreiskondensators die Kapazitätswerte relativ groß sind. Im Falle von elektrolytischen Kondensatoren werden z. B. ca. 4 mF pro 10 kVA Ausgangsleistung benötigtAround When a capacitor to reach a certain life, the need to Charge or discharge currents, So the capacitor AC currents per Capacitor size limited become. Execution As a capacitor bank here is a solution, since several capacitors are connected in parallel and here by the DC link alternating current several capacitor AC currents distributed. One consequence is that because of the lifespan condition of the DC link capacitor the capacitance values are relatively large. In the case of electrolytic capacitors z. B. about 4 mF required per 10 kVA output power
Derartige Zwischenkreiskondensatoren müssen zuerst vorgeladen werden, um diese dann am Netz anzuschließen. Wäre der Kondensator nicht vorgeladen, entstehen Ladeströme in der Größenordnung von Kurzschlussströmen, was nicht zulässig ist.such DC link capacitors must first be summoned to then connect to the network. Would be the capacitor not pre-charged, charge currents of the order of magnitude arise of short-circuit currents, which is not allowed.
Im Betrieb, wenn also der Zwischenkreiskondensator am Netz angeschlossen ist, sind die Netzströme pulsförmig mit hohen, nicht erlaubten Klirrfaktoren (total harmonic distortion – THD). Die Netzrückwirkungen des Leistungselektronikgerätes sind damit zu hoch und nicht erlaubt. Dabei ist auch der netzeffektive Stromwert weit höher als wenn die Ströme sinusförmig wären, der Crestfaktor ist also höher.in the Operation, ie if the DC link capacitor is connected to the mains is, are the mains currents pulse shape with high, not allowed harmonic distortion (total harmonic distortion - THD). The network reactions of the power electronic device are too high and not allowed. Here is also the netzeffektive Current value much higher as if the currents sinusoidal would, the crest factor is higher.
Zur Problemlösung existieren mehrere Möglichkeiten. Z. B. ist bekannt, zusätzliche Induktivitäten an der Netzseite einzusetzen oder weitere Kondensatoren im Zwischenkreis zu platzieren. Beide Lösungen verursachen zusätzliche Kosten, Platzbedarf und Volumen im Gerät. Gemäß DIN-Norm müssen die zusätzlich notwendigen Induktivitäten auf der Netzseite so gewählt sein, dass deren Kurzschlussspannung maximal 4% der Netzspannung beträgt, weshalb sehr große Drosseln notwendig sind. Ein sehr großer Kondensator begrenzt zum einen die Gerätelebensdauer und birgt eine Explosionsgefahr für das Gerät. Durch die Explosion und die im Kondensator gespeicherte Energie wird im Störungsfall in der Regel das Leistungselektronikgerät und die Halbleiterbauteile komplett zerstört.to Troubleshooting There are several possibilities. For example, it is known additional Inductors on the network side or other capacitors in the DC link to place. Both solutions cause additional Cost, space requirements and volume in the device. According to DIN standard, the additionally necessary inductances on the net side so chosen be that their short-circuit voltage a maximum of 4% of the mains voltage is, why very big Chokes are necessary. A huge capacitor limits to one the device lifetime and poses an explosion hazard to the device. By the explosion and the energy stored in the capacitor is in case of failure in usually the power electronics device and the semiconductor devices completely destroyed.
In einem heute bekannten Leistungselektronikgerät werden z. B. elektrolyrische Zwischenkreiskondensatoren mit einer Kapazität von 40 mF pro 100 kVA Ausgangsleistung benötigt. Ein einzelner Kondensator besitzt hierbei eine Kapazität von 500 μF bei 450 V Maximalspannung und 1 A Maximalwechselstrom. Der Zwischenkreiswechselstrom beträgt 160 A. Jeweils zwei Kondensatoren sind in Reihe geschaltet zu einer Kapazität von 250 μF. Hiervon sind 160 Reihenschaltungen, also insgesamt 320 Kondensatoren benötigt.In a power electronics device known today z. B. electrolysis DC link capacitors with a capacity of 40 mF per 100 kVA output power needed. A single capacitor has a capacitance of 500 μF at 450 V maximum voltage and 1 A maximum alternating current. The DC link alternating current is 160 A. Two capacitors each are connected in series with one another capacity of 250 μF. Of these, 160 series circuits, so a total of 320 capacitors needed.
Ziel bei der Entwicklung von Leistungselektronikgeräten ist es eine verbesserte Netzrückwirkung zu erzielen, also einen kleineren Klirrfaktor zu erreichen, um nahezu sinusförmige Netzströme aus dem Spannungsnetz zu ziehen. Außerdem wird eine Kostenreduktion und eine Volumen- und Gewichtsersparnis angestrebt. Die oben genannte Vorladung der Kondensatoren vor Einschalten des Geräts erfordert eine Vorladeschaltung, welche möglichst zu vermeiden ist. Im Störungsfall soll möglichst wenig gespeicherte Energie vorhanden sind, um die Explosionsgefahr zu vermindern.aim in the development of power electronics devices it is an improved Network feedback to achieve, so to achieve a smaller harmonic distortion, almost sinusoidal net flows to pull out of the power grid. In addition, a cost reduction and sought a volume and weight savings. The above Precharging the capacitors before switching on the device requires a Vorladeschaltung, which possible is to be avoided. In case of failure should as possible Low energy storage exists to reduce the risk of explosion to diminish.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Leistungselektronikgerät anzugeben.task The present invention is to provide an improved power electronic device.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, weniger Kondensatoren im Zwischenkreis vorzusehen. Kondensatoren mit kleineren Kapazitäten sollen hierbei für höhere Wechselströme geeignet sein. Derartige Kondensatoren sind z. B. Folienkondensatoren bzw. Polypropylenkondensatoren.The Invention is based on the knowledge, fewer capacitors in the DC link provided. Capacitors with smaller capacities should be suitable for higher alternating currents be. Such capacitors are z. B. film capacitors or Polypropylene capacitors.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein dreiphasiges Leistungselektronikgerät, mit einem Leistungsausgang, an dem ein Verbraucher anschließbar ist, und das an ein dreiphasiges Spannungsnetz bekannter Induktivität L2 und Netzfrequenz fn anschließbar ist. Das Leistungselektronikgerät enthält einen Gleichrichter mit drei Netzeingängen und zwei Gleichspannungsausgängen. An jedem der Netzeingänge ist mit ihrem einen Ende eine Drossel angeschlossen, welche mit ihrem jeweiligen anderen Ende am Spannungsnetz anschließbar ist. Die Drosseln sind so gewählt, dass deren eigene Induktivität L1 zusammen mit der Induktivität L2 des Spannungsnetzes eine vorgebbaren, d. h. gewünschte Gesamtinduktivität L ergibt. An den Gleichspannungsausgängen des Gleichrichters ist ein Wechselrichter mit seinen Gleichspannungseingängen angeschlossen. Der Wechselrichter weist eine Soll-Arbeitsfrequenz fas auf, mit welcher er wunschgemäß zu betreiben ist. Zwischen den Gleichspannungsausgängen des Gleichrichters und damit den Gleichspannungseingängen des Wechselrichters ist ein Kondensator angeschlossen, dessen Kapazität C so gewählt ist, dass sie zusammen mit der Gesamtinduktivität L eine Resonanzfrequenz f0 aufweist, d. h. einen entsprechenden Schwingkreis bildet, wobei die Kapazität C hierbei so gewählt ist, dass die Resonanzfrequenz f0 zumindest annähernd gleich der Soll-Arbeitsfrequenz fas ist. Eventuell abweichend von der Soll-Arbeitsfrequenz ist nun allerdings für den Wechselrichter erfindungsgemäß eine tatsächliche Arbeitsfrequenz far gewählt, die ein ganzzahliges Vielfaches der Netzfrequenz fn des Spannungsnetzes darstellt. Es gilt also far = N·fn = fas. Die tatsächliche Arbeitsfrequenz far bzw. das ganzzahliges Vielfache N ist hierbei also so gewählt, dass zumindest annähernd die tatsächliche Arbeitsfrequenz far gleich der Sollarbeitsfrequenz fas ist.The object is achieved by a three-phase power electronic device, with a power output to which a consumer can be connected, and which can be connected to a three-phase voltage network of known inductance L 2 and line frequency f n . The power electronic unit contains a rectifier with three mains inputs and two DC voltage outputs. At each of the power inputs is at its one end a throttle is on closed, which is connectable with their respective other end to the voltage network. The chokes are chosen so that their own inductance L 1 together with the inductance L 2 of the voltage network results in a predefinable, ie desired total inductance L. An inverter with its DC voltage inputs is connected to the DC outputs of the rectifier. The inverter has a nominal operating frequency f as , with which it can be operated as desired. Between the DC voltage outputs of the rectifier and thus the DC voltage inputs of the inverter, a capacitor is connected, the capacitance C is chosen so that it has a resonant frequency f 0 together with the total inductance L, ie forms a corresponding resonant circuit, wherein the capacitance C is selected in this case in that the resonant frequency f 0 is at least approximately equal to the desired operating frequency f as . Possibly deviating from the desired operating frequency, however, an actual operating frequency f ar is selected for the inverter according to the invention, which represents an integer multiple of the network frequency f n of the voltage network. So f ar = N · f n = f as . The actual operating frequency f ar or the integer multiple N is thus chosen so that at least approximately the actual operating frequency f ar is equal to the desired working frequency f as .
Erfindungsgemäß werden also im Leistungselektronikgerät wesentlich kleinere Zwischenkreiskondensatoren als bisher verwendet, welche jedoch bezüglich ihrer Kapazität genau bestimmt sind bzw. genau in die restlichen Größen des Leistungselektronikgerätes, insbesondere die tatsächliche Arbeitsfrequenz far eingepasst sind. Die tatsächliche Arbeitsfrequenz, also die Wahl des ganzzahligen Vielfachen N berücksichtigt hierbei nicht nur z. B. die theoretischen Dimensionierungswerte (fas beim Entwurf eines entsprechenden Leistungselektronikgerätes, sondern die tatsächlich später bei der Produktion verwendeten Werte der Kapazitäten C bzw. sich daraus ergebenden Resonanzfrequenzen f0.According to the invention, therefore, much smaller DC link capacitors than previously used in the power electronic device, which are, however, precisely determined in terms of their capacity or exactly in the remaining sizes of the power electronics device, in particular the actual operating frequency f ar fit. The actual working frequency, ie the choice of the integer multiple N takes into account not only z. For example, the theoretical dimensioning values (f as in the design of a corresponding power electronic device, but rather the values of the capacitances C actually used later in the production or resulting resonant frequencies f 0 .
Je höher die Sollarbeitsfrequenz fas und damit die tatsächliche Arbeitsfrequenz far im Leistungselektronikgerät ist, desto einfacher ist es, einen kleineren Kondensator vorzusehen.The higher the desired working frequency f as and thus the actual operating frequency f ar in the power electronic device, the easier it is to provide a smaller capacitor.
Bei Arbeitsfrequenzen im Bereich 1 kHz bis 10 kHz und einer Netzfrequenz von üblicherweise 50 Hz bestehen hierbei mehrere Wahlmöglichkeiten für das Vielfache N, um die ungefähre Gleichheit von Arbeitsfrequenz far und Sollarbeitsfrequenz fas zu erreichen. N ist also hierbei in bestimmten Bereichen wählbar z. B. ±3 bis 5 um immer noch die Bedingungen zu erfüllen, dass far und fas zumindest annähernd gleich sind.At operating frequencies in the range 1 kHz to 10 kHz and a network frequency of usually 50 Hz, there are several choices for the multiple N in order to achieve the approximate equality of working frequency f ar and target working frequency f as . N is therefore selectable here in certain areas z. B. ± 3 to 5 to still meet the conditions that f ar and f as are at least approximately equal.
Das Vielfache N kann allerdings auch so gewählt sein, dass der Abstand zwischen tatsächlicher Arbeitsfrequenz far und Soll-Arbeitsfrequenz fas minimal ist. Das Vielfache N ist dann eindeutig festgelegt.However, the multiple N can also be chosen such that the distance between the actual operating frequency f ar and the desired operating frequency f as is minimal. The multiple N is then clearly defined.
Auch im Betrieb des Leistungsgerätes können sich Kapazitäten oder sonstige Größe ändern. Die tatsächliche Arbeitsfre quenz far, d. h. das Vielfache N, kann dann auch während des Betriebs des Leistungselektronikgerätes in Schritten der Netzfrequenz fn veränderbar sein. Der Wert des Vielfachen N wird also in ganzzahligen Schritten während des Betriebs verändert, um jeweils eine optimale Anpassung der tatsächlichen Arbeitsfrequenz far an die Soll-Arbeitsfrequenz fas und damit die Resonanzfrequenz f0 zu erreichen. So ist neben der Produktionsstreuung von Bauteilen bei der Herstellung des Leistungselektronikgerätes auch der Veränderung von Bauteilen, z. B. auch bei deren Austausch oder durch Alterung, Rechnung getragen.Even during operation of the power device, capacities or other size may change. The actual operating frequency f ar , ie the multiple N, can then also be variable during operation of the power electronic device in steps of the network frequency f n . The value of the multiple N is thus changed in integer steps during operation in order to achieve an optimum adaptation of the actual operating frequency f ar to the desired operating frequency f as and thus the resonance frequency f 0 . Thus, in addition to the production spread of components in the manufacture of the power electronic device and the change of components, eg. B. also in their replacement or aging, bill taken.
Die Drossel kann so gewählt sein, dass die im Betrieb an der Drossel abfallende Spannung höchstens ein Prozent der Phasenspannung des Spannungsnetzes beträgt. Die im Leistungselektronikgerät umgesetzte Scheinleistung entspricht dann nur einem Prozent der Ausgangsleistung des Gerätes und liegt damit deutlich unterhalb der z. B. in Deutschland (DIN) geforderten vier Prozent.The Throttle can be selected be that the voltage dropping during operation at the throttle at most one percent of the phase voltage of the voltage network is. The in the power electronic device Converted apparent power then corresponds to only one percent of Output power of the device and is thus well below the z. In Germany (DIN) demanded four percent.
Der Zwischenkreiskondensator weist im Betrieb eine maximale Nennbetriebsspannung UB und der Gleichrichter einen maximalen Nennbetriebsstrom IB auf. Der Kondensator kann dann so gewählt sein, dass dessen zulässige Höchstspannung Umax zur Speicherung der beim Nennbetriebsstrom IB in der Drossel gespeicherten Energie ausreicht. Der Zwischenkreiskondensator kann dann die in den Netzinduktivitäten gespeicherte Energie übernehmen ohne dass unzulässig hohe Spannungen im Leistungselektronikgerät auftreten. Dieser Fall ist z. B. für das Stoppen bzw. Ausschalten des Gerätes notwendig. In eine derartige Berechnung kann auch die Energie der Lastinduktivitäten oder sonstiger Energiespeicher im Leistungselektronikgerät und Verbraucher mit eingerechnet werden. Die Höchstspannung Umax muss dann so aus gelegt sein, dass die in den Drosseln, der Lastinduktivität und sonstiger Energiespeicher gespeicherte Energie im Kondensator aufgenommen werden kann.In operation, the intermediate circuit capacitor has a maximum nominal operating voltage U B and the rectifier has a maximum nominal operating current I B. The capacitor can then be selected such that its permissible maximum voltage U max is sufficient to store the energy stored in the reactor at nominal operating current I B. The intermediate circuit capacitor can then take over the energy stored in the network inductances without unduly high voltages occurring in the power electronic device. This case is z. B. necessary for stopping or switching off the device. In such a calculation, the energy of the load inductances or other energy storage in the power electronics unit and consumers can be included. The maximum voltage U max must then be designed so that the energy stored in the chokes, the load inductance and other energy storage can be absorbed in the capacitor.
Der Verbraucher kann insbesondere ein Schweißgerät sein. Besonders bei Schweißgeräten treten sehr hohe Lastströme und damit insbesondere die eingangs genannten Probleme auf, so dass das erfindungsgemäße Leistungselektronikgerät hier besondere Vorteile bietet.Of the In particular, a consumer may be a welding device. Especially with welding machines very high load currents and thus in particular the problems mentioned above, so that the power electronic device according to the invention here special Offers advantages.
Für eine weitere Erläuterung der Erfindung wird auf die Ausführungsbeispiele der Zeichnungen verwiesen. Es zeigen, jeweils in einer schematischen Prinzipskizze:For a further explanation of the invention is based on the embodiments of the drawings directed. They show, in each case in a schematic outline sketch:
Das
Leistungselektronikgerät
Der
Wechselrichter
Die
Wechselspannungseingänge
Das
oberste Diagramm in
Ausgegangen
wurde hier von der gewählten bzw.
vorgegebenen Gesamtinduktivität
L von 100 μH.
Da die Arbeitsfrequenzen far des Wechselrichters ca.
1 kHz betragen soll, also die Sollarbeitsfrequenz fas gleich
1 kHz ist, wurde die Kapazität
C des Zwischenkreiskondensators
Für den Fall,
dass die Kapazität
des realen Kondensators
Zum
Zeitpunkt t0 wird das Leistungselektronikgerät
- 22
- Schweißsystemwelding system
- 44
- Spannungsnetzvoltage network
- 6a–c6a-c
- Netzanschlussmains connection
- 88th
- LeistungselektronikgerätPower electronics unit
- 1010
- Schweißgerätwelding machine
- 12a, b12a, b
- Ausgangsklemmenoutput terminals
- 1414
- Schweißkopfwelding head
- 1616
- Gleichrichterrectifier
- 18a–c18a-c
- WechselspannungseingangAC input
- 20a, b20a, b
- GleichspannungsausgangDC output
- 2222
- ZwischenkreiskondensatorLink capacitor
- 2424
- Wechselrichterinverter
- 26a, b26a, b
- GleichspannungseingangDC input
- 2828
- IGBTIGBT
- 3030
- Drosselthrottle
- CC
- Kapazitätcapacity
- L1.2, LL 1.2 , L
- Induktivitätinductance
- fn f n
- Netzfrequenzpower frequency
- far, fas f ar , f as
- ArbeitsfrequenzOperating frequency
- tt
- ZeitTime
- IR,S,T I R, S, T
- Drosselstrominductor current
- THDTHD
- KlirrfaktorTHD
- UC U C
- Kondensatorspannungcapacitor voltage
- IA I A
- Ausgangsstromoutput current
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- Stromelectricity
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