DE102008031296A1 - Inductor device for e.g. output-sinusoidal filter of frequency converter, has three coils arranged on core from magnetic material, and another core arranged above three coils and forming single inductor acting as longitudinal inductance - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Drosselspuleneinrichtung für einen Filterschaltkreis, insbesondere für ein Ausgangs-Sinusfilter eines in einem Frequenzumrichter umfassten Wechselrichters, wobei die Drosselspuleneinrichtung so ausgebildet ist, dass sie funktionsmäßig einer Reihenschaltung einer stromkompensierten Drossel mit je einer in jeder spannungsführenden Phasenleitung angeordneten, als Längsinduktivität wirkenden Drossel entspricht. Die Erfindung betrifft ferner eine Verwendung einer solchen Drosselspuleneinrichtung in einem Filterschaltkreis und schließlich noch einen Filterschaltkreis mit einer solchen Drosselspuleneinrichtung.The The present invention relates to a choke coil device for a filter circuit, in particular for an output sine filter an inverter included in a frequency converter, wherein the reactor means is adapted to functionally a series connection of a current-compensated throttle with one each arranged in each live phase line, corresponds to acting as a longitudinal inductance choke. The invention further relates to a use of such a choke coil device in a filter circuit and finally a filter circuit with such a choke coil device.
Insbesondere in der Antriebstechnik werden Frequenzumrichter zur spannungs- und frequenzgesteuerten Stromversorgung von Drehfeldmaschinen eingesetzt. Solche Frequenzumrichter weisen in der Regel einen Gleichspannungs-Zwischenkreis zur Umsetzung der Netzspannung in eine Gleichspannung auf. An den Gleichspannungs-Ausgang ist ein gesteuerter Wechselrichter angekoppelt, der wiederum die Gleichspannung in eine Wechselspannung mit einer einstellbaren Frequenz überführt. Der Wechselrichter ist dabei mit Leistungshalbleiterschaltern ausgestattet, wobei insbesondere schnell schaltende Leistungs-FETs oder IGBTs zum Einsatz kommen. Mit diesen als Schaltelemente verwendeten Transistoren wird eine Sinus-Wechselspannung aus kurzen Pulsen hoher Frequenz nachgebildet, indem die Ausgangs-Wechselspannung aus kleinen, unterschiedlich breiten Impulsen zusammengesetzt wird, so dass auf diese Weise der netzübliche Spannungsverlauf angenähert wird. Derartige Leistungshalbleiterschalter weisen den Vorteil auf, dass Schaltverluste klein gehalten sind, jedoch belasten die steilen Flanken der Spannungsimpulse vor allem die Isolationsmaterialien der angeschlossenen Maschinen. Des Weiteren führen diese kurzen Spannungsanstiegszeiten zu unerwünschter elektromagnetischer Beeinflussung benachbarter Signalleitungen und Einrichtungen.Especially In drive technology, frequency converters are used for voltage and voltage frequency-controlled power supply of induction machines used. Such frequency inverters generally have a DC link for converting the mains voltage into a DC voltage. To the DC output is a controlled inverter coupled, in turn, the DC voltage in an AC voltage with a adjustable frequency transferred. The inverter is equipped with power semiconductor switches, in particular Fast-switching power FETs or IGBTs are used. With these transistors used as switching elements is a Sine AC voltage replicated from short pulses of high frequency, by making the output AC voltage small, different broad impulses is composed, so that in this way the normal voltage curve is approximated. Such power semiconductor switches have the advantage that Switching losses are kept small, but burden the steep edges the voltage pulses, especially the insulation materials of the connected Machinery. Furthermore, these short voltage rise times lead to unwanted electromagnetic interference neighboring Signal lines and equipment.
Zur Vermeidung solcher Störungen und Belastungen ist es bekannt, so genannte Ausgangs-Sinusfilter einzusetzen, die die Aufgabe haben, hochfrequente Anteile der gepulsten Ausgangsspannung des Wechselrichters herauszufiltern, so dass möglichst nur noch die Grundschwingungsspannung an der angeschlossenen Maschine übrig bleibt. Solche Sinusfilter bestehen üblicherweise aus einer Drossel und einem Kondensator, wobei die Eckfrequenz der Sinusfilter zwischen der maximalen Grundschwingungsfrequenz und der Schaltfrequenz des Wechselrichters liegt.to Avoiding such disturbances and strains it is known to use so-called output sine filters, which have the task High-frequency components of the pulsed output voltage of the inverter filter out, so that only possible the fundamental voltage remains on the connected machine. Such sine filters usually consist of a choke and a capacitor, where the cutoff frequency of the sine filters is between the maximum fundamental frequency and the switching frequency of the inverter is.
Diese Sinusfilter können nun in einem Drei-Phasen-Netz je nach Anwendungsfall so realisiert werden, dass sie entweder nur die Leiter-Leiter-Spannung (differential mode) oder aber auch die Leiter-Erde- bzw. Leiter-Zwischenkreis-Spannung (common mode) filtern. Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind Filter, die sowohl die differential mode- als auch die common mode-Spannung filtern.These Sinusoidal filters can now work in a three-phase network depending on Application can be realized so that they either only the conductor-to-conductor voltage (differential mode) or else the phase-to-phase or phase-to-phase voltage (common mode). The present invention relates to filters, the differential mode as well as the common mode voltage filter.
Ein
solcher Filtertyp ist insbesondere aus der
Grundsätzlich
könnte in vorgenannter Ausführungsform auf die
common mode Drossel verzichtet werden. In diesem Fall müsste
die verbleibende Drossel derart ausgestaltet werden, dass sie sowohl im
differential mode als auch im common mode wirkt. Bekannt ist dies
insbesondere durch eine Drosselausführung als drei getrennte
Einzelphasendrosseln. Eine solche Drosselausführung ist
beispielsweise in der
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Drosselspuleneinrichtung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Verwendung derselben in einem Filterschaltkreis sowie einen entsprechenden Filterschaltkreis anzugeben, welche Drosselspuleneinrichtung kompakt und kostengünstig und dennoch in Filtersystemen, die sowohl die differential mode- als auch die common mode-Spannung filtern, wirksam einsetzbar ist.The present invention is therefore an object of the invention to provide a choke device according to the preamble of claim 1 and a use thereof in a filter circuit and a corresponding filter circuit, which choke device compact and inexpensive and yet in filter systems that both the differential mode and the common Filter mode voltage, can be used effectively is.
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß bei einer solchen Drosselspuleneinrichtung dadurch, dass ein erster Kern aus magnetischem Material und mindestens drei auf diesem Kern angeordnete Wicklungen umfasst sind und dass über den mindestens drei Wicklungen jeweils ein zweiter Kern angeordnet ist, der eine als Längsinduktivität wirkende Einzeldrossel bildet. Für die Verwendung dieser Drosselspuleneinrich tung ist die Aufgabe nach der Erfindung durch die Merkmale des Anspruchs 17 und für den Filterschaltkreis durch die Merkmale des Anspruchs 18 gelöst.The Solution to this problem is inventively at Such a reactor means in that a first Core of magnetic material and at least three arranged on this core Windings are included and that over the at least three Windings each have a second core is arranged, as a Longitudinal inductance acting single choke forms. For the use of this Drosselspuleneinrich device is the object of the invention by the features of the claim 17 and for the filter circuit by the features of the claim 18 solved.
Durch den erfindungsgemäßen Filterschaltkreis wird insbesondere ein Ausgangs-Sinusfilter eines in einem Frequenzumrichter umfassten Wechselrichters bereitgestellt, durch den die Anstiegs- und Abfallflanken der vom Umrichter erzeugten Spannungsimpulse reduziert werden, so dass eine Reduzierung der Belastung der Isolation in den angeschlossenen Maschinen sichergestellt ist. Gleichzeitig werden auch Störungen ausgeschaltet oder zumindest reduziert, die durch unsymmetrische Spannungen gegenüber dem Erdpotential hervorgerufen werden. Um den gewünschten kompakten und kostengünstigen Aufbau zu erreichen, kommt die erfindungsgemäße Drosselspuleneinrichtung zum Einsatz. Diese ist als gemeinsames Bauteil realisiert, welches funktionsmäßig einer Reihenschaltung einer stromkompensierten Drossel und je einer in jeder spannungsführen Phasenleitung angeordneten, als Längsinduktivität wirkenden Drossel entspricht. Diese Drosselspuleneinrichtung weist einen ersten Kern aus magnetischem Material auf, auf dem mindestens drei Wicklungen angeordnet sind. Ein zweiter Kern ist jeweils über den Wicklungen angeordnet, wobei dieser zweite Kern mit der zugehörigen Wicklung je eine als Längsinduktivität wirkende Einzeldrossel bildet. Eine solche Anordnung ermöglicht es, nur mit je einer Wicklung pro Phasenleitung eine Dämpfung sowohl bei unsymmetrischer (common mode) als auch bei symmetrischer (differential mode) Beaufschlagung einzustellen, wobei die Induktivitäten der beiden Filtersysteme durch eine vorteilhafte Anordnung der Wicklungen und magnetischen Wege erreicht ist.By the filter circuit according to the invention is in particular an output sine filter of one included in a frequency converter Inverter provided by the rising and falling edges the voltage pulses generated by the inverter are reduced, so that a reduction of the burden of isolation in the connected Machines is ensured. At the same time are also disturbances switched off or at least reduced by unbalanced Voltages are caused against the earth potential. To the desired compact and cost-effective To achieve construction, the invention comes Choke coil device used. This is as common Realized component, which functionally one Series connection of a current-compensated choke and one each in each live phase conductor arranged as a longitudinal inductance acting throttle corresponds. This inductor device has a first core of magnetic material on which at least three Windings are arranged. A second core is each about arranged the windings, said second core with the associated Winding each acting as a longitudinal inductance Throttle forms. Such an arrangement allows it, with only one winding per phase line attenuation in both unbalanced (common mode) and symmetric (Differential mode) to adjust admission, with the inductors the two filter systems by an advantageous arrangement of the windings and magnetic paths is reached.
Das Kernmaterial des ersten Kerns weist vorteilhafterweise eine hohe Permeabilität auf. Dadurch ist eine hohe Induktivität der durch diesen Kern hergestellten stromkompensierten Drossel einstellbar, so dass die Baugröße auch entsprechend klein gehalten werden kann. Für eine besonders kleine Ausführungsform ist es günstig, wenn der erste Kern einen geschlos senen magnetischen Kreis mit keinem oder nur einem geringen Luftspalt aufweist. Auf diese Weise ist die magnetische Streuung insbesondere im Vergleich zu einem Stab reduziert.The Core material of the first core advantageously has a high Permeability up. This is a high inductance the current-compensated choke made by this core adjustable, so that the size also kept correspondingly small can be. For a particularly small embodiment it is favorable if the first core is closed magnetic circuit with no or only a small air gap having. In this way, the magnetic scattering is particular reduced compared to a rod.
Die Drosselspuleneinrichtung ist für ihren Einsatzzweck besonders geeignet, wenn die zweiten Kerne jedenfalls jeweils einen Luftspalt aufweisen, der ggf. größer ist als ein eventuell vorhandener Luftspalt im ersten Kern. Alternativ oder zusätzlich kann der zweite Kern auch ein Material mit einer geringeren Permeabilität als der erste Kern umfassen. Dadurch ist gewährleistet, dass der common mode Fluss nahezu ausschließlich im ersten Kern infolge des dort eingesetzten höherpermeablen Materials und des geringeren oder nicht vorhandenen Luftspalts fließt. Der erste Kern bestimmt somit die common mode Induktivität.The Choke coil device is special for their purpose in any case, if the second cores each have an air gap possibly larger than any existing air gap in the first core. Alternatively or additionally the second core also has a lower permeability material as the first core. This ensures that that the common mode flow almost exclusively in the first Kern due to the higher permeable material used there and the smaller or nonexistent air gap flows. The first core thus determines the common mode inductance.
Eine besondere Ausgestaltungsform sieht vor, dass der zweite Kern einen hufeisen- oder U-förmigen Schenkel aufweist, der mit seiner offenen Seite die Wicklung umgreift und an den Teilabschnitt des ersten Kerns, der die Wicklung trägt, angekoppelt ist, wobei die Ankopplung insbesondere über einen Luftspalt an einer oder an beiden Ankoppelstellen erfolgt. In diesem zweiten Kern erzeugt jede zugeordnete Wicklung ihren eigenen Fluss unabhängig von den anderen Wicklungen, so dass das Kernmaterial des zweiten Kerns und die ggf. vorhandenen Luftspalte den Fluss für das differential mode System bestimmen und somit die Höhe der Induktivität für dieses System definieren. Die Flüsse für das differential mode System schließen sich im ersten Kern. Ist bei der Auslegung einer bestimmten Drosselspuleneinrichtung erforderlich, dass im ersten Kern ein Luftspalt vorzusehen ist, so ist es günstig, diesen in einem Teilabschnitt dieses Kerns anzuordnen, in welchem kein zweiter Kern angekoppelt ist.A special embodiment provides that the second core a Horseshoe or U-shaped legs, with his open side, the winding surrounds and to the section of the first Kerns, which carries the winding, is coupled, whereby the Coupling in particular via an air gap on one or takes place at both coupling points. Generated in this second core each associated winding is independent of its own flow from the other windings, leaving the core material of the second Kerns and the possibly existing air gaps the river for determine the differential mode system and thus the height Define the inductance for this system. Close the flows for the differential mode system in the first core. Is in the design of a specific inductor device required that an air gap be provided in the first core, so it is convenient to this in a subsection of this Kerns to arrange in which no second core is coupled.
Um einen besonders kompakten Aufbau der Drosselspuleneinrichtung zu erreichen, können der erste Kern und die zweiten Kerne in einem Winkel zueinander angeordnet sein, so dass eine dreidimensionale Anordnung gegeben ist. Auf diese Weise ist der Flächenbedarf bei einer Anordnung der Drosselspuleneinrichtung auf einer Leiterplatte gering gehalten. Insbesondere bildet sich bei einer Anordnung des ersten Kerns und der zweiten Kerne im rechten Winkel zueinander wenigstens näherungsweise eine Würfelform aus.Around a particularly compact design of the inductor device can reach the first core and the second cores be arranged at an angle to each other, so that a three-dimensional Arrangement is given. In this way is the space requirement in an arrangement of the inductor device on a circuit board kept low. In particular, forms in an arrangement of the first core and the second cores at right angles to each other at least approximately a cube shape.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist der erste Kern in einer langgestreckten, insbesondere rechteckförmigen Form ausgestaltet, so dass sich wenigstens ein geradliniger Teilabschnitt auf diesem ausbildet, auf dem die drei Wicklungen nebeneinander angeordnet sind. Diese Ausgestaltung ist dann vorteilhaft, wenn am Einbauort nur eine langgestreckte Drossel Platz findet. Auch diese langgestreckte Drosselanordnung kann wiederum in dreidimensionaler Weise, wie voranstehend erläutert, dargestellt sein. Zudem bietet sich noch eine Optimierung hinsichtlich Raumbedarf und Materialeinsatz in der Weise an, dass die zweiten Kerne über den wenigstens drei nebeneinanderliegenden Wicklungen zu einem einzigen Bauteil zusammenfassbar sind, welches eine E-förmige Figur mit mindestens vier Zinken bildet.In a further embodiment, the first core is configured in an elongated, in particular rectangular shape, so that at least one rectilinear section is formed thereon, on which the three windings are arranged next to one another. This embodiment is advantageous if only an elongated throttle fits into the installation site. This elongated throttle arrangement can again be represented in a three-dimensional manner, as explained above. In addition, there is still an optimization in terms of space requirements and material use in such a way that the second cores on the we at least three adjacent windings are summarized into a single component, which forms an E-shaped figure with at least four prongs.
Hinsichtlich der Optimierung der Baugröße ist noch eine weitere Ausführungsform denkbar. Diese besteht darin, dass der erste Kern und der zweite Kern in einer Ebene liegen, jedoch der zweite Kern innerhalb der vom ersten Kern umrandeten Fläche angeordnet ist. Dies kann wiederum bei hufeisen- oder U-förmigen zweiten Kernen der Fall sein, die sich allesamt im Inneren des ersten Kernes treffen und auch berühren können. Eine ganz besonders raumoptimierte Lösung bietet jedoch ein Aufbau mit einem ersten Kern, der als Ringkern ausgeformt ist, und mit einem zweiten Kern, der sternförmig ist und mindestens drei Arme umfasst. Jedes Armende grenzt jeweils eine Wicklung von einer benachbarten ab. Da auf diese Weise jeweils zwei nebeneinanderliegende Wicklungen einen Arm des zweiten Kerns gemeinsam haben, wird vom zweiten Kernmaterial sehr wenig Masse benötigt.Regarding the optimization of the size is yet another Embodiment conceivable. This is that the first core and the second core lie in one plane, however the second core disposed within the area bordered by the first core is. This in turn can horseshoe or U-shaped second Cores are the case, all of them inside the first core meet and also touch. A very space-optimized Solution, however, provides a structure with a first core, which is formed as a toroidal core, and with a second core, the is star-shaped and comprises at least three arms. each Armende delimits one winding from one adjacent one. Since in this way two adjacent windings having an arm of the second core in common, becomes very much of the second core material little mass needed.
Schließlich soll noch eine vierte Ausführungsform erwähnt werden. Bei dieser besteht das zweite Kernmaterial aus einer magnetisch leitfähigen Vergussmasse. In diesem Fall kann aus dem ersten Kern und den darauf angeordneten Wicklungen zunächst eine common mode Drossel hergestellt und diese anschließend in dem magnetisch leitfähigen Material eingegossen werden. Eine solche Darstellung der erfindungsgemäßen Drosselspuleneinrichtung ist besonders deshalb geeignet, weil vom Kernmaterial des zweiten Kerns keine besonders hohe Permeabilität verlangt wird.After all will be mentioned a fourth embodiment become. In this case, the second core material consists of a magnetic conductive potting compound. In this case, from the first core and the windings arranged thereon, first a common Mode throttle produced and this subsequently in the magnetically conductive material are poured. A Such representation of the inductor device according to the invention is particularly suitable because of the core material of the second Kerns no particularly high permeability is required.
Das Kernmaterial des zweiten Kerns kann auch als magnetisch leitfähiges Sintermaterial, z. B. Eisenpulver, hergestellt sein, wobei die Drosselspuleneinrichtung insbesondere dadurch erzeugt wird, dass der erste Kern mit den mindestens drei Wicklungen in eine Sinterform gelegt und mit Sintermaterial umgeben und anschließend ein Sinterprozess durchgeführt wird.The Core material of the second core may also be referred to as magnetically conductive Sintered material, for. As iron powder, be prepared, wherein the inductor device is generated in particular by the fact that the first core with the at least placed three windings in a sintered mold and surrounded with sintered material and then performed a sintering process becomes.
Die Erfindung ist im Folgenden anhand der Zeichnungen mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigen:The The invention is described below with reference to the drawings of several embodiments explained in more detail. Showing:
Als
Leistungsschalter
Um
diesen Ausfällen entgegenzuwirken, ist am Ausgang des Wechselrichters
Als
Drosselspuleneinrichtung
Die
Wicklungen
Für
common mode Ströme heben sich die Flüsse der drei
Wicklungen
Im
Beispiel nach
Der
in
Eine
weitere vorteilhafte, besonders kompakte Ausführungsform
ist in
Weiterhin
wird unter Bezugnahme auf
Schließlich
zeigt
Durch
alle vorgenannten Lösungsvarianten kann sehr platz- und
materialsparend eine Drosselspuleneinrichtung
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- - EP 0682395 B1 [0006] - EP 0682395 B1 [0006]
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