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1. Gleichströme mit
hoher Leistung
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Die
Zahl der Anwendungen, die auf der Verfügbarkeit von Gleichspannungen
oder -strömen beruhen, ist bereits seit langem sehr hoch.
Dabei ist die Tendenz zu beobachten, dass besonders Anwendungen
mit höherem Leistungsbedarf zunehmen. Während
für Anwendungen mit geringem Leistungsbedarf die Energieversorgung
durch Batterien oder Akkumulatoren ausreicht, benötigen
die Anwendungen mit höherem Leistungsbedarf meistens einen
Anschluss an ein elektrisches Energieversorgungsnetz. Solche Netze übertragen
die Energie vorrangig in frequenzmodulierter Form. Die energietechnische
Frequenz des Netzes beträgt je nach Anwendungsbereich z.
B. 50/3 Hz, 50 Hz, 60 HZ, 400 Hz oder in zukünftigen Fahrzeugen
sogar mit variablen Werten zwischen 400 Hz und 800 Hz.
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Für
die Versorgung mit mittlerem Leistungsbedarf reicht ein Netzanschluss
aus, der aus einem Phasenleiter mit dem zugehörigen Rückleiter
besteht (Wechselstromanschluss). Bei solchen Anschlüssen an
das öffentliche Versorgungsnetz liegt die Grenze für
die maximal zulässige Leistungsaufnahme in der Größenordnung
von 2 kW. Für Anwendungen mit deutlich höherem
Leistungsbedarf besteht der Anschluss in der Regel aus drei Phasenleitern,
deren Spannungen dieselbe energietechnische Frequenz aber unterschiedliche
Phasenlagen zueinander besitzen (Drehstrom).
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Um
Gleichströme mit hoher Leistung bereitstellen zu können,
muss die Leistung aus dem Drehstromnetz von der frequenzmodulierten
Form in die für die jeweilige Anwendung erforderliche Form
umgewandelt werden. Zwar soll im stationären Betrieb ein
konstanter Gleichstrom geliefert werden, aber abhängig
von der Anwendung kann die Regelung auf den Bedarf nach konstanter
Spannung oder nach konstantem Strom oder nach konstanter Leistung ausgerichtet
sein. Häufig fordern Anwendungen zusätzlich, dass
im stationären Zustand die Welligkeit des Gleichstroms
einen zulässigen Grenzwert nicht überschreitet.
Die Umwandlung des Drehstroms in einen Gleichstrom mit der jeweils
geforderten Qualität führt ein Konverter durch.
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2. Stand der Technik
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Eines
der bekanntesten Konzepte für Drehstrom-Gleichstrom-Konverter
besteht aus Dioden, welche den Drehstrom gleichrichten und anschließend
in einen Zwischenkreis einspeisen, sowie einem Schaltregler, welcher
aus dem Zwischenkreis gespeist wird und am Ausgang einen Gleichstrom
mit der für die Anwendung geforderten Qualität
liefert. So ein Konverter nimmt Ströme aus dem elektrischen Energieversorgungsnetz
vorwiegend im Bereich der Extrema der Netzspannung auf, d. h., die
Stromaufnahme eines solchen Konverters – zwar periodisch mit
der Netzfrequenz – ist nicht-linear und weicht erheblich
von der Sinusform ab. Diese Abweichungen verursachen starke Strom-Oberschwingungen
in dem elektrischen Energieversorgungsnetz.
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Damit
Störungen durch Oberschwingungen im Versorgungsnetz vermieden
werden, existieren heute für die meisten Geräte
gesetzliche Auflagen, die Emissionsgrenzwerte für Oberschwingungen
entsprechend den zuständigen EMV-Normen einzuhalten. Bekannt
sind sowohl passive als auch aktive Maßnahmen, um die vom
Konverter erzeugten Oberschwingungen zu verringern.
- – Längsinduktivität
Eine Längsinduktivität
für jeden Phasenleiter zwischen elektrischen Energieversorgungsnetz
und Konverter soll als mit der Frequenz zunehmende Impedanz wirken,
welche bei Netzfrequenz eine vernachlässigbare Wirkung
besitzen soll, aber die Oberschwingungen aus dem Konverter mit ansteigender
Ordnungszahl immer stärker dämpft.
Bei Drehstrom-Gleichstrom-Konvertern
für höhere Leistungen erreichen solche Induktivitäten
hinsichtlich Massen, Volumen und Kosten kritische Werte. Zusätzlich
besteht das potenzielle Problem, dass eine im Netz vorhandene Querkapazität
mit der Längsinduktivität einen Schwingkreis bildet
und dadurch im Bereich der gemeinsamen Resonanzfrequenz der gewollten
Dämpfung entgegenwirkt.
- – Saugkreis
Eine L-C-Reihenschaltung zwischen
Phasenleiter und dem zugehörigen Rückleiter ist
mit seiner Resonanz auf die Frequenz einer vom Konverter erzeugten
Oberschwingung abgestimmt, soll für diese als Kurzschluss
wirken und damit deren Ausbreitung im elektrischen Energieversorgungsnetz
verhindern. Die Bauelemente des Saugkreises müssen nur
für die Leistung der jeweiligen Oberschwingung dimensioniert
sein.
Unterhalb seiner Resonanzfrequenz wirkt so in Saugkreis
als kapazitive Last für das Versorgungsnetz. Zusätzlich
besteht das potenzielle Problem, dass ändernde Betriebszustände
die Längsinduktivitäten und Querkapazitäten
des elektrischen Energieversorgungsnetzes verändern, dadurch
die Resonanzfrequenz des Saugkreises verstimmen und folglich dessen
Nutzwirkung beeinträchtigen können.
- – Dynamische Kompensation
Ein Gerät,
welches von der Sicht des Versorgungsnetzes aus parallel zum Konverter
geschaltet ist, regelt seine Stromaufnahme so, dass zusammen mit
dem Konverter die Gesamtstromaufnahme sich möglichst genau
der Sinusform annähert, d. h. zusammengeschaltet soll eine
lineare Eingangskennlinie entstehen. Dieses Zusatzgerät muss
den aktuellen Stromaufnahmeverlauf des Konverters erfassen, möglichst
zeitnah die passende Amplitude für den gemeinsamen Sinusverlauf
bestimmen und seine eigene Stromaufnahme und -abgabe zur Anpassung
an diesen Sinusverlauf steuern.
Da die Zeitdauer für
die Bestimmung der gemeinsamen Sinusamplitude mindestens im Bereich der
Netzperiodendauer liegt, kann das Zusatzgerät nur relativ
langsam auf schwankende Effektivwerte bei der Stromaufnahme des
Konverters reagieren, In der Planung für den Einsatz eines
solchen Zusatzgerätes sind neben dem notwendigen Platzbedarf
und den zusätzlichen Verlusten besonders die nicht unerheblichen
Kosten kritisch abzuwägen.
- – Leistungsfaktorkorrektur
Im Konverter wird der
Eingangskreis, in welchem die Dioden den netzfrequenten Drehstrom
gleichrichten, ersetzt durch eine aktive Schaltung, welche für
jede Phase eine für die gewünschte Leistung passende,
sinusförmige Stromaufnahme aus dem Versorgungsnetz steuert
und diesen Strom gleichgerichtet in den Zwischenkreis einspeist. Diese
Funktion wird als Leistungsfaktorkorrektur (”Power Factor
Correction” PFC) bezeichnet und durch einen Eingangsregler
realisiert, welcher nach dem Schaltprinzip arbeitet und dessen Arbeitsfrequenz
wesentlich größer als die Netzfrequenz ist.
Die 1 zeigt
das Kontextdiagramm für einen Drehstrom-Gleichstrom-Konverter,
welcher über die Phasen-Leiter L1, L2 und L3 mit elektrischer Energie
versorgt wird und zwischen den Anschlüssen DCP und DCN
einen Gleichstrom IDC liefert. Die Stärke
dieses Gleichstromes lässt sich über den Steueranschluss
C vorgeben. Je nach Ausführung kann ein solcher Konverter
auch mit dem Neutral-Leiter N des Versorgungsnetzes verbunden sein.
Zusätzlich kann der Steueranschluss auch für weitere
Bedien- und Beobachtungsfunktionen ausgelegt sein.
Die bekannten
PFC-Schaltungen sorgen dafür, dass die Stromaufnahme aus
dem Versorgungsnetz einen Zeitverlauf besitzt, welcher sich möglichst
genau einer netzfrequenten Sinusform annähert, und dass
der aufgenommene Strom in gleichgerichteter Form am Ausgang zur
Verfügung steht. Im Idealfall verlaufen die Eingangsströme
von allen Phasenleitern rein sinusförmig, so dass keine
drehstromfrequenten Harmonischen höherer Ordnung im Versorgungsnetz
entstehen, und der Ausgang der PFC-Schaltung verhält sich
wie eine eingeprägte Stromquelle, so dass der Ausgangsstrom
aus der linearen Überlagerung der Eingangsströme
entsteht. Die 2 zeigt das äußere
Zeitverhalten eines Drehstrom-Gleichstrom-Konverters mit idealisierter PFC-Schaltung.
Alle Ströme sind normiert auf die Sinus-Amplitude I0 in den Phasen-Leitern. Die Ströme
aller Phasen-Leiter besitzen einen rein sinusförmigen Zeitverlauf,
der Gleichstrom am Ausgang IDC pulsiert
mit der dreifachen Netzfrequenz und der Neutralleiter ist stromlos.
Der pulsierende Ausgangsstrom besitzt unter idealisierten Annahmen
ein Maximum-zu-Minimum-Verhältnis von 2/√3.
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Die
gesetzlich relevanten Normen erlauben beim Zeitverlauf der Stromaufnahme
aus dem Versorgungsnetz eine begrenzte Abweichung von der Sinusform.
Diese Begrenzung erfolgt durch Vorgabe von Maximalamplituden für
die einzelnen netzfrequenten Harmonischen der Ordnung größer
gleich zwei. Z. B. enthält die Norm EN 61000-3-2 Vorgaben für
Geräte mit Eingangsströmen einschließlich
bis zu 16 A. Diese Norm legt für Geräte der Klasse
B (z. B. Lichtbogenschweißeinrichtungen, die nicht zum
professionellen Gebrauch vorgesehen sind) die Grenzwerte für
Amplituden dieser Harmonischen In entsprechend der Zick-Zack-Linie
in 3 fest. In dieser Abbildung bezeichnet die Größe
n die Ordnungszahl der jeweiligen Harmonischen. Für Harmonische mit
ungerader Ordnungszahl sind die Grenzwerte höher als die
für Harmonische mit gerader Ordnungszahl.
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Die
vorgestellten Maßnahmen zur Verringerung der Oberschwingungen
speisen den Zwischenkreis mit einem Gleichstrom, dessen Welligkeit
für viele Anwendungen zu groß ist. Die Reduzierung
der Welligkeit erfolgt mit einem Ausgangsregler, der vom Zwischenkreis
gespeist wird und die Ausgangsstromstärke einschließlich
seiner Welligkeit an die jeweilige Anwendung anpasst. Um bei hoher
Ausgangsleistung die Verluste in diesem Regler zu begrenzen, arbeitet
er nach dem Schaltprinzip mit einer Arbeitsfrequenz, welche ebenfalls
deutlich über der Netzfrequenz liegt.
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Bei
den vorhandenen Lösungen für Drehstrom-Gleichstrom-Konverter
werden Eingangsregler für die Verringerung der Oberwellen
am Drehstrom-Anschluss und Ausgangsregler für die Verringerung
der Welligkeit am Gleichstrom-Anschluss eingesetzt. Beide Regler
müssen für die hohe Ausgangsleistung ausgelegt
sein. Jeder Regler erzeugt bei der Umformung der übertragenen
Leistung zusätzliche Verluste und vergrößert
den Bauteileaufwand für den Konverter.
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Außerdem
besitzen Strom- und Spannungsverläufe der Schaltregler – im
Vergleich zu denen im Versorgungsnetz – sehr viel größere Änderungsgeschwindigkeiten.
Dies führt zu einer deutlichen Erhöhung des Potenzials
für hochfrequente EMV-Störemissionen sowohl über
die Anschlussleitungen zum Versorgungsnetz und zum Verbraucher des
Gleichstromes (geleitete Störungen) als auch über
den Aufbau des Konverters in seine Umgebung (gestrahlte Störungen).
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3. Problem
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Der
in den Patentansprüchen angegebenen Erfindung liegt das
Problem zugrunde, beim Drehstrom-Gleichstrom-Konverter unter Vermeidung
der Rückspeisung von unzulässig hohen drehstromfrequenten
Harmonischen höherer Ordnung auch die Verluste, den Bauteileaufwand
und das Potenzial von EMV-Störemissionen zu verringern.
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4. Lösung
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Dieses
Problem wird durch die in den Patentansprüchen aufgeführten
Merkmale gelöst.
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Die
Erfindung beruht darauf, dass die Stromaufnahmen über die
drei Phasenleiter von dem jeweils idealen Sinusverlauf gezielt so
abgeändert werden, dass die Welligkeit des Gleichstroms
verringert wird und gleichzeitig alle Harmonischen der Ordnung größer
eins für alle drei Phasenströme unterhalb der zulässigen
Grenzwerte bleiben. Dies lässt sich dadurch erreichen,
dass die Differenz zwischen dem gepulstem und dem gewünschten – möglichst
konstanten – Verlauf des Ausgangsstromes als Maß für die
erfindungsgemäßen Abänderungen vom Sinusverlauf
der Eingangsströme genommen wird. Diese Differenz muss
nicht unbedingt zu jedem Zeitpunkt durch gleichgroße Abweichungen
von dem idealen Sinusverlauf bei allen Phasenströmen ausgeglichen werden.
Die Wahl der möglichen Abweichungen wird eingeschränkt
nur durch die Begrenzung der zulässigen netzfrequenten
Harmonischen in den Phasenströmen, durch die zulässige
Welligkeit des Gleichstroms am Ausgang, durch die Begrenzung der
zulässigen Änderungsgeschwindigkeit der Ströme
in den Phasen-Leitern und durch die Begrenzung des zulässigen
Stromes im Null-Leiter.
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Das
folgende Beispiel zeigt eine der Möglichkeiten zum Ausgleich
der Differenz durch Abweichungen von dem idealen Sinusverlauf. Bei
diesem Beispiel sollen der Ausgangsstrom keine Harmonischen der
Netzfrequenz enthalten, der Gleichstromwert in der Mitte zwischen
Maximum und Minimum vom Ausgangsstrom bei idealer PFC-Schaltung
liegen, die Zeitverläufe der notwendigen Korrekturen bei
den einzelnen Phasenströmen keine Wechselsprünge
aufweisen und die Ströme in allen Phasen-Leitern dasselbe
Frequenzspektrum besitzen.
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Die 4 zeigt
das idealisierte Verhalten einer entsprechend korrigierten PFC-Schaltung.
Die Korrekturen führen zu einer Abweichung der Eingangsströme
vom reinen Sinusverlauf, dessen Amplitude weiterhin mit I0 bezeichnet wird. Am Beispiel des Phasen-Leiters
L1 zeigt diese Abbildung, wie der korrigierte Strom IL1,K von
dem rein sinusförmigen Strom IL1 abweicht.
Der korrigierte Ausgangsstrom IDC,K bleibt über
die gesamte Periodendauer der Netzfrequenz konstant. Zusätzlich
zeigt diese Abbildung den Zeitverlauf des Korrekturstromes ΔIL1,K im vergrößerten Maßstab über
eine vollständige Netzperiodendauer mit Korrekturwerten
von maximal 6,7% von I0. Das Spektrum der
drehstromfrequenten Harmonischen für einen korrigierten
16-A-Phasenstrom ist in 3 dargestellt. Wegen des symmetrischen
Zeitverlaufs des Stromes treten nur Harmonische mit ungerader Ordnungszahl
auf. Die Amplitudenwerte von allen auftretenden Harmonischen sind
in 3 durch Stern-Zeichen kennzeichnet und sind mindestens
um den Faktor 2 kleiner als die zugehörigen Grenzwerte
der Norm EN 61000-3-2 für die Klasse B.
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Bei
diesem Beispiel besitzen die korrigierten Ströme in allen
Phasenleitern dieselbe Verlaufsform, nur dass die Phasenströme
um je eine Drittel der Netzperiodendauer zeitlich zueinander versetzt
sind. Deshalb ist das Spektrum der Oberschwingungen für alle
Phasenströme gleich.
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Beim
in diesem Beispiel gewählten, einfachen Algorithmus für
die Korrektur bleibt der Neutral-Leiter nicht mehr stromlos. Die 4 zeigt
den Zeitverlauf des Stromes im Neutral-Leiter IN,K im
vergrößerten Maßstab über eine
vollständige Netzperiodendauer mit Korrekturwerten von
maximal 4,5% von I0. Für den dargestellten
Stromverlauf beträgt der Effektivwert 0,027·I0.
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5. erreichte Vorteile
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Die
hier vorgestellte Lösung benötigt keinen Extra-Schaltregler,
der aus einem Zwischenkreis gespeist wird, um einen Gleichstrom
mit sehr geringer Welligkeit am Ausgang zu liefern. Im Vergleich
zu den bekannten Lösungen verringern sich dadurch der Bauteileaufwand,
die Verlustleistung und das EMV-Störquellen-Potenzial.
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6. weitere Ausgestaltung
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Im
Vergleich zum vorgestellten Beispiel bieten die Wahl von anderen
Gleichstromwerten für den Ausgangsstrom bezüglich
der obigen Minimal- und Maximalwert und andere Aufteilungen der
Differenz auf die Phasenströme Möglichkeiten zu
weiteren Verbesserungen des Drehstrom-Gleichstrom-Konverters, wie
sie in den Unteransprüchen erläutert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - EN 61000-3-2 [0006]
- - EN 61000-3-2 [0014]