DE102011102134A1

DE102011102134A1 - Filterschaltung

Info

Publication number: DE102011102134A1
Application number: DE102011102134A
Authority: DE
Inventors: Dennis Kampen
Original assignee: Block Transformatoren Elektronik GmbH
Current assignee: Block Transformatoren Elektronik GmbH
Priority date: 2011-05-18
Filing date: 2011-05-18
Publication date: 2012-11-22
Also published as: DE202011101851U1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Filterschaltung zur Kopplung zwischen einer Wechselspannungsquelle und einer Netzpulsstromrichterschaltung. Um eine hohe Dämpfung und eine gewünschte Übertragungsfunktion von Pulsfrequenzkomponenten der Netzpulsstromrichterschaltung zu erzielen, wird erfindungsgemäß eine Filterschaltung vorgeschlagen, mit zwei Eingangsanschlüssen zum Anschließen an die Wechselspannungsquelle, zwei Ausgangsanschlüssen zum Anschließen an die Netzpulsstromrichterschaltung, einer ersten an einem Eingangsanschluss angeschlossenen Induktivität, einer in Reihe zu der ersten Induktivität und an einen Ausgangsanschluss angeschlossenen zweiten Induktivität, einer an den Knoten zwischen der ersten und der zweiten Induktivität angeschlossenen dritten Induktivität, einer in Reihe zu der dritten Induktivität angeschlossenen Kapazität, wobei die erste und die dritte Induktivität auf dem gleichen Schenkel eines gemeinsamen ersten Eisenkerns mit unterschiedlichern Wickelsinn angeordnet sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Filterschaltung zur Kopplung zwischen einer Wechselspannungsquelle, z. B. einem öffentlichen Spannungsnetz, und einer Netzpulsstromrichterschaltung. Die Erfindung betrifft ferner einen Netzgerät zur Versorgung einer Last, insbesondere ein Netzgerät mit einem Netzpulsstromrichter zur Versorgung eines Inselnetzes.
Netzpulsstromrichter (manchmal auch als Netzpulser bezeichnet) sind netzseitig taktende Wechselrichter, die im Vierquadratenbetrieb arbeiten können. Damit lässt sich Energie entweder aus dem Netz in einen Zwischenkreis oder aus dem Zwischenkreis in das Netz übertragen. Am häufigsten werden dreiphasige Zweipunkt-Wechselrichtertopologien verwendet. Dabei schalten IGBTs im Wechsel die Zwischenkreisspannung in blockförmigen Impulsen auf das Netz. Je nach bestehender Kondensatorladung wird ein Zwischenkreiskondensator entweder geladen oder entladen. Weitere eingesetzte Topologien sind Mehrpunktwechselrichter und einphasige Schaltungen, wie sie hauptsächlich in der Fotovoltaikbranche eingesetzt werden. Netzpulsstromrichter sind beispielsweise allgemein beschrieben in Borcherding, Holger: Eigenschaften von Netzpulsstromrichtern mit eingeprägter Gleichspannung, Papierflieger, 2000, ISBN 3-89720-376-6.
Netzpulsstromrichter müssen immer durch ein elektrisches Filter vom Netz entkoppelt werden. In den meisten Fällen wird hierfür eine einfache Netzdrossel verwendet. Für die hohen Anforderungen an die Netzspannungsqualität, insbesondere bei großen Anlagen wie etwa Windenergieanlagen, ist eine einfache Induktivität jedoch nicht mehr ausreichend. Aus diesem Grund werden in der Regel LC-Filter (siehe beispielsweise DE 103 10 577 A1 und EP 1 598 924 A2 ) oder LCL-Filter (siehe beispielsweise DE 10 2005 005 688 A ) eingesetzt.
Es existieren auch Filterschaltungen für konventionelle Diodengleichrichter und Thyristorengleichrichter. Diodengleichrichter sind nicht rückspeisefähig. Thyristorengleichrichter sind rückspeisefähig, jedoch nur in 50 Hz Grundfrequenztaktung. Die Oberschwingungen, die in diesem Gebiet zu filtern sind, bewegen sich im Bereich zwischen 250 Hz und 550 Hz. In diesem Frequenzbereich wird bisher mit so genannten Saugkreisen gearbeitet. Dabei bildet eine zusätzliche Querzweiginduktivität mit einem Kondensator einen Reihenschwingkreis, der auf die fünfte, siebte, elfte und dreizehnte Oberschwingung ausgelegt ist.
Um Kosten und Bauvolumen zu sparen, wurden unterschiedliche Ausgestaltungen, insbesondere zur Einsparung mindestens eines Eisenkerns, gewählt. In DE 42 19 214 A1 wird für einen Thyristorengleichrichter eine Losung dargestellt, in der die beiden Längsdrosseln magnetisch auf einem Kern gekoppelt sind. In US 7 449 799 B2 und US 6 549 434 B2 werden unterschiedlichste Kombinationen von gekoppelten Wicklungen gezeigt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Filterschaltung zur Kopplung zwischen einer Wechselspannungsquelle und einer Netzpulsstromrichterschaltung zu schaffen, mit der sich eine Reduzierung der Pulsfrequenzanteile im Netzstrom und in der Spannung erreichen lässt. Insbesondere soll eine wesentlich höhere Dämpfung der Pulsfrequenzkomponenten und damit eine optimale Filterung von Störungen erreicht werden.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß eine Filterschaltung vorgeschlagen mit:

– zwei Eingangsanschlüssen zum Anschließen an die Wechselspannungsquelle,
– zwei Ausgangsanschlüssen zum Anschließen an die Netzpulsstromrichterschaltung,
– einer ersten an einem Eingangsanschluss angeschlossenen Induktivität,
– einer in Reihe zu der ersten Induktivität und an einen Ausgangsanschluss angeschlossenen zweiten Induktivität,
– einer an den Knoten zwischen der ersten und der zweiten Induktivität angeschlossenen dritten Induktivität,
– einer in Reihe zu der dritten Induktivität angeschlossenen Kapazität, wobei die erste und die dritte Induktivität auf dem gleichen Schenkel eines gemeinsamen ersten Eisenkerns mit unterschiedlichem Wickelsinn angeordnet sind.

In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Netzgerät vorgeschlagen zur Versorgung einer Last mit einer solchen Filterschaltung. In einer Anwendung dient ein solches Netzgerät zur Ankopplung einer Wechselspannungsquelle (z. B. das öffentliche Netz) an die Eingangsanschlüsse der Filterschaltung und einer Netzpulsstromrichterschaltung an die Ausgangsanschlüsse der Filterschaltung, wobei an die Ausgangsanschlüsse der Netzpulsstromrichterschaltung dann eine Last ankoppelbar ist. Ein Netzpulsstromrichter kann auch ein Inselnetz erzeugen. In diesem Fall ist der Netzpulsstromrichter die einzige Spannungsquelle und anstelle der Wechselspannungsquelle würden die Lasten geschaltet. Solche Inselnetze, also Netze ohne Ankopplung an das öffentliche Netz, sind beispielsweise auf Bergen, auf Schiffen, in Flugzeugen, in Kraftfahrzeugen, etc. anzutreffen. In einer anderen Anwendung dient ein solches Netzgerät somit zur Ankopplung einer Last an die Eingangsanschlüsse der Filterschaltung und eines Inselnetzes (beispielsweise erzeugt mit Hilfe einer Netzpulsstromrichterschaltung) an die Ausgangsanschlüsse der Filterschaltung.
Erfindungsgemäß wird das Prinzip eines Saugkreises zur Reduzierung der zu dämpfenden Oberschwingungen auf die Technik von Netzpulsstromrichterschaltungen angewendet. Im Vergleich zu konventionellen Diodengleichrichtern und Thyristorengleichrichtern arbeiten die Netzpulsstromrichter in viel höheren Frequenzbereichen. Außerdem unterliegen die Filter von Netzpulsstromrichtern einem PWM (pulsweitenmodulierten) Signal und nicht der Netzspannung. Die Auslegung einer Filterschaltung für solche Netzpulsstromrichterschaltungen geschieht somit unter ganz anderen Gesichtspunkten als bei den konventionellen Gleichrichterschaltungen.
Zusätzliche Saugkreisdrosseln werden bislang in der Praxis nicht eingesetzt, da die Kosten für eine zusätzliche Querinduktivität zu hoch sind. Die bekannten Lösungen zur Kopplung mehrerer Induktivitäten auf einem Eisenkern sind für Netzpulsstromrichter ebenfalls zu kostenintensiv oder teilweise sogar technisch nicht einsetzbar.
Durch die bei der vorgeschlagenen Filterschaltung wirkende magnetische Kopplung zwischen der ersten und dritten Induktivität wird bei gleicher Bauteilanzahl über einen klassischen LCL-Filter eine wesentlich höhere Dämpfung der Pulsfrequenzkomponente erreicht. Dabei ist der Wickelsinn der auf dem gleichen Schenkel eines gemeinsamen Eisenkerns angeordneten ersten und dritten Induktivität von Bedeutung. Der Wickelsinn entscheidet darüber, ob sich die magnetischen Flüsse im Schenkel addieren oder subtrahieren. Durch die entsprechende Wickelsinnausrichtung können somit entweder verstärkte Induktivitäten oder sich gegenseitig schwächende Induktivitäten aufgrund der jeweiligen magnetischen Kopplung erzielt werden.
Gegenüber den aus der US 7 449 799 B2 und der US 6 549 434 B2 bekannten Lösungen hat die erfindungsgemäße Filterschaltung den Vorteil, dass die Übertragungsfunktion der Dämpfung so eingestellt werden kann, dass Störungen optimal gefiltert werden können. Mit dem bei der erfindungsgemäßen Filterschaltung vorgeschlagenen Wickelsinn der ersten und dritten Induktivitäten ist es viel einfacher, diese Einstellung der Übertragungsfunktion so vorzunehmen, wie es optimal benötigt wird, um Taktfrequenzen zu dämpfen.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass in dem Querzweig der Filterschaltung, also in dem Zweig, in dem die dritte Induktivität liegt, nur noch Kapazitäten, aber keine weiteren Induktivitäten folgen, wie dies häufig bei bekannten Filterschaltungen der Fall ist. Es hat sich gezeigt, dass in diesem Fall die Übertragungsfunktion der Filterschaltung am einfachsten auf eine optimale Filterwirkung eingestellt werden kann.
Die bekannten Filterschaltungen für Dioden- und Thyristorgleichrichter lassen sich auch aus anderen Gründen nicht einfach auf Netzpulsstromrichterschaltungen übertragen. Netzpulsstromrichter erzeugen eine gepulste PWM-Spannung, die umrichterseitig auf das Filter wirkt. Es gilt also, dass die Störspannung von der PWM-Spannung nicht zu einem Störstrom oder einer Störspannung im Netz führt. Im Gegensatz dazu senden Gleichrichter einen Störstrom aus, den es zu dämpfen gilt. Netzpulsstromrichter sind also im Wesentlichen Störspannungsquellen, während konventionelle Gleichrichter im Wesentlichen Stromstörquellen sind. Die Auslegung der entsprechenden Filter geschieht deshalb unter ganz anderen Gesichtspunkten.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die zweite Induktivität auf einem zweiten Eisenkern angeordnet ist. Somit besteht zwischen der zweiten Induktivität und den auf dem ersten Eisenkern angeordneten ersten und dritten Induktivitäten keine magnetische Kopplung.
In einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Filterschaltung zur Ankopplung einer einphasigen Wechselspannungsquelle (z. B. des öffentlichen Stromversorgungsnetzes) oder eines Inselnetzes ausgestaltet ist. Die Filterschaltung umfasst somit jeweils eine einzige erste, zweite und dritte Induktivitat. In einer anderen Ausgestaltung ist die Filterschaltung zur Ankopplung einer dreiphasigen Wechselspannungsquelle oder eines Inselnetzes ausgestaltet und weist jeweils drei erste, drei zweite und drei dritte Induktivitäten auf.
Bei der mehrphasigen Ausgestaltung ist ferner bevorzugt vorgesehen, dass der erste Eisenkern drei Schenkel aufweist, wobei auf jedem Schenkel jeweils eine erste und eine dritte Induktivität einer gemeinsamen Phase mit unterschiedlichem Wickelsinn angeordnet sind. Dadurch wird eine platz- und kostensparende Ausgestaltung erreicht. Die drei zweiten Induktivitäten sind dabei bevorzugt auf einem getrennten zweiten Eisenkern mit ebenfalls drei Schenkeln angeordnet.
Ferner ist bei der mehrphasigen Ausgestaltung bevorzugt vorgesehen, dass in Reihe zu jeder der drei dritten Induktivitäten jeweils eine Kapazität angeschlossen ist, die in Stern- oder Dreieckschaltung miteinander verschaltet sind.
Bevorzugt sind bei der erfindungsgemäßen Filterschaltung die Induktivitäten und Kapazitäten derart dimensioniert, dass eine Resonanzstelle des Dämpfungsverlaufs der Filterschaltung zwischen der Frequenz der Wechselspannungsquelle und der Schaltfrequenz der Netzpulsstromrichterschaltung liegt. Dadurch kann eine gewünschte hohe Dämpfung bei einer Schaltfrequenz der Netzpulsstromrichterschaltung erreicht werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Zeichnungen gezeigten vorteilhaften Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
1 ein schematisches Blockschaltbild mit Beispielen für mögliche Lasten/Quelle bei Netzpulsstromrichtersystemen,
2 ein Schaltungsdiagramm eines Zweipunkt-Netzpulsstromrichters mit Netzdrossel und Zwischenkreiskondensatoren,
3 verschiedene bekannte Filterschaltungen für Netzpulsstromrichter,
4 eine Ausgestaltung einer bekannten Gegentaktfilterschaltung für konventionelle Dioden-/Thyristorengleichrichter,
5 ein Schaltungsdiagramm einer ersten Ausgestaltung einer einphasigen erfindungsgemäßen Filterschaltung,
6 eine Darstellung einer zweiten Ausgestaltung einer dreiphasigen erfindungsgemäßen Filterschaltung,
7 ein Schaltungsdiagramm einer bekannten Filterschaltung für einen Gleichrichter,
8 ein Schaltungsdiagramm einer fiktiven, nicht wirksamen Filterschaltung für einen Netzpulsstromrichter,
9 Signaldiagramme der Übertragungsfunktionen bei bekannten Filterschaltungen im Vergleich zu der erfindungsgemäßen Filterschaltung, und
10 Signaldiagramme von Übertragungsfunktionen der erfindungsgemäßen Filterschaltung mit dem vorgeschlagenen Wicklungssinn und mit umgekehrtem Wicklungssinn der ersten und dritten Induktivitäten.
1 zeigt ein Blockschaltbild mit Beispielen für mögliche Lasten und Quellen bei Netzpulsstromrichtersystemen. Dabei ist auch jeweils die Hauptenergieflussrichtung eingezeichnet. Als Lasten kommen häufig Motoren mit entsprechend zwischen Netzpulsstromrichter und Motor geschaltetem Wechselrichter vor. Als Quellen sind insbesondere Fotovoltaikanlagen, Brennstoffzellen, Motoren und Windkraftgeneratoren Beispiele, bei denen Netzpulsstromrichter eingesetzt werden.
2 zeigt ein Schaltungsdiagramm eines Zweipunkt-Netzpulsstromrichters mit Netzdrossel und Zwischenkreiskondensatoren. An die drei Phasen des Netzes ist zunächst jeweils eine einfache Netzdrossel L angeschaltet. Die IGBTs T₁ bis T₆ schalten im Wechsel die Zwischenkreisspannung in blockförmigen Impulsen auf das Netz. Je nach Bestehender Kondensatorladung wird dann der Zwischenkreiskondensator C_ZK entweder geladen oder entladen.
3 zeigt verschiedene Ausgestaltungen einphasiger Gegentaktfilter für Netzpulsstromrichter.
Der in 3A gezeigte ”L-Filter” besitzt eine konstante Dämpfung über den Frequenzbereich, festgelegt durch den induktiven Spannungsteiler mit der Netzinduktivität. Durch parasitäre oder EMV-Kapazitäten im Netz erhöht sich die Filterwirkung. Diese Erhöhung ist jedoch durch die Unkenntnis der vorhandenen Kapazitäten unbestimmt. Eine sichere, hohe Dämpfung im oberen Frequenzbereich ist deshalb nur durch eine sehr große Induktivität zu erreichen. Hierdurch sinkt jedoch der ins Netz einspeisbare Energieanteil.
Der in 3B gezeigte LC-Filter weist gegenüber einem L-Filter eine sehr gute Filterwirkung der Taktfrequenzanteile auf, wenn die Netzimpedanz hoch ist. Die Filterwirkung ist abhängig vom Zustand des Netzes, da sich die Filterresonanzstelle verschiebt. In DE 103 10 577 A1 und EP 1 598 924 A2 ist ein solches LC-Filter mit zusätzlichem Pfad gegen den Zwischenkreismittelpunkt beschrieben.
Der in 3C gezeigte LCL-Filter weist gegenüber einem L-Filter eine sehr gute Filterwirkung bei hoher Unabhängigkeit vom Zustand des Netzes auf. Für die Stabilisierung der Filterresonanzstelle sorgt die Drossel L₂. Oberhalb der Resonanzfrequenz des Filters erhöht sich die Filterwirkung mit zunehmender Frequenz. DE 10 2005 005 688 A zeigt solch ein LCL-Filter, wobei sich dort die beiden Längsinduktivitäten auf einem gemeinsamen Kern befinden. Dieses Filter ist jedoch ausschließlich für 50 Hz Grundfrequenztaktung nutzbar.
Es existieren ferner Filterschaltungen für konventionelle Diodengleichrichter und Thyristorengleichrichter. Diodengleichrichter sind nicht rückspeisefähig. Thyristorengleichrichter sind rückspeisefähig, jedoch nur in 50 Hz Grundfrequenztaktung. Die Oberschwingungen, die in diesem Gebiet zu filtern sind, bewegen sich im Bereich zwischen 250 Hz und 550 Hz. In diesem Frequenzbereich wurde bisher mit so genannten Saugkreisen gearbeitet. Eine zusätzliche Querzweiginduktivität bildet mit einem Kondensator einen Reihenschwingkreis, der ausgelegt ist auf die fünfte, siebte, elfte und dreizehnte Oberschwingung.
Eine einphasige Darstellung in der Praxis vorkommender Gegentaktfiltertopologien für konventionelle Dioden-/Thyristorengleichrichter, oft auch als T-Schaltung bezeichnet, ist in 4 gezeigt.
5 zeigt ein Schaltungsdiagramm einer ersten Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Filterschaltung. Gezeigt ist ein einphasiges Ersatzschaltbild. Die Filterschaltung 10 ist zwischen ein Netz 20, das als Wechselspannungsquelle fungiert, und eine Netzpulsstromrichterschaltung 30 gekoppelt. Sie weist zwei Eingangsanschlüsse 11, 12 und zwei Ausgangsanschlüsse 13, 14 auf. An den ersten Eingangsanschluss 11 ist eine erste Induktivität L₂ angeschlossen. In Reihe zu der ersten Induktivität L₂ ist eine zweite Induktivität L₁ angeschlossen. An dem zwischen erster und zweiter Induktivität liegenden Knoten 15 liegt eine dritte (Quer-)Induktivität L₃ in Reihe zu einer Kapazität C. Die erste Induktivität L₂ und die dritte Induktivität L₃ liegen dabei auf einem gemeinsamen Schenkel eines gemeinsamen ersten Eisenkerns, weisen aber unterschiedlichen Wickelsinn auf. Dies ist bei der in 5 gezeigten zweiten Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Filterschaltung (hier in dreiphasiger Ausgestaltung) gezeigt. Dort ist ein erster Eisenkern 40 mit drei Schenkeln 41, 42, 43 gezeigt. Auf jedem der Schenkel 41, 42, 43 ist jeweils eine erste Induktivität L₂ und eine dritte Induktivität L₃ einer gemeinsamen Phase mit unterschiedlichem Wickelsinn angeordnet. Unter Berücksichtigung der eingezeichneten Stromzählpfeile von I_n und I_c sind L₂ und L₃ erfindungsgemäß negativ miteinander gekoppelt. An die dritten Induktivitäten L₃ ist jeweils eine Kapazität angekoppelt, die miteinander in Stern- oder Dreieckschaltung gekoppelt und hier durch einen Block 44 symbolisch dargestellt sind.
Ferner ist dort ein zweiter Eisenkern 50 mit ebenfalls drei Schenkeln 51, 52, 53 gezeigt, wobei auf jedem der Schenkel 51, 52, 53 jeweils eine zweite Induktivität L₁ einer Phase angeordnet ist.
Beim vorgestellten Filter weisen die beiden Induktivitäten L₂ und L₃ eine magnetisch enge und negative Kopplung auf. Beide Wicklungen liegen auf einem gemeinsamen Schenkel eines dreiphasigen Gegentaktdrosselkerns.
Die Streckenübertragunsfunktion G(s) wird über die Maschengleichungen
sowie über die Knotengleichung I_W = I_C + I_N bestimmt. Durch Einsetzen erhält man
Durch Approximationsverfahren können für alle drei genannten Übertragungsfunktionen nun Werte für L, C und k gefunden werden, die nötig sind, um die Taktfrequenzanteile optimal aus dem Netzstrom zu eliminieren. Beispiele werden in der nachfolgenden Tabelle gegeben:

Filtertyp L-Filter LCL-Filter Neuer Filter

L₁ 4mH 1 mH 1 mH

L₂ - 1 mH 1 mH

L₃ - - 2,7 μH

C - 4,7 μF 4,7 μF

k - - –0,98
Gegenüber einem klassischen LCL-Filter kann mit der erfindungsgemäßen Filterschaltung bei gleicher Bauteilanzahl und Baugröße eine wesentlich bessere Filterwirkung erzielt werden. Insbesondere in großen Windenergieanlagen können so beispielsweise eine erhebliche Anzahl von Kapazitäten eingespart werden, was das immer stärker werdende Problem der Netzresonanzgefahren reduziert.
Es sei angemerkt, dass die bekannten Filterlösungen für Dioden- oder Thyristorengleichrichter nicht einfach auf den etwas höheren Frequenzbereich der Netzpulsstromrichter angewendet werden. Eine solche Übertragung ist nicht möglich, da es sich bei Netzpulsstromrichtern um spannungseinprägende Quellen handelt und bei Diodengleichrichtern um stromeinprägende Quellen. Ein einfaches Beispiel in einphasiger Schaltung, wie in 7 gezeigt, soll dies zeigen.
Ein für Gleichrichter typisches Filter ist ein einfacher Saugkreis (Pfad Z4), dessen Resonanzfrequenz auf die signifikante fünfte Oberschwingung bei 250 Hz ausgelegt ist. Der Gleichrichter erzeugt relativ unabhängig vom Filter Oberschwingungsströme. Die Oberschwingungen teilen sich nun abhängig vom Frequenzbereich auf den Pfad Z4 und das Netz (Pfad Z5) auf. Ziel ist es, die ausgesendeten Oberschwingungen möglichst alle bis auf die 50 Hz Komponente durch den Saugkreis kurzzuschließen. Die 50 Hz Komponente soll möglichst nicht kurzgeschlossen werden, denn sie ist die Nutzkomponente.
Dieses System funktioniert bei Dioden- und Thyristorengleichrichtern auch in der Praxis gut. Ein Schaltungsdiagram einer (nicht wirksamen) Filterschaltung, bei der diese Filtertopologie fiktiv bei Netzpulsstromrichtern eingesetzt würde, ist in 8 gezeigt. Da der Netzpulsstromrichter eine mit der Taktfrequenz wechselnde Zwischenkreisspannung auf das Netz gibt, sendet er Oberschwingungsspannungen konstant aus. Für die Belastung des Netzes ist es in diesem Fall völlig egal, ob der Saugkreis installiert ist oder nicht, da er parallel zum Netz an der selben Spannungsquelle geschaltet ist. Es entsteht lediglich eine Zusatzbelastung des Netzpulsstromrichters, die den Netzpulsstromrichter zerstören kann, da Spannungsquellen nicht kurzgeschlossen werden dürfen.
Dieses Beispiel zeigt, dass die Filtertopologien für Netzpulsstromrichter und konventionellen Gleichrichtern grundsätzlich nicht miteinander verglichen werden können, obwohl sie ähnlich aussehen.
9 zeigt Signaldiagramme der Übertragungsfunktionen (Netzpulsstromrichter-Ausgangsspannung zu Netzstrom) bei bekannten Filterschaltungen im Vergleich zu der erfindungsgemäßen Filterschaltung. Die Werte der oben vorgestellten Übertragungsfunktion der erfindungsgemäßen Filterschaltung können so bestimmt werden, dass sich der in 9 gezeigte Verlauf (bezeichnet mit „Neuer Filter”) ergibt. Hierbei wurde ein Netzpulsstromrichter mit der Schaltfrequenz f = 10 kHz angenommen.
Diese Übertragungsfunktion ist nun optimal „gebogen”. Das heißt, die Werte der Induktivitäten, Kapazitäten und die Wicklungsrichtungen sind so bestimmt, dass sich eine optimale Dämpfung der 10 kHz Komponente ergibt und die 50 Hz Komponente möglichst nicht beeinträchtigt wird. Außerdem muss die unerwünschte Resonanzstelle, die zwangläufig vorhanden ist, in einem Frequenzbereich zwischen der 50 Hz Komponente und der Taktfrequenz 10 kHz liegen, wo der Netzpulsstromrichter kaum etwas aussendet.
10 zeigt, was passiert, wenn der Wicklungssinn der gemeinsamen Induktivitäten getauscht wird. Es ist bei einer magnetisch positiven Wicklungskopplung auch durch Veränderung der Induktivitäts- oder Kapazitätswerte nicht möglich, den mit k = +0.98 bezeichneten Verlauf so zu verändern, dass sich ein ähnlich positiver Verlauf wie bei der mit k = –0.98 bezeichneten Kurve ergibt. Genauso steht es auch mit anderen, sehr ähnlichen Verschaltungen.
Nur mit der neuen, hier vorgestellten Verschaltung lässt sich ein optimaler Verlauf der Übertragungsfunktion einstellen. Zusätzlich muss diese Filterschaltung die geringste magnetische Energie in den Eisenkernen aufnehmen. Diese ergibt sich durch die Addition der Einzelenergien, die sich vereinfacht durch Induktivitätswerte, den magnetischen Kopplungsfaktoren und den zugehörigen Netzströmen I_N, Netzpulsstromrichterausgangsströmen I_W und den Kondensatorströmen I_C bestimmt:
Durch den günstigen erfindungsgemäß vorgeschlagenen Wicklungssinn ist die Energie minimal. Somit lässt sich nur mit dieser Verschaltung die kleinste Baugröße erreichen.
Die erfindungsgemäße Filterschaltung kann sowohl in einphasiger als auch in dreiphasiger Ausführung eingesetzt werden. Sie ist insbesondere wirksam für einphasige und dreiphasige Netzpulsstromrichter (oft auch bezeichnet als ”active front end converter”, ”active infeed converter” oder ”aktive Gleichrichter”). Die Netzpulsstromrichter können in Zwei-Level- oder auch in Multilevel-Technik ausgeführt sein. Bei der Multilevel-Technik sind in der Netzpulsstromrichter-Ausgangsspannung mehrere gestufte Spannungsniveaus durch zusätzliche IGBT-Halbbrückenmodule möglich. Die Wirksamkeit der erfindungsgemäßen Filterschaltung liegt im Bereich gängiger Schaltfrequenzen von Netzpulsstromrichtern, im Allgemeinen zwischen 500 Hz und 50 kHz.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10310577 A1 [0003, 0035]
EP 1598924 A2 [0003, 0035]
DE 102005005688 A [0003, 0036]
DE 4219214 A1 [0005]
US 7449799 B2 [0005, 0012]
US 6549434 B2 [0005, 0012]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Borcherding, Holger: Eigenschaften von Netzpulsstromrichtern mit eingeprägter Gleichspannung, Papierflieger, 2000, ISBN 3-89720-376-6 [0002]

Claims

Filterschaltung zur Kopplung zwischen einer Wechselspannungsquelle und einer Netzpulsstromrichterschaltung mit: – zwei Eingangsanschlüssen zum Anschließen an die Wechselspannungsquelle, – zwei Ausgangsanschlüssen zum Anschließen an die Netzpulsstromrichterschaltung, – einer ersten an einem Eingangsanschluss angeschlossenen Induktivität, – einer in Reihe zu der ersten Induktivität und an einen Ausgangsanschluss angeschlossenen zweiten Induktivität, – einer an den Knoten zwischen der ersten und der zweiten Induktivität angeschlossenen dritten Induktivität, – einer in Reihe zu der dritten Induktivität angeschlossenen Kapazität, wobei die erste und die dritte Induktivität auf dem gleichen Schenkel eines gemeinsamen ersten Eisenkerns mit unterschiedlichem Wickelsinn angeordnet sind.
Filterschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Induktivität auf einem zweiten Eisenkern angeordnet ist.
Filterschaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterschaltung zur Ankopplung einer einphasigen Wechselspannungsquelle oder eines Inselnetzes ausgestaltet ist.
Filterschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Filterschaltung zur Ankopplung einer dreiphasigen Wechselspannungsquelle oder eines Inselnetzes ausgestaltet ist und jeweils drei erste Induktivitäten, drei zweite Induktivitäten und drei dritte Induktivitäten aufweist.
Filterschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Eisenkern drei Schenkel aufweist, wobei auf jedem Schenkel jeweils eine erste und eine dritte Induktivität einer gemeinsamen Phase mit unterschiedlichem Wickelsinn angeordnet sind.
Filterschaltung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass in Reihe zu jeder der drei dritten Induktivitäten jeweils eine Kapazität angeschlossen ist, die in Stern- oder Dreieckschaltung miteinander verschaltet sind.
Filterschaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktivitäten und Kapazitäten derart dimensioniert sind, dass eine Resonanzstelle des Dämpfungsverlaufs der Filterschaltung zwischen der Frequenz der Wechselspannungsquelle und der Schaltfrequenz der Netzpulsstromrichterschaltung liegt.
Netzgerät zur Versorgung einer Last mit einer Filterschaltung nach einem der vorstehenden Ansprüche.