DE102012216266A1

DE102012216266A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen eines Filters und Filter

Info

Publication number: DE102012216266A1
Application number: DE102012216266.6A
Authority: DE
Inventors: Nicholas Demetris Cherouvim
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2012-09-13
Filing date: 2012-09-13
Publication date: 2014-03-13
Also published as: WO2014040901A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Herstellen eines Filters zur Bereitstellung einer bestimmten Blindleistung für einen AC/DC-Wandler vorgeschlagen. Das Filter weist eine Spule und eine Mehrzahl N von Kondensatoren auf, die der Spule zur Ausbildung von N Filterkonfigurationen unabhängig zuschaltbar sind. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte a) bis c). In dem Schritt a) wird eine Resonanzfrequenz des Filters bei der Filterkonfiguration mit N der Spule zugeschalteten Kondensatoren in Abhängigkeit von einer bestimmten harmonischen Schwingung des AC/DC-Wandlers eingestellt. In dem Schritt b) wird eine Gesamtkapazität des Filters und eine Induktivität der Spule in Abhängigkeit von der bestimmten Blindleistung und der eingestellten Resonanzfrequenz bestimmt. In dem Schritt c) werden die Kapazitäten der N Kondensatoren derart angepasst, dass eine jede Resonanzfrequenz der N Filterkonfigurationen außerhalb einer Anzahl vorbestimmter Frequenzfenster um von dem AC/DC-Wandler erzeugten harmonischen Schwingungen liegt und die bestimmte Gesamtkapazität konstant bleibt. Durch die vorliegende Anpassung der Kapazitäten der Kondensatoren des Filters wird sichergestellt, dass keine der möglichen Resonanzfrequenzen des Filters mit einer harmonischen Schwingung des AC/DC-Wandlers zusammenfallen kann. Ferner werden ein Computerprogrammprodukt und eine Vorrichtung zum Herstellen eines Filters sowie ein solches Filter vorgeschlagen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen eines Filters zur Bereitstellung einer bestimmten Blindleistung für einen AC/DC-Wandler. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein solches Filter zur Bereitstellung einer bestimmten Blindleistung für einen AC/DC-Wandler.
Das Filter kann insbesondere ein Netzfilter oder eine Netzfiltervorrichtung für ein leistungselektronisches Gerät sein und eine Schaltung aus Filterkondensatoren und eine Filterdrossel aufweisen. Die Filterkondensatoren sind dabei zu einer Filterschaltung verschaltet, wodurch in Spannungsverläufen von Wechselspannungen der Netzphasenleiter Oberwellen oder harmonische Schwingungen, das heißt Frequenzanteile oberhalb einer Netzgrundfrequenz, gedämpft werden. Dies verbessert die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) des elektronischen Geräts in dem Energieversorgungsnetz, über welches das Gerät mit elektrischer Energie versorgt wird. Insbesondere leistungselektronische Geräte, in welchen schnelle Schaltvorgänge (beispielsweise eine Pulsweitenmodulation) Spannungsspitzen in Netzphasenleitern verursachen können, werden häufig zusammen mit einem Netzfilter betrieben.
Ein Netzfilter ist oftmals entweder direkt an das Energieversorgungsnetz angeschlossen oder von diesem nur durch einen Hauptschutz abtrennbar, wodurch dann aber auch das Gerät selbst vom Energieversorgungsnetz getrennt wird. Wenn ein solches Gerät mit dem Energieversorgungsnetz gekoppelt ist, fließen daher in den Filterkondensatoren des Netzfilters Blindströme. Diese können insbesondere dann groß im Verhältnis zur Gesamtstromaufnahme werden, wenn das Gerät selbst nicht betrieben wird. Falls dabei aber zahlreiche Geräte über dieselben Netzphasenleiter an das Energieversorgungsnetz angeschlossen sind und hierbei nur wenige dieser Geräte gleichzeitig betrieben werden, können sich die Blindströme der Netzfilter der einzelnen Geräte zu erheblichen Gesamtblindströmen aufsummieren, die unter Umständen sogar den Wert der zu diesem Zeitpunkt von den Geräten insgesamt benötigten Wirkleistung übersteigen.
Diese Blindströme verursachen eine Erwärmung der Netzphasenleiter. Zudem muss in der zentralen Energieeinspeisung eine entsprechend hohe Scheinleistung, beispielsweise durch induktive Verbraucher oder Phasenschieber, bereitgestellt werden. Neben dem Problem der Kompensation bzw. Generierung der Blindleistung existiert auch das oben bereits andiskutierte Problem der Oberwellen oder harmonischen Schwingungen.
Ferner kann die Verwendung eines passiven Filters oder Eingangsfilters für das Filter Probleme verursachen, falls die Resonanzfrequenz des Filters selbst zu nah an den harmonischen Schwingungen ist, die von dem AC/DC-Wandler generiert werden. In diesem Fall können Oszillationen in dem System auftreten, welche einzelne Komponenten beschädigen können.
Insgesamt können als Eingangsfilter für einen AC/DC-Wandler aktive Filter oder passive Filter eingesetzt werden. Aktive Filter können zwar bessere Filterergebnisse als passive Filter erreichen, sind aber komplexer und teurer. Im Gegensatz dazu liegt der Vorteil bei der Verwendung von passiven Filtern hauptsächlich in deren geringen Kosten und deren Einfachheit. Bei passiven Filtern ist es möglich, bestimmte Filterkondensatoren entsprechend dem Betriebspunkt des AC/DC-Wandlers ein- oder auszuschalten. In diesem Fall kann die Blindleistung für einen größeren Betriebsbereich kompensiert werden. Allerdings existiert dann das Problem des Entstehens eines Transienten beim Zuschalten oder Abschalten der Kondensatoren, was wiederum zu einer Beeinträchtigung oder einem Schaden der Komponenten des Systems führen kann.
Eine herkömmliche Lösung zum Kompensieren der Blindleistung am Eingang eines AC/DC-Wandlers ist die Verwendung von Bänken von Kondensatoren. Einzelne Kondensatoren oder Brücken von Kondensatoren können zu- oder abgeschaltet werden, um mehr oder weniger Blindleistung dem AC/DC-Wandler bereitzustellen. Allerdings wird hierdurch die Filterung der von dem AC/DC-Wandler generierten harmonischen Schwingung nicht gelöst.
Eine Schaltung zum Zuschalten von Kondensatoren und zum Ändern der Frequenz des resultierenden Filters ist in dem Dokument US 6,940,358 B1 beschrieben. Ferner zeigt das Dokument CN 101083397A Designs für passive Filter, bei welchen keine Komponenten zu- oder abgeschaltet werden.
Aus der US 7,656,117 B2 ist eine Netzfiltervorrichtung mit einer Filterkondensatorschaltung bekannt, die über steuerbare Schaltelemente von den Netzphasenleitern eines Energieversorgungsnetzes getrennt werden kann. Die Filterkondensatorschaltung wird stets nur dann an die Netzphasenleiter zugeschaltet, wenn ein Umrichter zum Betreiben einer elektrischen Maschine eine Wirkleistung aus dem Energieversorgungsnetz benötigt.
Ferner zeigt das Dokument US 4,317,076 A ein Steuersystem zum automatischen Hinzufügen und Abziehen von Kondensatoren von einer elektrischen Versorgungsleitung zum Regeln eines Leistungsfaktors der elektrischen Versorgungsleitung.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Filter zu schaffen.
Demgemäß wird ein Verfahren zum Herstellen eines Filters zur Bereitstellung einer bestimmten Blindleistung für einen AC/DC-Wandler vorgeschlagen. Das Filter weist eine Spule und eine Mehrzahl N von Kondensatoren auf, die der Spule zur Ausbildung von N Filterkonfigurationen unabhängig zuschaltbar sind. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte a) bis c). In dem Schritt a) wird eine Resonanzfrequenz des Filters bei der Filterkonfiguration mit N der Spule zugeschalteten Kondensatoren in Abhängigkeit von einer bestimmten harmonischen Schwingung des AC/DC-Wandlers eingestellt. In dem Schritt b) wird eine Gesamtkapazität des Filters und eine Induktivität der Spule in Abhängigkeit von der bestimmten Blindleistung und der eingestellten Resonanzfrequenz bestimmt. In dem Schritt c) werden die Kapazitäten der N Kondensatoren derart angepasst, dass eine jede Resonanzfrequenz der N Filterkonfigurationen außerhalb einer Anzahl vorbestimmter Frequenzfenster um von dem AC/DC-Wandler erzeugten harmonischen Schwingungen liegt und die bestimmte Gesamtkapazität konstant bleibt.
Durch die vorliegende Anpassung der Kapazitäten der Kondensatoren des Filters wird sichergestellt, dass keine der möglichen Resonanzfrequenzen des Filters mit einer harmonischen Schwingung des AC/DC-Wandlers zusammenfallen kann. Die Verwendung des Frequenzfensters um die jeweilige harmonische Schwingung des AC/DC-Wandlers stellt einen gewissen Sicherheitsabstand zwischen den möglichen Resonanzfrequenzen des Filters und den harmonischen Schwingungen des AC/DC-Wandlers bereit. Insbesondere wird als bestimmte harmonische Schwingung, auf welche die Resonanzfrequenz des Filters eingestellt wird, die stärkste harmonische Schwingung verwendet. Damit wird das Filter auch die stärkste harmonische Schwingung des AC/DC-Wandlers beim nominalen Betriebspunkt optimal dämpfen.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäß hergestellten Filters liegt in der Verwendung ausschließlich einfacher und kostengünstiger Komponenten, nämlich einer einzigen Spule und einer Anzahl von N Kondensatoren. Zum Koppeln der Kondensatoren an die Spule sind nur noch entsprechende Schalter vorzusehen.
Bei einer Ausführungsform wird vor dem Schritt c) die Kapazität eines jeden der N Kondensatoren auf einen N-ten Teil der bestimmten Gesamtkapazität eingestellt.
Die Einstellung der Kapazitäten der N Kondensatoren auf den jeweiligen N-Teil der bestimmten Gesamtkapazität des Filters stellt eine geeignete Initialisierung des Verfahrens zum Anpassen der Kapazitäten dar.
Bei einer weiteren Ausführungsform wird der Schritt c) durch die folgenden Teilschritte c1) bis c5) ausgebildet:

c1) Zuschalten des n-ten Kondensators zu der Spule zur Bildung einer n-ten Filterkonfiguration, mit n ∊ [1, ..., N], wobei die n-te Filterkonfiguration durch eine Anzahl n von der Spule zugeschalteten Kondensatoren gebildet ist,
c2) Berechnen der Resonanzfrequenz bei der n-ten Filterkonfiguration,
c3) Prüfen, ob die berechnete Resonanzfrequenz der n-ten Filterkonfiguration außerhalb der Anzahl der vorbestimmten Frequenzfenster liegt,
c4) falls die berechnete Resonanzfrequenz der n-ten Filterkonfiguration außerhalb der Anzahl der vorbestimmten Frequenzfenster liegt, Festlegen der Kapazität des n-ten Kondensators auf den N-ten Teil der bestimmten Gesamtkapazität, und
c5) falls die berechnete Resonanzfrequenz der n-ten Filterkonfiguration innerhalb eines der vorbestimmten Frequenzfenster liegt, Festlegen der Kapazität des n-ten Kondensators auf einen Wert, der um einen bestimmten Betrag größer als der N-te Teil der bestimmten Gesamtkapazität ist, und Festlegen der Kapazität des (n + 1)-ten Kondensators auf einen Wert, der um den bestimmten Betrag kleiner als der N-te Teil der bestimmten Gesamtkapazität ist.

Hierdurch wird sichergestellt, dass alle möglichen Resonanzfrequenzen des Filters nicht mit den harmonischen Schwingungen des AC/DC-Wandlers zusammenfallen und dass die bestimmte Gesamtkapazität des Filters erhalten bleibt.
Ferner ist es möglich im Schritt c5) die Kapazität des n-ten Kondensators auf einen Wert festzulegen, der um den bestimmten Betrag kleiner als der N-te Teil der bestimmten Gesamtkapazität ist, wobei dann die Kapazität des (n + 1)-ten Kondensators auf einen Wert festgelegt wird, der um den bestimmten Betrag größer als der N-te Teil der bestimmten Gesamtkapazität ist.
Bei einer weiteren Ausführungsform werden die Teilschritte c1) bis c5) für die N Filterkonfigurationen iterativ ausgeführt.
Die iterative Durchführung der Teilschritte c1) bis c5) stellt sicher, dass die Gesamtkapazität des Filters konstant bleibt und die einzelnen Kapazitäten geeignet eingestellt werden können.
Bei einer weiteren Ausführungsform wird die Resonanzfrequenz bei der n-ten Filterkonfiguration berechnet durch:
wobei f_n die Resonanzfrequenz der n-ten Filterkonfiguration, f_N die Resonanzfrequenz der N-ten Filterkonfiguration, n die Anzahl der der Spule zugeschalteten Kondensatoren, und N die Anzahl der der Spule zuschaltbaren Kondensatoren bezeichnet, mit n ∊ [1, ..., N].
Bei einer weiteren Ausführungsform wird bei dem Schritt c3) durch die folgende Bedingung geprüft, ob die berechnete Resonanzfrequenz f_n außerhalb der Anzahl der vorbestimmten Frequenzfenster liegt: (n_harm·f_base – f_window)² > ( N / n)·f_N ² > (n_harm·f_base + f_window)², wobei n_harm die Ordnung der von dem AC/DC-Wandler erzeugten harmonischen Schwingung, f_base die Grundfrequenz eines mit dem AC/DC-Wandler koppelbaren Energieversorgungsnetzes und f_window die Grenzfrequenz des vorbestimmten Frequenzfensters bezeichnet.
Bei einer weiteren Ausführungsform wird der Schritt c3) für alle harmonischen Schwingungen des AC/DC-Wandlers bis zu der 13. Ordnung durchgeführt.
Vorzugsweise werden demnach nur die harmonischen Schwingungen des AC/DC-Wandlers bis zur 13. Ordnung kompensiert, was einen geeigneten Kompromiss zwischen der Komplexität des Verfahrens und der Filterleistung darstellt.
Bei einer weiteren Ausführungsform wird der AC/DC-Wandler als ein Sechspulsgleichrichter ausgebildet.
Der Sechspulsgleichrichter kann auch als ein Dreiphasen-Gleichrichter bezeichnet werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform wird die Spule als eine Dreiphasen-Drosselspule ausgebildet.
Bei einer weiteren Ausführungsform wird der Schritt a) ausgebildet durch: Einstellen der Resonanzfrequenz des Filters bei der Filterkonfiguration mit den N mit der Dreiphasen-Drosselspule verbundenen Kondensatoren auf die 5. harmonische Schwingung des Sechspulsgleichrichters.
Die fünfte harmonische Schwingung des Sechspulsgleichrichters stellt die stärkste harmonische Schwingung für den Sechspulsgleichrichter dar und bildet damit die geeignete Grundlage für die Einstellung der Resonanzfrequenz des Filters.
Bei einer weiteren Ausführungsform wird N in Abhängigkeit der nominalen Eingangsspannung des AC/DC-Wandlers, der nominalen Ausgangsspannung des AC/DC-Wandlers und eines Transienten beim Zuschalten der Kondensatoren gewählt.
Folglich können bei der Auslegung des Filters auch die nominale Eingangsspannung, die nominale Ausgangsspannung und Schaltvorgänge berücksichtigt werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform wird der Schritt d) ausgebildet durch: Anpassen der Kapazitäten der N Kondensatoren derart, dass eine jede Resonanzfrequenz der N Filterkonfigurationen außerhalb der Anzahl vorbestimmter Frequenzfenster um von dem AC/DC-Wandler erzeugten harmonischen Schwingungen liegt und die bestimmte Gesamtkapazität sowie die bestimmte Induktivität der Spule konstant bleiben.
Bei dieser Ausführungsform wird insbesondere auch die Induktivität der Spule konstant gehalten.
Weiterhin wird ein Computerprogrammprodukt vorgeschlagen, welches auf einer programmgesteuerten Einrichtung die Durchführung des wie oben erläuterten Verfahrens veranlasst.
Ein Computerprogrammprodukt wie ein Computerprogramm-Mittel kann beispielsweise als Speichermedium, wie Speicherkarte, USB-Stick, CD-ROM, DVD oder auch in Form einer herunterladbaren Datei von einem Server in einem Netzwerk bereitgestellt oder geliefert werden. Dies kann zum Beispiel in einem drahtlosen Kommunikationsnetzwerk durch die Übertragung einer entsprechenden Datei mit dem Computerprogrammprodukt oder dem Computerprogramm-Mittel erfolgen.
Außerdem wird ein Datenträger mit einem gespeicherten Computerprogramm mit Befehlen vorgeschlagen, welche die Durchführung des wie oben erläuterten Verfahrens auf einer programmgesteuerten Einrichtung veranlasst.
Ferner wird eine Vorrichtung zum Herstellen eines Filters zur Bereitstellung einer bestimmten Blindleistung für einen AC/DC-Wandler vorgeschlagen. Dabei weist das Filter eine Spule und eine Mehrzahl N von Kondensatoren auf, die der Spule zur Ausbildung von N Filterkonfigurationen unabhängig zuschaltbar sind. Die Vorrichtung umfasst ein Einstell-Mittel, ein Bestimmungs-Mittel und ein Anpassungs-Mittel. Das Einstell-Mittel ist zum Einstellen einer Resonanzfrequenz des Filters bei der Filterkonfiguration mit N der Spule zugeschalteten Kondensatoren in Abhängigkeit von einer bestimmten harmonischen Schwingung des AC/DC-Wandlers eingerichtet. Das Bestimmungs-Mittel ist zum Bestimmen einer Gesamtkapazität des Filters und einer Induktivität der Spule in Abhängigkeit von der bestimmten Blindleistung und der eingestellten Resonanzfrequenz eingerichtet. Das Anpassungs-Mittel ist zum Anpassen der Kapazitäten der N Kondensatoren derart eingerichtet, dass eine jede Resonanzfrequenz der N Filterkonfigurationen außerhalb einer Anzahl vorbestimmter Frequenzfenster um von dem AC/DC-Wandler erzeugten harmonischen Schwingungen liegt und die bestimmte Gesamtkapazität konstant bleibt.
Das jeweilige Mittel, Einstell-Mittel, Bestimmungs-Mittel und Anpassungs-Mittel, kann hardwaretechnisch und/oder auch softwaretechnisch implementiert sein. Bei einer hardwaretechnischen Implementierung kann das jeweilige Mittel als Vorrichtung oder als Teil einer Vorrichtung, zum Beispiel als Computer oder als Mikroprozessor ausgebildet sein. Bei einer softwaretechnischen Implementierung kann das jeweilige Mittel als Computerprogrammprodukt, als eine Funktion, als eine Routine, als Teil eines Programmcodes oder als ausführbares Objekt ausgebildet sein.
Weiter wird ein Filter zur Bereitstellung einer bestimmten Blindleistung für einen AC/DC-Wandler vorgeschlagen, welches insbesondere durch ein wie oben beschriebenes Verfahren hergestellt ist. Dabei weist das Filter eine Spule und eine Mehrzahl N von Kondensatoren zur Ausbildung einer bestimmten Gesamtkapazität auf, die der Spule zur Ausbildung von N Filterkonfigurationen unabhängig zuschaltbar sind. Die Kapazitäten der N Kondensatoren sind derart angepasst, dass eine jede Resonanzfrequenz der N Filterkonfigurationen außerhalb einer Anzahl vorbestimmter Frequenzfenster um von dem AC/DC-Wandler erzeugten harmonischen Schwingungen liegt und die bestimmte Gesamtkapazität konstant bleibt.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden.
Dabei zeigen:
1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines Filters, der mit einem AC/DC-Wandler gekoppelt ist;
2 ein Ablaufdiagramm eines ersten Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Herstellen eines Filters zur Bereitstellung einer bestimmten Blindleistung für einen AC/DC-Wandler;
3 ein Ablaufdiagramm eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Herstellen eines Filters zur Bereitstellung einer bestimmten Blindleistung für einen AC/DC-Wandler; und
4 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zum Herstellen eines Filters zur Bereitstellung einer bestimmten Blindleistung für einen AC/DC-Wandler.
In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen worden, sofern nichts anderes angegeben ist.
In 1 ist ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines Filters 10 dargestellt, das mit einem AC/DC-Wandler 20 gekoppelt ist.
Der AC/DC-Wandler 20 empfängt eingangsseitig eine Wechselspannung von einem angeschlossenen Energieversorgungsnetz 50, wandelt die empfangene Wechselspannung in eine Gleichspannung und stellt diese ausgangsseitig einer Last 60 bereit. Dazu ist der AC/DC-Wandler 20 mit dem Energieversorgungsnetz 50 über drei Netzphasenleiter eingangsseitig gekoppelt. Über die drei Netzphasenleiter wird die Wechselspannung von dem Energieversorgungsnetz 50 an den AC/DC-Wandler 20 übertragen. An diesen drei Netzphasenleitern ist auch das Filter 10 gekoppelt. Ausgangsseitig ist der AC/DC-Wandler 20 mit der Last 60 über zwei Leitungen zur Übertragung der gewandelten Gleichspannung gekoppelt.
Das Filter 10 der 1 ist dazu eingerichtet, eine bestimmte Blindleistung für den AC/DC-Wandler 20 bereitzustellen und diese dem AC/DC-Wandler über die drei Netzphasenleiter eingangsseitig einzukoppeln. Dazu weist das Filter 10 eine Spule 30 und eine Mehrzahl N von Kondensatoren 41–4N zur Ausbildung einer bestimmten Gesamtkapazität des Filters 10 auf. Die N Kondensatoren 41–4N sind der Spule 30 zur Ausbildung N Filterkonfigurationen unabhängig zuschaltbar. Zum unabhängigen und wahlweisen Zuschalten der Kondensatoren 41–4N zu der spule sind zwischengeschaltete Schalter 71–7N vorgesehen. In Abhängigkeit der jeweils einzelkoppelnden Blindleistung werden die Kondensatoren 41–4N der Spule 30 zugeschaltet. Dazu werden die entsprechenden Schalter 71–7N geschlossen. Hierzu werden die Schalter 71–7N von einer Steuereinrichtung (nicht gezeigt) gesteuert. Ferner sind die Kapazitäten C1–CN der N-Kondensatoren 41–4N derart angepasst, dass eine jede Resonanzfrequenz der N Filterkonfigurationen außerhalb einer Anzahl vorbestimmter Frequenzfenster um von dem AC/DC-Wandler 20 erzeugten harmonischen Schwingungen liegt und die bestimmte Gesamtkapazität konstant bleibt. Ausführungsbeispiele für Verfahren zur Herstellung eines solchen Filters 10 sind mit Bezug zu den 2 und 3 angegeben.
Dazu zeigt 2 ein Ablaufdiagramm eines ersten Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Herstellen eines Filters 10 zur Bereitstellung einer bestimmten Blindleistung für einen AC/DC-Wandler 20.
Das Filter 10 hat eine Spule 30 und eine Mehrzahl N von Kondensatoren 41–4N (siehe 1), wobei die N Kondensatoren 41–4N der Spule 30 zur Ausbildung von N Filterkonfigurationen unabhängig zuschaltbar sind. Das Ausführungsbeispiel der 2 umfasst die folgenden Schritte 201 bis 203.
In Schritt 201 wird eine Resonanzfrequenz des Filters 10 bei der Filterkonfiguration, welche durch N der Spule 30 zugeschaltete Kondensatoren 41–4N gebildet ist, in Abhängigkeit von einer bestimmten harmonischen Schwingung des AC/DC-Wandlers eingestellt. Der AC/DC-Wandler 20 ist beispielsweise ein Sechspulsgleichrichter und die Spule 30 ist beispielsweise eine Dreiphasen-Drosselspule. Dann kann die Resonanzfrequenz des Filters 10 bei der Filterkonfiguration mit den N mit der Dreiphasen-Drosselspule 30 verbundenen Kondensatoren 41–4N auf die fünfte harmonische Schwingung des Sechspulsgleichrichters 20 eingestellt werden, da die fünfte harmonische Schwingung des Sechspulsgleichrichters 20 die stärkste harmonische Schwingung darstellt. Dabei wird die Zahl N in Abhängigkeit von der nominellen Eingangsspannung des AC/DC-Wandlers 20, von der nominalen Ausgangsspannung des AC/DC-Wandlers 20 und von einem Transienten beim Zuschalten der Kondensatoren 41–4N gewählt.
In Schritt 202 werden eine Gesamtkapazität des Filters 10 und eine Induktivität L der Spule 30 in Abhängigkeit von der bestimmten Blindleistung und der eingestellten Resonanzfrequenz bestimmt.
In Schritt 203 werden dann die Kapazitäten C1–CN der N-Kondensatoren 41–4N derart angepasst, dass eine jede Resonanzfrequenz der N Filterkonfigurationen außerhalb einer Anzahl vorbestimmter Frequenzfenster um von dem AC/DC-Wandler 20 erzeugten harmonische Schwingungen liegt und die bestimmte Gesamtkapazität konstant bleibt. Insbesondere wird der Schritt 203 derart durchgeführt, dass auch die bestimmte Induktivität L der Spule 30 konstant bleibt.
3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Herstellen eines Filters 10 zur Bereitstellung einer bestimmten Blindleistung für einen AC/DC-Wandler 20.
Das zweite Ausführungsbeispiel der 3 umfasst die folgenden Schritte 301–307.
In Schritt 301 wird eine Resonanzfrequenz des Filters 10 bei der Filterkonfiguration mit N der Spule 30 zugeschalteten Kondensatoren 41–4N in Abhängigkeit von einer bestimmten harmonischen Schwingung des AC/DC-Wandlers 20 eingestellt.
In Schritt 302 wird eine Gesamtkapazität des Filters 10 und eine Induktivität L der Spule 30 in Abhängigkeit von der bestimmten Blindleistung und der eingestellten Resonanzfrequenz bestimmt. Dabei wird zur Initialisierung der fortfolgenden Schritte 303–307 die Kapazität C1–CN eines jeden der N Kondensatoren 41–4N auf einen N-ten Teil der bestimmten Gesamtkapazität eingestellt.
Die nachfolgenden Schritte 303–307 werden für die N Filterkonfigurationen iterativ ausgeführt.
Dabei wird in Schritt 303 der n-te Kondensator 41–4N zu der Spule 30 zur Bildung einer n-ten Filterkonfiguration zugeschaltet, mit n ∊ [1, ..., N]. Dabei ist die n-te Filterkonfiguration durch eine Anzahl n von der Spule 30 zugeschalteten Kondensatoren 41–4N gebildet.
In Schritt 304 wird die Resonanzfrequenz bei der n-ten Filterkonfiguration berechnet. Dabei wird insbesondere die Gleichung
f_N verwendet. f_n bezeichnet die Resonanzfrequenz der n-ten Filterkonfiguration, f_N die Resonanzfrequenz der N-ten Filterkonfiguration, n die Anzahl der der Spule zugeschalteten Kondensatoren, und N die Anzahl der der Spule zuschaltbaren Kondensatoren, mit n ∊ [1, ..., N].
In Schritt 305 wird dann geprüft, ob die berechnete Resonanzfrequenz der n-ten Filterkonfiguration außerhalb der Anzahl der vorbestimmten Frequenzfenster liegt.
Bei dem Schritt 305 wird durch die folgende Bedingung geprüft, ob die berechnete Resonanzfrequenz f_n außerhalb der Anzahl der vorbestimmten Frequenzfenster liegt: (n_harm·f_base – f_window)² > ( )·f_N ² > (n_harm·f_base + f_window)², wobei n_harm die Ordnung der von dem AC/DC-Wandler erzeugten harmonischen Schwingung, f_base die Grundfrequenz eines mit dem AC/DC-Wandler koppelbaren Energieversorgungsnetzes und f_window die Grenzfrequenz des vorbestimmten Frequenzfensters bezeichnet.
Falls die berechnete Resonanzfrequenz der n-ten Filterkonfiguration innerhalb eines der bestimmten Frequenzfenster liegt, fährt das Verfahren mit dem Schritt 307 fort. Ansonsten erfolgt der Schritt 306.
In Schritt 306 wird die Kapazität C1–CN des n-ten Kondensators 41–4N auf den N-ten Teil der bestimmten Gesamtkapazität festgelegt. Demgegenüber wird in Schritt 307 die Kapazität C1–CN des n-ten Kondensators 41–4N auf einen Wert, der um einen bestimmten Betrag größer als der N-te Teil der bestimmten Gesamtkapazität ist, festgelegt, wobei die Kapazität C1–CN des (n + 1)-ten Kondensators 41–4N auf einen Wert festgelegt wird, der um den bestimmten Betrag kleiner als der N-te Teil der bestimmten Gesamtkapazität ist. Folglich wird die bestimmte Gesamtkapazität konstant gehalten.
In 4 ist ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung 80 zum Herstellen eines Filters 10 zur Bereitstellung einer bestimmten Blindleistung für einen AC/DC-Wandler 20 dargestellt. Ein Beispiel für ein solches Filter 10 mit einem damit gekoppelten AC/DC-Wandler 20 ist in 1 dargestellt.
Die Vorrichtung 80 der 8 hat ein Einstell-Mittel 81, ein Bestimmungs-Mittel 82 und ein Anpassungs-Mittel 83. Das Einstell-Mittel 81 ist dazu eingerichtet, eine Resonanzfrequenz des Filters 10 bei der Filterkonfiguration mit N der Spule 30 zugeschalteten Kondensatoren 41–4N in Abhängigkeit von einer bestimmten harmonischen Schwingung des AC/DC-Wandlers 20 einzustellen. Das Bestimmungs-Mittel 80 ist dazu eingerichtet, eine Gesamtkapazität des Filters 10 und eine Induktivität L der Spule 30 in Abhängigkeit von der bestimmten Blindleistung und der eingestellten Resonanzfrequenz zu bestimmen. Das Anpassungs-Mittel 83 ist dazu eingerichtet, die Kapazitäten C1–CN der N Kondensatoren 41–4N derart anzupassen, dass eine jede Resonanzfrequenz der N Filterkonfigurationen außerhalb einer Anzahl vorbestimmter Frequenzfenster um von dem AC/DC-Wandler 20 erzeugten harmonischen Schwingungen liegt und die bestimmte Gesamtkapazität konstant bleibt.
Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 6940358 B1 [0008]
CN 101083397 A [0008]
US 7656117 B2 [0009]
US 4317076 A [0010]

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Filters (10) zur Bereitstellung einer bestimmten Blindleistung für einen AC/DC-Wandler (20), wobei das Filter (10) eine Spule (30) und eine Mehrzahl N von Kondensatoren (41, 42, ..., 4N) aufweist, die der Spule (30) zur Ausbildung von N Filterkonfigurationen unabhängig zuschaltbar sind, mit den Schritten: a) Einstellen (201) einer Resonanzfrequenz des Filters (10) bei der Filterkonfiguration mit N der Spule (30) zugeschalteten Kondensatoren (41, 42, ..., 4N) in Abhängigkeit von einer bestimmten harmonischen Schwingung des AC/DC-Wandlers (20), b) Bestimmen (202) einer Gesamtkapazität des Filters (10) und einer Induktivität (L) der Spule (30) in Abhängigkeit von der bestimmten Blindleistung und der eingestellten Resonanzfrequenz, und c) Anpassen (203) der Kapazitäten (C1, C2, ..., CN) der N Kondensatoren (41, 42, ..., 4N) derart, dass eine jede Resonanzfrequenz der N Filterkonfigurationen außerhalb einer Anzahl vorbestimmter Frequenzfenster um von dem AC/DC-Wandler (20) erzeugten harmonischen Schwingungen liegt und die bestimmte Gesamtkapazität konstant bleibt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Schritt c) die Kapazität (C1, C2, ..., CN) eines jeden der N Kondensatoren (41, 42, ..., 4N) auf einen N-ten Teil der bestimmten Gesamtkapazität eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt c) die folgenden Teilschritte c1) bis c5) umfasst: c1) Zuschalten (303) des n-ten Kondensators (41, 42, ..., 4N) zu der Spule (30) zur Bildung einer n-ten Filterkonfiguration, mit n ∊ [1, ..., N], wobei die n-te Filterkonfiguration durch eine Anzahl n von der Spule (30) zugeschalteten Kondensatoren (41, 42, ..., 4N) gebildet ist, c2) Berechnen (304) der Resonanzfrequenz bei der n-ten Filterkonfiguration, c3) Prüfen (305), ob die berechnete Resonanzfrequenz der n-ten Filterkonfiguration außerhalb der Anzahl der vorbestimmten Frequenzfenster liegt, c4) falls die berechnete Resonanzfrequenz der n-ten Filterkonfiguration außerhalb der Anzahl der vorbestimmten Frequenzfenster liegt, Festlegen (306) der Kapazität (C1, C2, ..., CN) des n-ten Kondensators (41, 42, ..., 4N) auf den N-ten Teil der bestimmten Gesamtkapazität, und c5) falls die berechnete Resonanzfrequenz der n-ten Filterkonfiguration innerhalb eines der vorbestimmten Frequenzfenster liegt, Festlegen (307) der Kapazität (C1, C2, ..., CN) des n-ten Kondensators (41, 42, ..., 4N) auf einen Wert, der um einen bestimmten Betrag größer als der N-te Teil der bestimmten Gesamtkapazität ist, und Festlegen der Kapazität (C1, C2, ..., CN) des (n + 1)-ten Kondensators (41, 42, ..., 4N) auf einen Wert, der um den bestimmten Betrag kleiner als der N-te Teil der bestimmten Gesamtkapazität ist.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilschritte c1) bis c5) für die N Filterkonfigurationen iterativ ausgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Resonanzfrequenz bei der n-ten Filterkonfiguration berechnet wird durch: f_n = , wobei f_n die Resonanzfrequenz der n-ten Filterkonfiguration, f_N die Resonanzfrequenz der N-ten Filterkonfiguration, n die Anzahl der der Spule (30) zugeschalteten Kondensatoren (41, 42, ..., 4N), und N die Anzahl der der Spule (30) zuschaltbaren Kondensatoren (41, 42, ..., 4N) bezeichnet, mit n ∊ [1, ..., N].
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Schritt c3) durch die folgende Bedingung geprüft wird, ob die berechnete Resonanzfrequenz f_n außerhalb der Anzahl der vorbestimmten Frequenzfenster liegt: (n_harm·f_base – f_window)² > ( )·f_N2 > (n_harm·f_base + f_window)², wobei n_harm die Ordnung der von dem AC/DC-Wandler (20) erzeugten harmonischen Schwingung, f_base die Grundfrequenz eines mit dem AC/DC-Wandler (20) koppelbaren Energieversorgungsnetzes (50) und f_window die Grenzfrequenz des vorbestimmten Frequenzfensters bezeichnet.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt c3) für alle harmonischen Schwingungen des AC/DC-Wandlers (20) bis zu der 13. Ordnung durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der AC/DC-Wandler (20) als ein Sechspulsgleichrichter ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (30) als eine Dreiphasen-Drosselspule ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt a) ausgebildet wird durch: Einstellen der Resonanzfrequenz des Filters (10) bei der Filterkonfiguration mit den N mit der Dreiphasen-Drosselspule (30) verbundenen Kondensatoren (41, 42, ..., 4N) auf die 5. harmonische Schwingung des Sechspulsgleichrichters (20).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass N in Abhängigkeit von der nominalen Eingangsspannung des AC/DC-Wandlers (20), von der nominalen Ausgangsspannung des AC/DC-Wandlers (20) und von einem Transienten beim Zuschalten der Kondensatoren (41, 42, ..., 4N) gewählt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt d) ausgebildet wird durch: Anpassen der Kapazitäten (C1, C2, ..., CN) der N Kondensatoren (41, 42, ..., 4N) derart, dass eine jede Resonanzfrequenz der N Filterkonfigurationen außerhalb der Anzahl vorbestimmter Frequenzfenster um von dem AC/DC-Wandler (20) erzeugten harmonischen Schwingungen liegt und die bestimmte Gesamtkapazität sowie die bestimmte Induktivität (L) der Spule (30) konstant bleibt.
Computerprogrammprodukt, welches auf einer programmgesteuerten Einrichtung die Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12 veranlasst.
Vorrichtung (80) zum Herstellen eines Filters (10) zur Bereitstellung einer bestimmten Blindleistung für einen AC/DC-Wandler (20), wobei das Filter (10) eine Spule (30) und eine Mehrzahl N von Kondensatoren (41, 42, ..., 4N) aufweist, die der Spule (36) zur Ausbildung von N Filterkonfigurationen unabhängig zuschaltbar sind, mit: einem Einstell-Mittel (81) zum Einstellen einer Resonanzfrequenz des Filters (10) bei der Filterkonfiguration mit N der Spule (30) zugeschalteten Kondensatoren (41, 42, ..., 4N) in Abhängigkeit von einer bestimmten harmonischen Schwingung des AC/DC-Wandlers (20), einem Bestimmungs-Mittel (82) zum Bestimmen einer Gesamtkapazität des Filters (10) und einer Induktivität (L) der Spule (30) in Abhängigkeit von der bestimmten Blindleistung und der eingestellten Resonanzfrequenz, und einem Anpassungs-Mittel (83) zum Anpassen der Kapazitäten (C1, C2, ..., CN) der N Kondensatoren (41, 42, ..., 4N) derart, dass eine jede Resonanzfrequenz der N Filterkonfigurationen außerhalb einer Anzahl vorbestimmter Frequenzfenster um von dem AC/DC-Wandler (20) erzeugten harmonischen Schwingungen liegt und die bestimmte Gesamtkapazität konstant bleibt.
Filter (10) zur Bereitstellung einer bestimmten Blindleistung für einen AC/DC-Wandler (20), insbesondere hergestellt durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das Filter (10) eine Spule (30) und eine Mehrzahl N von Kondensatoren (41, 42, ..., 4N) zur Ausbildung einer bestimmten Gesamtkapazität aufweist, die der Spule (30) zur Ausbildung von N Filterkonfigurationen unabhängig zuschaltbar sind, wobei die Kapazitäten (C1, C2, ..., CN) der N Kondensatoren (41, 42, ..., 4N) derart angepasst sind, dass eine jede Resonanzfrequenz der N Filterkonfigurationen außerhalb einer Anzahl vorbestimmter Frequenzfenster um von dem AC/DC-Wandler (20) erzeugten harmonischen Schwingungen liegt und die bestimmte Gesamtkapazität konstant bleibt.