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Diese Erfindung betrifft eine dreiphasige Drossel, die ein erstes und ein zweites magnetisch leitfähiges Joch umfasst, zwischen denen magnetisch verbunden drei magnetisch leitfähige Schenkel angeordnet sind, und die drei elektrische Spulen umfasst, die jeweils um einen der Schenkel der Drossel herum angeordnet sind. Weiter betrifft diese Erfindung einen Wechselrichter, einen Umrichter, eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie sowie eine Verwendung einer Drossel.
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Bei der Einspeisung von elektrischer Energie in ein Wechselstromnetz ist es erforderlich, die erzeugte elektrische Energie mit der Netzfrequenz zu synchronisieren. In Großkraftwerken wird die Synchronisation häufig erreicht, indem die Generatorendrehzahl synchronisiert wird. Bei vielen kleineren Energieerzeugungsvorrichtungen, wie etwa Photovoltaikanlagen, Windkraftanlagen, Blockheizkraftwerken, insbesondere kleinen Blockheizkraftwerken, Wellenkraftanlagen und dgl. wird elektrische Energie häufig nicht mit der Netzfrequenz erzeugt. Es sind daher im Falle von Wechselströmen Umrichter oder im Falle von Gleichstrom, wie etwa bei Photovoltaikanlagen, Wechselrichter erforderlich, die die erzeugte elektrische Energie mit der Netzfrequenz synchronisieren. Umrichter enthalten häufig eine Gleichrichtungsstufe, in der erzeugter Wechselstrom zu Gleichstrom umgeformt wird, so dass der Gleichstrom ebenfalls mit einem Wechselrichter mit der Netzfrequenz synchronisiert werden kann. Um einzelne elektrische Energieerzeugungsvorrichtungen miteinander parallelzuschalten, um so deren gleichzeitigen Betrieb zu ermöglichen, wie etwa in einem Windpark, ist es erforderlich, die Wechselrichter im gemeinsamen Energienetz voneinander elektrisch für Störfrequenzbereiche und bzgl. Gleichtaktstörungen zu entkoppeln. Dies wird im Allgemeinen durch ein Netzfilter erreicht, in dem Oberwellen und andere Störungen, die nicht der gewünschten Netzspannung entsprechen, unterdrückt werden. Im Allgemeinen umfasst ein solches Netzfilter mit Masse oder Erde verbundene Y-Kondensatoren und wenigstens eine Induktivität. Häufig sind Energieerzeugungsvorrichtungen an ein dreiphasiges Wechselstromnetz angebunden. Y-Kondensatoren und Induktivität sind in diesem Fall ebenfalls dreiphasig ausgeführt. Die Induktivität ist im Allgemeinen als Drosselspule ausgeführt.
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Im Stand der Technik kommen als Drosseln häufig drei Einzeldrosseln geeigneter Größe zum Einsatz. Es ist auch bekannt, sehr große Gleichtaktunterdrückungsdrosseln in Kombination mit Y-Kondensatoren zu verwenden. Die Y-Kondensatoren sind dabei im Allgemeinen mit Erde verbunden. Die einzelnen Drosseln bzw. die üblicherweise sehr großen Gleichtaktunterdrückungsdrosseln sind im Allgemeinen kostenaufwendig. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine kostengünstigere Alternative zum Stand der Technik bereitzustellen.
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Erfindungsgemäß wird eine dreiphasige Drossel zur Entkopplung einer elektrischen Energiequelle von einem Wechselstromnetz vorgeschlagen, bei der zwischen dem ersten und dem zweiten Joch eine magnetisch leitfähige Gleichtaktunterdrückungsverbindung vorgesehen ist.
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Bei einer dreiphasigen Drossel, die einen gemeinsamen magnetischen Kreis der Spulen aufweist, ergänzt sich der magnetische Fluss durch die Schenkel in den Spulen derart, dass ein gegenphasiger Strom durchgelassen wird, was bedeutet, dass die Impedanz der Drossel dafür gering ist. Als Gegentaktstrom wirkt ein dreiphasiger Last-Wechselstrom mit um 120° versetzten Phasen. Gleichtaktströme können jedoch die konstruktive Ergänzung des magnetischen Flusses in dem magnetischen Kreis der Drossel nicht nutzen, so dass sich dafür eine hohe Impedanz ergibt. Gleichtaktstörungen können die Drossel daher nur mit verringerter Amplitude passieren. Dieser Effekt wird durch die Gleichtaktunterdrückungsverbindung weiter verstärkt, indem die Gleichtaktstörungen magnetisch mit geringerem Widerstand kurzgeschlossen werden. Die entsprechende Induktivität für diese Störströme erhöht sich, da der magnetische Widerstand in deren Pfad des magnetischen Flusses sinkt. Auch in einem LC-Glied in Verbindung mit einem Kondensator erhöht sich dessen Impedanz gegenüber Gleichtaktstörungen.
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Die Gleichtaktunterdrückungsverbindung verbessert somit unaufwendig die Gleichtaktunterdrückung und ermöglicht beispielsweise, nachgeschaltete Transformatoren ohne Streuinduktivitäten auszuführen. Auf diese Weise wird eine einfache und kostengünstige Parallelschaltung von mehreren Wechselrichtern möglich. Zudem ergeben sich weniger Gesamtverluste im Vergleich zum Stand der Technik. Nicht zuletzt bedeutet der Einsatz einer erfindungsgemäßen Drossel weniger Materialeinsatz und weniger Arbeitsaufwand bei der Herstellung im Vergleich zu Systemen nach Stand der Technik. Die Gleichtaktunterdrückungsverbindung kann Teile des magnetischen Kreises der Drossel, z. B. in einem Joch, umfassen. Vorzugsweise ist um die Gleichtaktunterdrückungsverbindung keine Wicklung vorgesehen. Um die Störströme möglichst verlustfrei abzuleiten, ist die Gleichtaktunterdrückungsverbindung bevorzugt aus geblechtem Kernmaterial gefertigt. Vorzugsweise ist die Gleichtaktunterdrückungsverbindung im Wesentlichen parallel zu einem der anderen Schenkel ausgerichtet. Dies ist vorteilhaft für einen kompakten Aufbau der Drossel.
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In einer Ausführungsform der Drossel ist der magnetische Pfad von dem ersten Joch über die Gleichtaktunterdrückungsverbindung zu dem zweiten Joch von magnetischen Ankopplungsspalten abgesehen magnetisch spaltfrei. In der Praxis ist es in vielen Fällen nicht möglich, einen Spulenkern vollständig spaltfrei auszuführen. Dies ist insbesondere der Fall, wenn einzelne Abschnitte eines magnetischen Kreises, wie etwa Joche und Schenkel oder dgl., miteinander verbunden werden, wobei sich im Allgemeinen unvermeidliche Ankopplungsspalte ergeben. Die Größe dieser Ankopplungsspalte hängt von der Präzision der Fertigung ab. Mit Ankopplungsspalt ist hier ein Spalt gemeint, der im Rahmen der angemessenen und/oder üblichen Fertigung von Drosselbauelementen unvermeidlich entsteht. Nicht spaltfrei ist dagegen eine Gleichtaktunterdrückungsverbindung, bei der die Ankopplungsspalte über das sich aus der Fertigung ergebende Maß hinaus vergrößert sind. Der Vorteil einer spaltfreien Gleichtaktunterdrückungsverbindung liegt darin, dass der magnetische Widerstand für den durch Gleichtaktstörungen erzeugten Magnetfluss geringst möglich sind. Dadurch steigt die Induktivität der Drossel gegenüber Gleichtaktstörungen. Alternativ zu einer spaltfreien Ausführung ist auch eine nicht spaltfreie Ausführungsform möglich, bei der der erfindungsgemäße Effekt durch eine Gleichtaktunterdrückungsverbindung im Vergleich zu einer Drossel ohne Gleichtaktunterdrückungsverbindung immer noch vorhanden ist.
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In einer weiteren Ausführungsform der Drossel weist die Gleichtaktunterdrückungsverbindung denselben magnetisch wirksamen Querschnitt auf wie einer der Schenkel mit einer der Spulen. Eine solche Ausführung kann Vorteile bezüglich der Fertigung haben, da zur Erzeugung der gleichen Geometrie unter Umständen gleiche Werkzeuge und Vorrichtungen verwendet werden können.
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In einer weiteren Ausführungsform der Drossel ist die Gleichtaktunterdrückungsverbindung als vierter Schenkel der Drossel ausgeführt. Ein solcher Schenkel stellt eine gerade Verbindung zwischen den beiden Jochen der Drossel dar. In Ausführungsbeispielen kann der vierte Schenkel auch mit Teilen des Jochs oder mit dem ganzen Joch einstückig ausgeführt sein.
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In einer weiteren Ausführungsform weist die Drossel genau vier oder genau fünf oder mehr als fünf Schenkel auf. Die Gleichtaktunterdrückungsverbindung kann durch einen oder mehrere parallel verlaufende Schenkel oder anders geformte Verbindungen der Joche gebildet sein. Durch die Anbringung mehrerer Schenkel an verschiedenen Positionen der Drossel kann durch Störströme entstehender magnetischer Fluss über möglichst kurze Wege von den Spulen abgeleitet und kurzgeschlossen werden. Die Verwendung von genau vier Schenkeln ist bezüglich des Herstellungsaufwandes und der Kosten vorteilhaft. Wird eine ebene Bauform einer Drossel verwendet, so bietet sich alternativ das Vorsehen von genau fünf Schenkeln an, da vorzugsweise die Spulen um die drei inneren Schenkel angeordnet werden können, während die beiden äußeren Schenkel als Gleichtaktunterdrückungsverbindungen fungieren.
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In einer weiteren Ausführungsform ist der vierte und/oder fünfte und/oder weitere Schenkel mit Schrauben an der Drossel befestigt. Eine Schraubverbindung ist einfach und kostengünstig herzustellen und hat weiter den Vorteil, dass die als Gleichtaktunterdrückungsverbindung wirkenden Schenkel fest an weitere Elemente der Spule wie etwa Joche oder spulentragende Schenkel gezogen werden können, wodurch sich möglichst kleine Ankopplungsspalte ergeben. Eine geeignete Vorspannung vermeidet zudem eine Geräuschentwicklung.
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In einer weiteren Ausführungsform der Drossel liegen alle Schenkel der Drossel in einer Ebene. Auf diese Weise können Bleche durch Stanzen oder dgl. hergestellt und gestapelt werden, wodurch sich ein kostengünstiger magnetischer Aufbau der Spule ergibt. Vorzugsweise sind dabei wenigstens zwei Schenkel parallel zueinander angeordnet.
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In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Wechselrichter mit einer Drossel nach einer der vorgenannten Ausführungsformen vorgeschlagen. In einer Ausführungsform des Wechselrichters ist die Drossel mit einem Wechselstromnetz verbunden. Vorzugsweise ist jede der Spulen der Drossel unmittelbar oder über weitere Bauteile mit einer Phase des Wechselstromnetzes verbunden. Bevorzugt ist die Drossel unmittelbar oder über weitere Bauteile mit Schaltelementen zur Wechselrichtung verbunden.
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In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Umrichter vorgeschlagen, der einen Wechselrichter nach einer der vorgenannten Ausführungsformen umfasst.
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In noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie vorgeschlagen, die mit einer Drossel und/oder einem Wechselrichter und/oder einem Umrichter nach einer der vorgenannten Ausführungsformen ausgestattet ist. Eine solche Energieerzeugungsvorrichtung kann beispielsweise eine Windkraftanlage, eine Photovoltaikanlage, ein Blockheizkraftwerk oder dgl. sein.
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In noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die Verwendung einer Drossel gemäß einer der vorgenannten Ausführungsformen für die Unterdrückung von Gleichtaktanteilen von elektrischer Energie bei deren Einspeisung in ein Wechselstromnetz vorgeschlagen. Durch den Einsatz einer solchen Drossel wird erreicht, dass das Gesamtsystem im Vergleich zum Stand der Technik kostengünstiger hergestellt werden kann. Zudem verbessert sich der Gesamtwirkungsgrad. In einem Beispiel kommt die Drossel in einem Wechselrichter und/oder Umrichter zum Einsatz, und in einem weiteren Beispiel wird die Drossel in einer Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie verwendet, wobei sie wiederum in einem Wechselrichter oder in einem Umrichter eingesetzt sein kann.
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Alternativ zum Einsatz in einem Dreiphasensystem kann die erfindungsgemäße Drossel, der Wechselrichter, der Umrichter und die Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie auch mit einer anderen Phasenanzahl, beispielsweise vier, fünf oder mehr Phasen vorgesehen sein. Statt drei Schenkel mit Spulen sind dann entsprechend der Anzahl der Phasen mehr Schenkel und Spulen vorhanden.
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Im Folgenden wird eine Ausführungsform der Erfindung beispielhaft an einer Figur beschrieben. Es zeigt:
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1 eine Ansicht einer erfindungsgemäßen Drossel.
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1 zeigt eine Drossel 1 in einer Frontansicht in der Ebene eines magnetischen Kreises der Drossel. Die Drossel 1 ist als Dreiphasen-Gleichtaktdrossel mit zusätzlichem viertem Schenkel 2 ausgeführt. Die Drossel 1 weist die Joche 3 und 4 auf, von denen das in der 1 obere Joch 4 von der Anschlussvorrichtung 5 verdeckt ist. Weiter weist die Drossel 1 drei Spulen 6, 7 und 8 auf, die jeweils um einen Schenkel 9, 10 bzw. 11 angeordnet sind. Vorzugsweise sind die Spulen 6, 7, 8 als Spulen 6, 7, 8 mit einer einzigen Wicklung ausgeführt. Von den Schenkeln 9, 10 und 11 sind nur die in Richtung des unteren Joches 3 über die Spulen 6, 7 und 8 hinausstehenden Abschnitte sichtbar. Die Joche 3 und 4 erstrecken sich in Längsrichtung des jeweiligen Jochs 3, 4 über den Außendurchmesser der äußeren Spule 8 hinaus (in der 1 nach rechts). Die beiden über den Außendurchmesser der Spule 8 hinausstehenden Enden der Joche 3 und 4 weisen eine ebene Anschlussfläche 12, 13 auf. Vorzugsweise sind die beiden Anschlussflächen 12 und 13 zueinander parallel ausgeführt. Auf den beiden Anschlussflächen 12 und 13 liegt der vierte Schenkel 2 auf. Der vierte Schenkel 2 weist an seiner Auflage an die Anschlussflächen 12 und 13 der Joche 3 und 4 ebenfalls jeweils eine ebene Auflagefläche 12, 13 auf. Die Auflageflächen 12, 13 des Jochs 2 sind an die Anschlussflächen 12 und 13 der Joche 3 und 4 mit Anpressvorrichtungen 14 und 15 angepresst. Die Anpressvorrichtungen 14 und 15 umfassen jeweils eine Lasche, die mit dem vierten Schenkel 2 verschraubt sind, sowie je eine weitere Lasche, die mit den Jochen 3 und 4 verschraubt ist, wobei die Lasche, die mit dem Joch 4 verschraubt ist, in 1 nur zu einem kleinen Teil sichtbar ist. Weiter umfassen die Anpressvorrichtungen 14 und 15 ein als Schraube ausgebildetes Anpressmittel, mit dem der vierte Schenkel 2 an die Anschlussflächen 12 und 13 der Enden der Joche 3 und 4 anpressbar ist. Vorzugsweise befinden sich zu den Anpressvorrichtungen 14 und 15 identische Anpressvorrichtungen auf der dem Betrachter abgewandten Seite der Drossel 1 an gleicher lateraler Position und mit gleichen Verschraubungen mit dem vierten Schenkel 2 und den Jochen 3 und 4. Durch die Anpressvorrichtungen 14, 15 wird ein möglichst kleiner Ankopplungsspalt 12, 13 an den Anpressflächen 12 und 13 realisiert. Vorzugsweise bestehen die Joche 3, 4, die Schenkel 9, 10 und 11 sowie der vierte Schenkel 2 aus geblechtem Material. Die Drossel 1 kann Teil eines Netzfilters sein.
