DE102013100769A1

DE102013100769A1 - Ausgangsstromfilter für einen Wechselrichter

Info

Publication number: DE102013100769A1
Application number: DE201310100769
Authority: DE
Inventors: Ghulam Rasool
Original assignee: SMA Solar Technology AG
Current assignee: SMA Solar Technology AG
Priority date: 2012-01-25
Filing date: 2013-01-25
Publication date: 2013-07-25

Abstract

Ausgangsstromfilter für einen Wechselrichter mit einer getakteten Wechselrichterbrücke, umfassend:
– eine erste Induktivität (31), die zwischen einem Eingangsanschluss (11) und einem ersten Ausgangsanschluss (21) des Ausgangsstromfilters angeschlossen ist,
– eine Reihenschaltung, umfassend eine zweite Induktivität (32) und einen ersten Kondensator (33), die zwischen dem ersten Ausgangsanschluss (21) und einem zweiten Ausgangsanschluss (22) angeordnet ist, wobei die erste Induktivität (31) und die zweite Induktivität (32) magnetisch gekoppelt sind,
dadurch gekennzeichnet, dass
– ein zweiter Kondensator (34) parallel zu der Reihenschaltung zwischen dem ersten und einem zweite Ausgangsanschluss (21, 22) angeordnet ist und
– ein magnetischer Kopplungsfaktor (k) zwischen der ersten Induktivität und der zweiten Induktivität (31, 32) zwischen 0,5 und 0,9 beträgt, wobei ein Kopplungsfaktor von 1 eine maximale Kopplung darstellt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Ausgangsstromfilter für einen Wechselrichter mit einer getakteten Wechselrichterbrücke. Der Ausgangsstromfilter umfasst eine erste Induktivität, die zwischen einem Eingangsanschluss und einem ersten Ausgangsanschluss des Ausgangsstromfilters angeschlossen ist sowie eine Reihenschaltung aus einer zweiten Induktivität und einem ersten Kondensator, die zwischen dem ersten und dem zweiten Ausgangsanschluss angeordnet ist. Dabei sind die erste und die zweite Induktivität magnetisch gekoppelt.
Wechselrichter werden beispielsweise in Energieversorgungsanlagen eingesetzt, wo sie der Umwandlung von Gleichstrom in einen bezüglich seiner Frequenz und Spannung zur Einspeisung in ein Energieversorgungsnetz geeigneten Wechselstrom dienen. Der Gleichstrom kann einem Energiespeicher, beispielsweise einer Batterieanordnung, entnommen werden oder von einem Generator, beispielsweise einem Photovoltaikgenerator, der eine Mehrzahl von Photovoltaikmodulen in einer Serien- und/oder Parallelschaltung umfasst, erzeugt werden.
Die Umwandlung kann in einen ein- oder mehrphasigen, insbesondere 3-phasigen Wechselstrom erfolgen. Dabei weist der Wechselrichter eine oder mehrere Wechselrichterbrücken auf, die üblicherweise mit Leistungshableiterschaltern bestückt sind und in einem Modulationsverfahren getaktet betrieben werden. Ein bekanntes und übliches Modulationsverfahren ist das Pulsweiten-Modulationsverfahren (PWM-Verfahren), das mit einer Taktfrequenz, also einer Anzahl von Schaltzyklen pro Sekunde, im Bereich von 1 Kilohertz bis zu einigen 10 Kilohertz betrieben wird. Am Ausgang stellt der Wechselrichter entsprechend ein getaktetes und seine Polarität wechselndes Gleichstromsignal bereit, das von einem Ausgangsstromfilter so geglättet wird, dass sich ein möglichst sinusförmiger Spannungsverlauf am Ausgang des Filters ergibt. Der Ausgangsstromfilter wird aus diesem Grund häufig auch als Sinusfilter bezeichnet.
Ein bekannter und häufig eingesetzter Ausgangsstromfilter besteht aus einer Induktivität, beispielsweise einer Spule, die zwischen einem Eingang und einem Ausgang des Filters angeordnet ist und einem zu zwei Ausgangsanschlüssen des Filters parallelen Kondensator. Ein solcher Filter wird im Folgenden auch als LC-Filter bezeichnet. Er stellt einen Tiefpassfilter zweiter Ordnung dar, der eine Resonanzüberhöhung bei einer (Eigen-)Resonanzfrequenz aufweist und bei Frequenzen, die deutlich höher als diese Resonanzfrequenz sind, eine monoton fallende Übertragungscharakteristik aufweist. Für einen Einsatz als Ausgangsstromfilter eines Wechselrichters wird dieser LC-Filter so dimensioniert, dass die Eigenresonanzfrequenz des Filters bei einer Frequenz oberhalb einer Grenzfrequenz liegt, die die für die Signalformung relevanten harmonischen Vielfachen der Netzfrequenz angibt, aber deutlich unterhalb der Schaltfrequenz der Wechselrichterbrücke, die – neben anderen Frequenzanteilen – im Ausgangssignal unterdrückt werden soll. Insbesondere bei Wechselrichterbrücken mit Schaltfrequenzen im Kilohertz-Bereich lässt sich durch einen derartigen LC-Filter häufig keine ausreichende Dämpfung bei der Schaltfrequenz erzielen, da diese zu nah an der Eigenresonanzfrequenz liegt, wenn diese entsprechend der durch die Netzfrequenz und ihre harmonische Vielfachen definierten Grenzfrequenz ausreichend hoch ausgelegt ist.
Aus der Druckschrift US 7,403,403 B2 ist ein Ausgangsstromfilter der eingangs genannten Art bekannt, bei dem wie bei einem LC-Filter eine erste Induktivität zwischen einem Eingangsanschluss und einem Ausgangsanschluss vorgesehen ist und parallel zu zwei Ausgangsanschlüssen eine Reihenschaltung aus einem Kondensator und einer weiteren Induktivität angeordnet ist. Die beiden Induktivitäten sind magnetisch miteinander gekoppelt, wobei ein möglichst hoher Kopplungsfaktor k im Bereich des idealen Kopplungsfaktors von k = 1 angestrebt ist. In der Übertragungscharakteristik zeigt auch dieser Ausgangsstromfilter eine Resonanzüberhöhung bei einer Eigenresonanzfrequenz, oberhalb derer die Übertragungsfunktion zunächst zu höheren Frequenzen hin abfällt. Zu weiter höheren Frequenzen hin durchläuft die Übertragungsfunktion dann ein scharf begrenztes Minimum, das auch als Dämpfungskerbe (Notch) bezeichnet wird. Zu weiter ansteigenden Frequenzen hin nähert sich die Übertragungsfunktion dann asymptotisch einem fest liegenden Grenzwert. Im Folgenden wird dieser Filter als „Notch-Filter“ bezeichnet.
Verglichen mit dem LC-Filter kann eine gezielte Dämpfung eines schmalen Frequenzbandes durch die Dämpfungskerbe erreicht werden, es stellt sich jedoch bezüglich der höherfrequenten Anteile keine breitbandige Tiefpass-Charakteristik mit monoton abfallender Übertragungscharakteristik ein. Bei einer Verwendung einer derartigen Filteranordnung als Ausgangsstromfilter eines getakteten Wechselrichters kann so beispielsweise eine gute Dämpfung bei der Schaltfrequenz oder bei einer ausgesuchten harmonischen Vielfachen der Netzfrequenz erreicht werden, jedoch unter Umständen keine ausreichende Dämpfung für harmonische Vielfache der Schaltfrequenz oder weitere, höherfrequente harmonische Vielfache der Netzfrequenz.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Ausgangsstromfilter für einen Wechselrichter mit einer getakteten Wechselrichterbrücke zu schaffen, der eine gegenüber dem bekannten LC-Filter verbesserte Dämpfung bei einer Schaltfrequenz der Wechselrichterbrücke aufweist und eine gute Dämpfungscharakteristik im höherfrequenten Bereich bietet.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Ausgangsstromfilter mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Erfindungsgemäß ist ein Ausgangsstromfilter der eingangs genannten Art dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Kondensator parallel zu der Reihenschaltung zwischen dem ersten und einem zweite Ausgangsanschluss angeordnet ist und ein magnetischer Kopplungsfaktor zwischen der ersten Induktivität und der zweiten Induktivität zwischen 0,5 und 0,9 beträgt, wobei ein Kopplungsfaktor von 1 eine maximale magnetische Kopplung mit voller gegenseitiger Durchsetzung der von den beiden Induktivitäten erzeugten magnetischen Flüsse darstellt. Durch die Ergänzung des „Notch-Filters“ um einen zweiten Kondensator parallel zu den Ausgangsanschlüssen und die Verringerung der magnetischen Kopplung in den genannten Bereich unter den maximalen Wert von 1 wird erreicht, dass der Filter oberhalb einer Schaltfrequenz eine Dämpfungskerbe aufweist und eine im hochfrequenten Bereich monoton abfallende Übertragungscharakteristik. Dabei wird durch einen Kopplungsfaktor zwischen 0,5 und 0,9 eine besonders geeignete Übertragungscharakteristik erzielt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Ausgangsstromfilters sind die erste Induktivität und die zweite Induktivität Spulen, die auf einen gemeinsamen Kern gewickelt sind. So kann auf einfache Weise eine magnetische Kopplung erreicht werden. Bevorzugt sind dabei Wicklungen der erste Induktivität und der zweiten Induktivität auf dem gemeinsamen Kern zur Einstellung des Kopplungsfaktors voneinander beabstandet ausgeführt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Ausgangsstromfilters weist die erste Induktivität einen größeren Induktivitätswert auf als die zweite Induktivität. Besonders bevorzugt ist der Induktivitätswert der ersten Induktivität um einen Faktor 10 bis 100 größer ist als der Induktivitätswert der zweiten Induktivität. Neben der Dämpfungskerbe weist der Ausgangsstromfilter zwei Resonanzmaxima auf, von denen eines bei einer Frequenz unterhalb und eines bei einer Frequenz oberhalb der Dämpfungskerbe liegt. Bei dem genannten Verhältnis der Induktivitätswerte ergibt sich eine für den Einsatzzweck günstige relative Lage der Resonanzstrukturen zueinander.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Ausgangsstromfilters ist in Reihe zu der zweiten Induktivität und dem ersten Kondensator ein Widerstand angeordnet. Durch den Widerstand kann eine Dämpfung in dem Zweig aus der zweiten Induktivität und dem ersten Kondensator erhöht werden, Dadurch kann zum einen eine unerwünscht hohe Resonanzüberhöhung im höherfrequenten Bereich verhindert werdend und zum anderen eine Zerstörung von Komponenten des Ausgangsstromfilters durch zu hohe Ströme im Resonanzfall verhindert werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Ausgangsstromfilters liegt ein Resonanzmaximum bei einer Frequenz oberhalb einer Grenzfrequenz, die dem 20-fachen der Grundfrequenz eines nachgeschalteten Energieversorgungsnetzes entspricht. Bevorzugt liegt die Dämpfungskerbe bei einer Frequenz zwischen dem 1,5-fachen und dem 3-fachen einer Schaltfrequenz eines vorgeschalteten Wechselrichters. Besonders bevorzugt liegt ein weiteres Resonanzmaximum bei einer Frequenz zwischen dem 5-fachen und dem 10-fachen der Schaltfrequenz des vorgeschalteten Wechselrichters. Eine derartige Auslegung der Komponenten des Wechselrichters resultiert in einer Übertragungscharakteristik, bei der sowohl relevante harmonische Vielfache der Grundfrequenz gut gedämpft werden, als auch die Schaltfrequenz des Wechselrichters und deren relevante, d.h. signalformbestimmende, harmonische Vielfache.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen mithilfe von sieben Figuren näher erläutert.
Es zeigen:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Ausgangsstromfilters,
2 und 3 beispielhafte Übertragungskennlinien des Ausgangsstromfilters gemäß 1 in einem Bode-Diagramm,
4 ein Vergleich der Übertragungskennlinien eines Ausgangsstromfilters gemäß 1 und eines LC-Filters,
5 ein Ausgangsstromfilter in einem weiteren Ausführungsbeispiel,
6 ein Vergleich der Übertragungskennlinien des Ausgangsstromfilters gemäß 5 mit der Übertragungskennlinie eines LC-Filters und
7 ein drittes Ausführungsbeispiel eines Ausgangsstromfilters.
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Ausgangsstromfilters für einen Wechselrichter mit getakteter Wechselrichterbrücke. Der dargestellte Ausgangsstromfilter, im Folgenden abgekürzt auch Filter genannt, ist zum Anschluss an einen einphasigen Wechselrichter geeignet bzw. zum Anschluss an eine Phase eines mehrphasigen Wechselrichters. Der Filter weist zwei Eingangsanschlüsse 11, 12 auf, an denen eine Eingangsspannung U_E anliegt. Mit den Eingangsanschlüssen 11, 12 ist der Filter im Betrieb mit dem Ausgang eines hier nicht dargestellten Wechselrichters verbunden.
Der Filter weist weiterhin Ausgangsanschlüsse 21, 22 auf, über die der Filter, gegebenenfalls über weitere Elemente wie Schaltorgane, Trenner oder Sicherungsorgane, mit einem Energieversorgungsnetz verbunden ist. Die Ausgangsanschlüsse 21, 22 sind mit einer Ausgangsspannung U_A beaufschlagt.
Während der Eingangsanschluss 12 unmittelbar mit dem Ausgangsanschluss 22 verbunden ist, ist zwischen dem Eingangsanschluss 11 und dem Ausgangsanschluss 21 eine erste Induktivität 31 angeordnet. Diese erste Induktivität 31 liegt folglich in einem stromdurchflossenen Pfad zwischen dem Wechselrichter und dem Energieversorgungsnetz. Der ersten Induktivität 31 in Energieflussrichtung nachgeordnet ist parallel zu den Ausgangsanschlüssen 21, 22 eine Reihenschaltung einer zweiten Induktivität 32 und eines ersten Kondensators 33 angeordnet. Ebenfalls parallel zu den Ausgangsanschlüssen 21 und 22 und somit auch parallel zu der vorgenannten Reihenschaltung ist ein zweiter Kondensator 34 geschaltet.
Die erste und die zweite Induktivität 31, 32 sind magnetisch miteinander gekoppelt über eine magnetische Kopplung 35. Diese magnetische Kopplung 35 ist beispielsweise dadurch realisiert, dass die erste und die zweite Induktivität 31, 32 jeweils als Spulenwicklungen ausgeführt sind, die auf einen gemeinsamen Kern aufgewickelt sind. Die beiden Wicklungen können beispielsweise übereinander oder nebeneinander auf den Kern aufgebracht sein. Von der eingangs genannten bekannten Ausführung eines Filters mit zwei gekoppelten Induktivitäten und einem Kondensator, im Folgenden auch als Notch-Filter mit Serienresonanzkreis bezeichnet, unterscheidet sich der anmeldungsgemäße Ausgangsstromfilter darin, dass die magnetische Kopplung 35 bewusst nicht maximal mit einem Kopplungsfaktor k < 1 ausgeführt ist, d.h. eine volle gegenseitige Durchsetzung der von den Induktivitäten 31, 32 erzeugten magnetischen Flüsse und damit eine ideale magnetische Kopplung mit einem maximalen Kopplungsfaktor von 1 wird bewusst nicht angestrebt.
2 zeigt in einem Bode-Diagramm in doppel-logarithmischer Auftragung eine Kennlinie 51 des Ausgangsstromfilters gemäß 1. Zum Vergleich ist eine weitere Übertragungskennlinie 41 eingezeichnet, die sich bei einem aus dem Stand der Technik bekannten und eingangs beschriebenen „Notch-Filter“ ergibt, also einem Filter ohne dem ausgangsseitigen Kondensator und mit einem Koppelfaktor von k = 1 zwischen den beiden Induktivitäten.
Auf der vertikalen Achse ist ein Übertragungsverhältnis A in Dezibel (dB) angegeben, das aus dem Quotienten der Amplitude der Ausgangsspannung U_A und der Amplitude der Eingangsspannung U_E des Filters gebildet ist. Auf der horizontalen Achse ist die Frequenz f in Hertz (Hz) angegeben. Auf dieser Frequenzachse sind charakteristische Frequenzen eingetragen, nämlich eine Grundfrequenz f₀ im Energieversorgungsnetz, auch Netzfrequenz genannt, die beispielsweise 50 Hertz beträgt. Weiterhin ist beispielhaft eine Frequenz f_h angegeben, die ein Vielfaches der Netzfrequenz f₀ beträgt und die eine Grenzfrequenz angibt, bis zu der Oberschwingungen, also harmonische Vielfache der Netzfrequenz f₀ noch ausreichend gedämpft werden sollen, um eine angemessen unverzerrte sinusförmiges Ausgangsspannung U_A zu erhalten.
Weiterhin ist als f_S bezeichnet die Schaltfrequenz der Wechselrichterbrücke eingetragen. Die Linie bei f_s/2 markiert entsprechend die halbe Schaltfrequenz. Die bei der halben Schaltfrequenz f_s/2 erreichte Dämpfung dient als ein Kriterium bei einer Auslegung der Größen der Komponenten des Ausgangsstromfilters.
Sowohl die Übertragungskennlinie 51 des Ausgangsstromfilters gemäß 1 als auch die Übertragungskennline 41 des bekannten „Notch-Filters“ zeigen im Bereich zwischen f_h und f_s/2 ein Resonanzmaximum, das auch als Eigenresonanzmaximum oder -peak bezeichnet wird. Bei dem anmeldungsgemäßen Ausgangsstromfilter werden die Charakteristika des Eigenresonanzpeaks im Wesentlichen durch die Größe der ersten Induktivität 31 und der Kapazität des zweiten Kondensators 34 bestimmt. Wie auch bei der Auslegung bekannter Filteranordnungen werden die Größen der Komponenten des Ausgangsstromfilters so gewählt, dass der Eigenresonanzpeak oberhalb der Grenzfrequenz f_h für die betrachteten Oberschwingungen der Netzfrequenz f₀ liegt und unterhalb der halben Schaltfrequenz f_s/2. Das letzere Kriterium stellt sicher, dass die Frequenz des Eigenresonanzmaximums ausreichend von der Schaltfrequenz f_s entfernt ist bzw. dass bei der Schaltfrequenz f_s eine ausreichende Dämpfung erzielt wird.
Anstelle der hier nur schematisch angegebenen Grenzfrequenz f_h können auch konkrete Mindestdämpfungswerte für verschiedene harmonische Vielfache der Grundfrequenz f₀ vorgegeben sein, beispielsweise von Netzbetreibern, die der Ausgangsstromfilter zu erreichen hat. Dabei können beispielsweise Frequenzen bis zum 40-fachen der Grundfrequenz f₀ berücksichtigt sein. In der Praxis ist es häufig ausreichend, Frequenzen bis zum 20-fachen der Grundfrequenz f₀ zu berücksichtigen und die Grenzfrequenz f_h entsprechend zu wählen.
Zu höheren Frequenzen hin zeigen beide Kennlinien 51, 41 ein monoton fallendes Verhalten, das oberhalb der Schaltfrequenz f_s in ein Resonanzminimum übergeht (Dämpfungskerbe, Notch-Linie).
Bei dem aus dem Stand der Technik bekannten Filter läuft die Übertragungskennlinie 41 bei weiter steigenden Frequenzen oberhalb der Dämpfungskerbe asymptotisch gegen einen konstanten Grenzwert.
Dagegen ist bei dem Filter gemäß 1 bei weiter steigenden Frequenzen oberhalb der Frequenz der Dämpfungskerbe ein weiteres Resonanzmaximum ausgebildet, und die Übertragungskennlinie geht zu noch höheren Frequenzen in einen monoton fallenden Verlauf über. Die Charakteristika beider Resonanzextrema, also der Dämpfungskerbe und des weiteren Resonanzmaximums, werden im Wesentlichen durch die Größe der zweiten Induktivität 32 und der Kapazität des zweiten Kondensators 33 bestimmt, wobei die relative Lage zwischen den Extremstellen zusätzlich von Kopplungsfaktor zwischen der ersten Induktivität 31 und der zweiten Induktivität 32 abhängt. Im dargestellten Fall liegt dieses weitere Resonanzmaximum ungefähr bei der 9-fachen Schaltfrequenz. Harmonische Oberschwingungen dieser Ordnung sind bereits so gering ausgeprägt, dass eine Resonanzüberhöhung in dem weiteren Resonanzmaximum nicht zu einer ungewünschten Verformung des Ausgangssignals des Filters führt.
Die Übertragungskennlinie 51 ist die einer Ausgestaltung des Ausgangsstromfilters gemäß 1, bei der der Kopplungsfaktor k zwischen der ersten Induktivität 31 und der zweiten Induktivität 32 einen Wert von k = 0,5 aufweist. Ein solcher, vom Maximalwert abweichender Kopplungsfaktor kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass Wicklungen der ersten Induktivität 31 und der zweiten Induktivität 32 zwar auf einem gemeinsamen Kern aufgebracht sind, jedoch beabstandet voneinander. Die Größe der magnetischen Kopplung 35 wird dann über den Abstand der Wicklungen beeinflusst. Weiterhin ist es denkbar, dass im Bereich zwischen den Wicklungen der gemeinsame Kern eine Einschnürung im Materialquerschnitt aufweist, der ebenfalls zu einer geringeren Kopplung führt.
Ergänzend wird angemerkt, dass eine Erweiterung des bekannten „Notch-Filters“ um einen ausgangsseitig parallel geschalteten Kondensator zu einer Übertragungskennlinie führen würde, die im Wesentlichen der Übertragungskennlinie 41 entspricht und die insbesondere einen ebenfalls asymptotisch auf einen konstanten Wert zulaufendes Hochfrequenzverhalten zeigt.
In 3 ist in gleicher Weise wie in 2 der Einfluss des Kopplungsfaktors k auf das Übertragungsverhalten des Ausgangsstromfilters gemäß 1 dargestellt. Neben den bereits aus 2 bekannten Übertragungskennlinien 41 und 51, die Kopplungsfaktoren von 1 bzw. 0,5 entsprechen, ist eine weitere Übertragungskennlinie 52 eingezeichnet, die einen Kopplungsfaktors von k = 0,8 wiedergibt, und zum Vergleich eine Übertragungskennlinie 42, bei der die Kopplung zwischen den Induktivitäten 31, 32 aufgehoben ist, was durch einen Kopplungsfaktor k = 0 beschreibbar ist. Insbesondere zeigt sich an der Übertragungskennlinie 42, dass bei Aufhebung der magnetischen Kopplung 35 zwar das gewünschte monoton abfallende Verhalten bei hohen Frequenzen erreicht wird, aber auch, dass sich bei der Schaltfrequenz f_s sowie deren ersten, d.h. kleinzahligen harmonischen Vielfachen eine weniger hohe Dämpfung ergibt, als bei einem Kopplungsfaktor k > 0. Umgekehrt zeigt sich das bereits im Zusammenhang mit 2 angegebene Verhalten, demzufolge ein zu hoher Kopplungsfaktor, beispielsweise ein Kopplungsfaktor von k = 1, dazu führt, dass zwar Frequenzanteile bei der Schaltfrequenz f_s und deren ersten harmonischen Vielfachen durch den Einfluss der Dämpfungskerbe besser gedämpft werden, jedoch das Hochfrequenzverhalten nicht monoton fallend ist, sondern sich asymptotisch ein fester Grenzwert einstellt. Es existiert folglich ein optimaler Kopplungsfaktor der größer Null und kleiner 1 ist, bei dem beide gewünschten Ziele in optimaler Weise erreicht werden. Anmeldungsgemäß liegt dieser optimale Kopplungsfaktor zwischen 0,5 und 0,9.
In 4 ist in gleicher Weise wie in den 2 und 3 in Form eines Bode-Plots die Übertragungscharakteristik eines anmeldungsgemäßen Ausgangsstromfilters gemäß 1 mit der eines bekannten LC-Filters verglichen. Die Übertragungskennlinie 53 ist dabei die des Ausgangsstromfilters gemäß 1 mit einem Kopplungsfaktor von k = 0,8.
Bis etwa zur halben Schaltfrequenz f_s/2 verlaufen beide Übertragungskennlinien 43, 53 vergleichbar. Bei der Schaltfrequenz f_s ist ein Dämpfungsgewinn von etwa 4 dB bei der Übertragungskennlinie 43 gegenüber der Übertragungskennlinie 53 für den anmeldungsgemäßen Ausgangsstromfilter zu erkennen. Die zweifache Schaltfrequenz 2f_s, die in der 4 ebenfalls eingezeichnet ist, liegt auf der hochfrequenzseitigen Flanke der Dämpfungskerbe, wodurch auch für die zweifache Schaltfrequenz 2f_s eine deutliche Erhöhung der Dämpfung erreicht wird.
Abgesehen von den resonanzartigen Strukturen bei höheren Frequenzen ist dann im Grenzverlauf zu hohen Frequenzen in beiden Fällen eine monoton fallende Dämpfung zu beobachten. Die Dämpfung ist absolut gesehen für den anmeldungsgemäßen Filter bei höheren Frequenzen kleiner als für den LC-Filter, jedoch ist die Steigung bei beiden für den Grenzverlauf hoher Frequenzen gleich. Hohe Frequenzen werden in beiden Fällen ausreichend gedämpft.
5 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines Ausgangsstromfilters. Gleiche Bezugszeichen kennzeichnen in diesem Ausführungsbeispiel gleiche oder gleichwirkende Elemente wie im Ausführungsbeispiel der 1. Vom Grundaufbau her entspricht der hier gezeigte Ausgangsstromfilter dem der 1, weswegen hiermit ergänzend zu den folgenden Ausführungen auf die Beschreibung zu 1 verwiesen wird.
Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel der 1 ist vorliegend die Reihenschaltung aus der zweiten Induktivität 32 und dem ersten Kondensator 33 um einen Widerstand 36 ergänzt. Die zweite Induktivität 32 und der erste Kondensator 33 bilden einen Serienschwingkreis, dessen Dämpfung durch die inhärent vorhandenen Innenwiderstände der Komponenten und Zuleitungen bestimmt ist. Der Widerstand 36 ermöglicht es, diese Dämpfung gezielt zu vergrößern.
In 6 ist die sich ergebende Übertragungscharakteristik des Ausgangsstromfilters der 5 als Übertragungskennlinie 54 dargestellt. Zum Vergleich ist die aus 4 bekannte Übertragungscharakteristik des LC-Filters als Übertragungskennlinie 43 eingetragen. Gegenüber der in der 4 dargestellten Übertragungskennlinie 53 des anmeldungsgemäßen Ausgangsstromfilters gemäß 1 mit Kopplungsfaktor k = 0,8 unterscheidet sich die Übertragungskennlinie 54 des Ausgangsstromfilters gemäß 5 mit einem von Null verschiedenen Widerstand 36 darin, dass die Resonanzstrukturen im höherfrequenten Bereich weniger deutlich ausgeprägt sind. Auf diese Weise kann eine unerwünschte Resonanzüberhöhung im höherfrequenten Bereich verhindert werdend, wobei jedoch die Dämpfungskerbe ebenfalls in ihrer Tiefe und Breite beeinträchtigt wird.
Weiterhin resultiert der von Null verschiedene Widerstand 36 in einer Verringerung des Stroms im Zweig der Reihenschaltung aus der zweiten Induktivität 32, dem ersten Kondensator 33 und dem Widerstand 36. Insbesondere im Bereich der Dämpfungskerbe könnte ein durch ungedämpfte Resonanzextrema hervorgerufener zu hoher Strom andernfalls zu einer Zerstörung der Komponenten führen.
In 7 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Ausgangsstromfilters dargestellt. Gleiche Bezugszeichen kennzeichnen auch hier gleiche oder gleich wirkende Elemente wie bei den vorherigen Ausführungsbeispielen.
Im Unterschied zu den Filtern der 1 und 5 ist der Filter der 7 zur Filterung eines dreiphasig einzuspeisenden Ausgangsstroms eingerichtet. Der Filter weist zu diesem Zweck drei Eingangsanschlüsse 11, 12, 13 und entsprechend drei Ausgangsanschlüsse 21, 22, 23 auf. Jeweils einer der Eingangsanschlüsse ist mit einem der Ausgangsanschlüsse über einen von drei gleichen ersten Induktivitäten 31 verbunden. Jeder der drei Ausgangsanschlüsse 21, 22, 23 ist über eine Reihenverschaltung aus jeweils einer zweiten Induktivität 32 und einem Widerstand 36 mit den Eckpunkten einer Dreiecksverschaltung aus drei ersten Kondensatoren 33 verbunden. Weiterhin ist jeder der Ausgangsanschlüsse 21, 22, 23 mit den Eckpunkten einer Dreiecksverschaltung aus drei zweiten Kondensatoren 34 verbunden. Die jeweils mit einer der Ausgangsanschlüsse 21, 22, 23 verbundenen ersten und zweiten Induktivitäten 31, 32 sind magnetisch miteinander gekoppelt, wobei die Kopplungsfaktoren jeweils auch hier kleiner als 1 sind. Die dargestellte Schaltung führt für alle drei Phasen, auf denen der Wechselrichter in das Energieversorgungsnetz einspeist, zu Übertragungskennlinien, die der in 6 gezeigten Übertragungskennlinie 54 entsprechen.
In einer hier nicht dargestellten Ausführungsform kann die in 7 dargestellte Topologie um jeweils eine dritte Induktivität ergänzt werden, die jeweils unmittelbar vor den Ausgangsanschlüssen 21, 22, 23 in Reihenschaltung zur ersten Induktivität 31 angeordnet ist. Diese dritte Induktivität führt zu insgesamt steileren Verläufen der Übertragungskennlinien. Gegebenenfalls kann diese dritte Induktivität durch eine Streuinduktivität eines nachgeschalteten Transformators gebildet sein.
Bezugszeichenliste

11, 12, 13: Eingangsanschluss
21, 22, 23: Ausgangsanschluss
31: erste Induktivität
32: zweite Induktivität
33: erster Kondensator
34: zweiter Kondensator
35: magnetische Kopplung
36: Widerstand
41, 42, 43: Übertragungskurve
51–54: Übertragungskurve

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 7403403 B2 [0005]

Claims

Ausgangsstromfilter für einen Wechselrichter mit einer getakteten Wechselrichterbrücke, umfassend: – eine erste Induktivität (31), die zwischen einem Eingangsanschluss (11) und einem ersten Ausgangsanschluss (21) des Ausgangsstromfilters angeschlossen ist, – eine Reihenschaltung, umfassend eine zweite Induktivität (32) und einen ersten Kondensator (33), die zwischen dem ersten Ausgangsanschluss (21) und einem zweiten Ausgangsanschluss (22) angeordnet ist, wobei die erste Induktivität (31) und die zweite Induktivität (32) magnetisch gekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, dass – ein zweiter Kondensator (34) parallel zu der Reihenschaltung zwischen dem ersten und einem zweite Ausgangsanschluss (21, 22) angeordnet ist und – ein magnetischer Kopplungsfaktor (k) zwischen der ersten Induktivität und der zweiten Induktivität (31, 32) zwischen 0,5 und 0,9 beträgt, wobei ein Kopplungsfaktor von 1 eine maximale magnetische Kopplung darstellt.
Ausgangsstromfilter nach Anspruch 1, bei dem die erste Induktivität (31) und die zweite Induktivität (32) Spulen sind, die auf einen gemeinsamen Kern gewickelt sind.
Ausgangsstromfilter nach Anspruch 2, bei dem Wicklungen der erste Induktivität (31) und der zweiten Induktivität (32) auf dem gemeinsamen Kern zur Einstellung des Kopplungsfaktors (k) voneinander beabstandet ausgeführt sind.
Ausgangsstromfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die erste Induktivität (31) einen größeren Induktivitätswert aufweist als die zweite Induktivität (32).
Ausgangsstromfilter nach Anspruch 4, bei dem der Induktivitätswert der ersten Induktivität (31) um einen Faktor 10 bis 100 größer ist als der Induktivitätswert der zweiten Induktivität (32).
Ausgangsstromfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem in Reihe zu der zweiten Induktivität (32) und dem ersten Kondensator (33) ein Widerstand (36) angeordnet ist.
Ausgangsstromfilter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem eine Übertragungsfunktion (51–54) ein Resonanzmaximum bei einer Frequenz aufweist, die oberhalb des 20-fachen einer Grundfrequenz (f₀) eines nachgeschalteten Energieversorgungsnetzes liegt.
Ausgangsstromfilter nach Anspruch 7, bei dem die Übertragungsfunktion (51–54) eine Dämpfungskerbe bei einer Frequenz aufweist, die zwischen dem 1,5-fachen und dem 3-fachen einer Schaltfrequenz eines vorgeschalteten Wechselrichters liegt.
Ausgangsstromfilter nach Anspruch 8, bei dem die Übertragungsfunktion (51–54) ein weiteres Resonanzmaximum bei einer Frequenz aufweist, die zwischen dem 5-fachen und dem 10-fachen der Schaltfrequenz des vorgeschalteten Wechselrichters liegt.