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Diese Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur wenigstens teilweisen Unterdrückung von Störströmen aus einem mit seinen Eingangsanschlüssen an ein erstes elektrisches Netz und mit seinen Ausgangsanschlüssen an ein zweites elektrisches Netz angeschlossenen Störungserzeuger, wobei die Schaltungsanordnung eine mehrphasige Störungsunterdrückungseinrichtung mit Phasenwicklungen für jede Phase aufweist, die magnetisch miteinander gekoppelt sind, wobei die Phasenwicklungen einen gemeinsamen Kern umgreifend angeordnet sind.
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Im Stand der Technik ist die Problematik bekannt, die Ausbreitung von Störungen zu unterdrücken, indem diese in Richtung einer zu schützenden elektrischen Einrichtung in ihrer Amplitude verringert werden. Diese Situation kommt in vielerlei elektrotechnischen Anwendungen vor, beispielsweise in Messgeräten, elektrischen Verbrauchern und insbesondere in der elektrischen Energietechnik. Hier sitzt ein Störungserzeuger häufig zwischen zwei Netzen, beispielsweise zwischen einem Gleichstromnetz, das etwa von einer Photovoltaikanlage gespeist wird, und einem Wechselstromnetz, etwa dem öffentlichen Stromnetz, in das die erzeugte Energie eingespeist werden soll. Zwischen diesen Netzen ist häufig ein Wechselrichter angeordnet, der die Gleichspannung zerhackt und auf diese Weise ein Wechselsignal erzeugt. Dabei entsteht eine Vielzahl von Störungen mit Frequenzen oberhalb der Grundfrequenz, insbesondere als Oberwellen der Grundfrequenz und bei der Zerhackerfrequenz und deren Vielfachen. Diese Störungen breiten sich in das Wechselstromnetz aus und können dort zu unerwünschten Effekten wie Überspannungen, Signalstörungen und dergleichen führen. Eine ähnliche Situation ergibt sich, wenn die energieerzeugende Einrichtung einen Wechselstrom liefert, wie etwa im Falle einer Windkraftanlage. In diesem Falle ist der Störungserzeuger im Allgemeinen ein Umrichter, der wiederum typischerweise aus einem Gleichrichter und einem Wechselrichter aufgebaut ist. Der Gleichrichter richtet den ankommenden Wechselstrom gleich, wobei der entstehende Gleichstrom wiederum von einem Wechselrichter in den gewünschten Wechselstrom umgerichtet wird. Beim Gleich- und Wechselrichten entstehen Oberwellen als Störungen. Gemäß dem Stand der Technik sind daher Drosseln und Kondensatoren zwischen dem Wechselrichter und das daran angeschlossene Netz geschaltet. Dabei bewirkt die lineare bzw. differentielle Induktivität der Drossel eine Reduzierung der Kommutierungsanteile. Weiter kann die Drossel ein Funktionselement eines Tief-, Hoch- oder Synchronstellers sein, der neben der Drossel Schalter des Wechselrichters und möglicherweise Dioden eines Gleichrichters umfasst. Auch in dieser Funktion entstehen durch das Schalten in einem der Stellertypen Störungen, deren Ausbreitungen auf den angeschlossenen Netzen zu verhindern ist. Typischerweise wird bei einem Wechselrichter, der eine sinusförmige Spannung für ein öffentliches Stromnetz erzeugen soll, ein bestimmtes Spannungsniveaus dadurch erzeugt, dass mit dem Tastverhältnis einer Rechteckspannung der Mittelwert der erzeugten Spannung und somit das Ausgangsspannungsniveau festgelegt wird. Dabei ist die Grundfrequenz des Rechtecksignals normalerweise erheblich höher als die Frequenz eines zu erzeugenden Sinusverlaufs. Das Tastverhältnis wird dabei dem gewünschten Verlauf der Sinusfunktion entsprechend durchgestimmt. Weil die Zerhackerfrequenz üblicherweise erheblich höher als die zu erzeugende Frequenz ist, kann die Erzeugung der Sinusfunktion als eine sinusförmig gesteurete DC/DC-Wandlung verstanden werden.
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Zwischen dem Gleichrichter und dem Wechselrichter liegt der Gleichstrom in einem Zwischenkreis vor, in den auch andere Energieerzeuger Gleichstrom einspeisen können. Dann ist es häufig erforderlich, auch die einzelnen Energieerzeugungseinrichtungen störungsmäßig voneinander zu entkoppeln. Auch dazu werden typischerweise Störungsunterdrückungseinrichtungen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 eingesetzt.
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Störströme unterscheiden sich von den gewünschten Nutzströmen meistens dadurch, dass sie eine andere Frequenz aufweisen und/oder auf andere Weise durch das Netz fließen als die Nutzströme. Häufig sind Störströme deutlich hochfrequenter als die Nutzströme. Nutzstrom fließt durch eine Leitung des Netzes in Richtung eines Verbrauchers, und durch eine zweite Leitung des Netzes Strom vom Verbraucher zurück. Diese Ströme sind typischerweise gleich groß und z. B. bei einem zweiphasigen Netz um 180° und bei einem dreiphasigen Netz um 120° phasenverschoben. Sie werden als symmetrische Ströme bezeichnet. Zusätzlich können weitere Stromanteile durch das Netz fließen, die als asymmetrische Ströme bezeichnet werden. Diese verursachen nicht selten unerwünschte Effekte auf elektrische Einrichtungen außerhalb des Netzes, weil sie unter Umständen dort zu ihrer Quelle, typischerweise einem Störungserzeuger, zurücklaufen.
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Zur Unterdrückung der vorgenannten Störungen sind Drosseln bekannt, die die besondere Eigenschaft haben, für symmetrische Ströme eine geringe und für asymmetrische Ströme eine hohe Impedanz aufzuweisen. Zugleich haben diese Drosseln auch die Wirkung einer herkömmlichen Drossel, nämlich für höhere Frequenzen eine höhere Impedanz bereitzustellen. Somit verringern sie sowohl asymmetrische Ströme, als auch hochfrequente Störungen aller Art. Bei typischen Anwendungen in der Energietechnik können dies die Oberwellen eines Wechselrichters sein. Physisch weisen solche Drosseln in einer Variante für jede zu drosselnde Phase eine Phasenwicklung auf einem eigenen Schenkel auf, wobei die Schenkel aller Phasenwicklungen an ihren beiden Enden jeweils mit einem Joch verbunden sind. Auf diese Weise wird ein gemeinsamer Kern der Phasenwicklungen gebildet. So sind die Phasenwicklungen magnetisch gekoppelt, wobei sich die magnetische Wirkung von symmetrischen Strömen insgesamt aufhebt. Bei einem störungsfreien Signal liegt somit zwischen den Jochen keine resultierende magnetische Durchflutung an. Wenn jedoch den symmetrischen Strömen Störströme überlagert sind, die nicht im symmetrisch fließen, so treten diese als resultierende magnetische Durchflutung in der Art der Störungen zwischen den Jochen der Drossel auf. In der
JP 2007-48897 A ist vorgeschlagen worden, zwischen den Jochen einer solchen Drossel einen weiteren Schenkel ohne Bewicklung vorzusehen, um mit diesen den magnetischen Widerstand zwischen den Jochen zu verringern. Da die resultierende magnetische Stördurchflutung durch diesen Schenkel kurzgeschlossen wird und der magnetische Widerstand über diesen abnimmt, steigt bei konstanter Windungsanzahl die Induktivität für Ströme auf den Phasenwicklungen, deren magnetische Wirkung den magnetischen Pfad über den zusätzlichen Schenkel nimmt. Somit werden entsprechende Störungen durch eine solche Drossel vermehrt unterdrückt. Dennoch ist es in vielen Fällen erforderlich, trotz dieser Störungsunterdrückung weitere Filterstufen vorzusehen, um eine ausreichende Störungsunterdrückung zu erreichen. Daher sind für die Lösungen nach dem Stand der Technik meist mehrere Drosseln und entsprechend hoher Anschlussaufwand sowie viel Bauraum erforderlich.
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Dennoch verbleibt auch bei dieser Lösung die Problematik, dass asymmetrische Störströme typischerweise über Masse und Erde zu dem Störungserzeuger zurücklaufen und dabei Störungen an Einrichtungen außerhalb des Netzes verursachen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, diesen Nachteil zu überwinden und eine Schaltungsanordnung anzugeben, die die Ausbreitung von Störströmen unterdrückt und dabei auch die Auswirkungen auf Einrichtungen außerhalb des Netzes durch über Masse oder Erde oder dergleichen rücklaufende Ströme zu verringern. Außerdem sollen der Bauraum, der Anschlussaufwand und der Materialaufwand für die zu verwendenden Drosseln verringert werden.
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Gegenstand der Erfindung ist eine Schaltungsanordnung, bei der die Störungsunterdrückungseinrichtung als Störunterdrückungstransformator ausgebildet ist, der wenigstens eine Störungsunterdrückungswicklung aufweist, die den gemeinsamen Kern der Phasenwicklungen umgreifend angeordnet ist, deren erster Wicklungsanschluss mit dem ersten elektrischen Netz und deren zweiter Wicklungsanschluss mit dem zweiten elektrischen Netz verbunden ist.
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Ein Teil der erfinderischen Idee liegt darin, die Eigenschaft einer mehrphasigen Drossel, magnetisch den symmetrischen Strom auf mehreren Phasen von asymmetrischen Stromanteilen zu separieren, dazu zu nutzen, diese asymmetrischen Anteile über einen zusätzlichen geschaffenen elektrischen Pfad von einem Netz auf einer Seite des Störungserzeugers zu einem Netz auf der anderen Seite des Störungserzeugers zurückzuführen und sie so zusätzlich einen Transformator darin zu integrieren. Der Pfad zwischen den beiden genannten Netzen führt dabei über wenigstens eine Störungsunterdrückungswicklung, die um den Kern der Drossel gewickelt ist. Wie in Ausführungsformen beschrieben ist, sind dabei die eine oder die mehreren Wicklungen und/oder magnetische Gestaltung des Kerns so ausgeführt, dass sie allein oder in Summe bewirken, dass die asymmetrischen Anteile auf den Phasen bevorzugt zum größten Teil nicht, jedoch wenigstens teilweise nicht durch die Phasenwicklungen fließen, sondern durch die Störungsunterdrückungswicklung fließen, um den Störungsstromkreis von einer Seite des Störungserzeugers zu dessen anderer Seite zu schließen. Um zu bewirken, dass sich die Störungen nicht über die Phasenwicklungen hinaus ausbreiten können, findet eine Wechselwirkung zwischen der Störungsunterdrückungswicklung und den Phasenwicklungen in der Art eines Transformators statt, jedoch mit der Besonderheit, dass nur die Anteile der Ströme in die Phasenwicklungen transformiert werden, die asymmetrische Anteile sind. Das Windungsverhältnis zwischen der Anzahl der Windungen der Primärwicklungen, die typischerweise gleich viele Windungen aufweisen, und der Anzahl der Windungen der Störungsunterdrückungswicklung wird so eingestellt, dass der durch die Störungsunterdrückungswicklung fließende Störmstrom in die Primärwicklungen eine Spannung mit dem Spannungsverlauf des Störstroms induziert, die der Störspannung, die an den Primärwicklungen anliegt, jeweils entgegengerichtet ist und im optimalen Fall die selbe Amplitude hat. Dazu müssen die Wicklungsrichtungen von Primärspulen und der Störungsunterdrückungswicklung sowie die Richtung der sie durchfließenden Ströme derart gestaltet sein, dass eine Gegenspannung entsteht.
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Dadurch wird der Fluss eines Störstroms über die Primärwicklungen im optimalen Fall verhindert oder zumindest vermindert. Vorteilhaft können dadurch weitere Filterstufen, wie etwa passive Filterstufen aus Kondensatoren und Spulen entfallen oder in der Anzahl verringert werden. Weiter bietet die vorgeschlagene Schaltungsandordnung den Vorteil, dass die Drossel mit integriertem Störungsunterdrückungstransformator auch die übliche Funktion einer linearen Drossel übernehmen kann. Im Vergleich zu einer herkömmlichen Lösung mit einzelner linearer Drosseln und einzelner Störungsunterdrückungsdrossel wird in erheblichem Ausmaß Anschlussaufwand eingespart. Zudem kann eine Drossel mit integriertem Störungsunterdrückungstransformator kostengünstiger hergestellt werden als zwei einzelne Drosseln. Alternativ oder zusätzlich zur Verwendung der Drossel als Kommutierungsdrossel, Filterdrossel oder Hochsetzdrossel, die direkt an einen Störungserzeuger wie einen Wechselrichter angeschlossen ist, kann die Drossel auch als Vordrossel mit zusätzlicher Störungsunterdrückungsfunktion durch einen integrierten Störungsunterdrückungstransformator verwendet werden. Bestenfalls sind außer der Drossel mit integriertem Störungsunterdrückungstransformator keinerlei weitere Störungsunterdrückungsmaßnahmen und besonders bevorzugt auch keine weiteren Induktivitäten erforderlich.
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In einer Ausführungsform weist die Störungsunterdrückungswicklung einen Leitungsquerschnitt auf, der geringer ist als ein Leitungsquerschnitt einer Phasenwicklung geteilt durch die Anzahl der Windungen der Störungsunterdrückungswicklung und multiplitziert mit der Anzahl der Windungen der Phasenwicklung. Die Störströme übertragen im allgemeinen weniger Leistung als die Nutzströme. Somit kann die Drossel mit integriertem Störungsunterdrückungstransormator mit weniger Kupfer aufgebaut werden als ein Leistungstransformator mit ähnlichem Aufbau.
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Der Störungsstrom ist auf den Phasen, die an den Störungserzeuger angeschlossen sind, vorhanden, und muss, damit er über die Störungsunterdrückungswicklung fließen kann, aus wenigstens einer der Phasen abgezweigt werden. Da der Störstrom zur anderen Seite des Störungserzeugers zurückfließen möchte, wird eine entsprechende Verbindung geschaffen. In einer Ausführungsform wird einer der Wicklungsanschlüsse der Störungsunterdrückungswicklung über einen Kondensator mit einer Phase verbunden, um die Gleichanteile voneinander zu trennen. Ein Gleichstrom über die Störungsunterdrückungswicklung kann zu einer Offset-Magnetisierung des Kerns führen, sodass er ohne den oder die Kondensatoren größer ausgelegt werden müsste, damit er nicht in die Sättigung geht. In vielen Fällen dient ein Gleichspannungs-Zwischenkreis als erstes elektrisches Netz der Speisung eines Wechselrichters, der aufgrund dieser Energiezufuhr die Nutzströme und die Störströme erzeugt. Die leistungsführenden Potentiale des Zwischenkreises werden im Rahmen dieser Anmeldung ebenfalls als Phasen bezeichnet, auch wenn sie keine Wechselspannung führen. Alternativ kann der Wicklungsanschluss auch mit einem Potential, das mit einer Phase verbunden ist und auf dem sich die Störströme ausbreiten, oder mit Masse oder Erde verbunden sein. Es ist denkbar, den Kondensator zwischen der Störungsunterdrückungswicklung und dem ersten elektrischen Netz an der Eingangsseite des Störungserzeugers anzuschließen. Alternativ oder zusätzlich kann ein Kondensator zwischen der Störungsunterdrückungswicklung und dem zweiten Netz an der Ausgangsseite des Störungserzeugers angeschlossen werden.
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In einer weiteren Ausführungsform wird der Kondensator zwischen einer Phasenwicklung der Drossel und einem Anschluss des Störungserzeugers angeschlossen. Dies hat den Vorteil, dass zumindest ein größerer Teil des Störstroms über den Kondensator abfließt, sodass er durch die in die Phasenwicklungen induzierte Gegenspannung oder in vermindertem Ausmaß oder sogar überhaupt nicht durch die Phasenwicklungen fließt. Somit können die Phasenwicklungen mit geringerem Leitungsquerschnitt ausgeführt werden, da sie weniger Strom führen müssen. Außerdem wird eine Ausbreitung der Störung über die Drossel hinaus durch die Störstromrückführung schon vor der Drossel vermindert.
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In einer weiteren Ausführungsform der Schaltungsanordnung ist einer der Wicklungsanschlüsse der Störungsunterdrückungswicklung über mehrere Kondensatoren mit dem ersten oder dem zweiten elektrischen Netz verbunden, wobei jeweils ein Anschluss der Kondensatoren mit einer Phase des Netzes verbunden ist und die anderen Anschlüsse der Kondensatoren zusammengeschaltet und an den Wicklungsanschluss der Störungsunterdrückungswicklung angeschlossen sind. Auf diese Weise wird durch die Kondensatoren an dem Anschluss der Störungsunterdrückungswicklung ein Sternpunkt bzw. ein Nullpotential gebildet. Vorzugsweise haben die Kondensatoren wenigsten näherungsweise gleiche Kapazität, sodass eine möglichst optimales Nullpotential gebildet wird. Die über die Kondensatoren übertragenen symmetrischen Anteile der Phasen wie auch der Störungen heben sich in dem Nullpotential wenigstens näherungsweise auf, so dass hier nur oder fast nur die von symmetrischem Phasenstrom abweichenden Störgrößen als Störspannungen bzw. Störströme erscheinen. Diese werden sodann über die Störungsunterdrückungswicklung zu der anderen Seite des Störungserzeugers geleitet. Besonders bevorzugt ist jeder der Kondensatoren zwischen dem Störungserzeuger und der Drossel an eine Phase des ersten oder des zweiten Netzes angeschlossen. Alle Kondensatoren sind auf der gleichen Seite des Störungserzeugers mit einer der dort vorhandenen Phasen verbunden. Zugleich können die Kondensatoren, die ein Nullpotential erzeugen, als X-Kondenstoren wirken, durch die zusätzlich hochfrequente symmetrische Störstromanteile auf den Phasen unterdrückt werden. Außerdem können die Kondensatoren zusätzlich als Y-Kondensatoren wirken, wenn die Störungsunterdrückungswicklung mit Messe oder Erde verbunden ist.
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In einer Weiterbildung dieser Ausführungsform ist jeweils einer der Wicklungsanschlüsse einer Störungsunterdrückungswicklung an einen von mehreren Kondensatoren gebildeten Sternpunkt bzw. ein Nullpotential des ersten oder/und des zweiten elektrischen Netzes angeschlossen. Auf diese Weise ist die Störungsunterdrückungswicklung gleichspannungsmäßig von beiden Netzen entkoppelt und zudem fließen nur Störströme über die Störungsunterdrückungswicklung. Vorzugsweise wird eine Störungsunterdrückungswicklung mit Masse oder Erde verbunden, besonders bevorzugt über einen passiven Parallelschwingkreis mit einem Kondensator und einer Drossel.
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In einer weiteren Ausführungsform der Schaltungsanordnung umgreift die Störungsunterdrückungswicklung einen Abschnitt des Kerns, der auch von einer Phasenwicklung umgriffen ist, wobei insbesondere jeder Abschnitt des Kerns, der von einer Phasenwicklung umgriffen ist, auch von einer Störungsunterdrückungswicklung umgriffen ist. Dies bedeutet zum Beispiel, dass auf jedem Schenkel, der eine Phasenwicklung trägt, auch eine Störungsunterdrückungswicklung angeordnet ist. Damit existieren vorzugsweise ebenso viele Störungsunterdrückungswicklungen wie Phasenwicklungen. Mit dieser Anordnung ist es möglich, die Störungsunterdrückungswicklung, vorzugsweise über einen Kondensator, mit der Phase zu verbinden, die über die Phasenwicklung läuft, die auf demselben Schenkel wie die Störungsunterdrückungswicklung angeordnet ist. Gleiches kann auch für die anderen Störungsunterdrückungswicklungen und ihre jeweilige Phasenwicklungen, die jeweils auf einem gemeinsamen Schenkel angeordnet sind, vorgesehen sein. Auf diese Weise wird jeder Störungsunterdrückungswicklung nur der Störstrom zugeordnet, der über die Primärwicklung auf demselben Schenkel des magnetischen Kerns der Drossel wirksam ist. Somit kann eine zugeordnete Induktion einer Gegenspannung in jeder einzelnen Phase stattfinden. Da die Schenkel magnetisch miteinander verbunden sind und die Wirkung der durch Störstrom mittels der Störungsunterdrückungswicklungen erzeugten magnetischen Induktion in dem ganzen Kern zu finden ist, ist es sogar denkbar, den Störstrom über eine Störungsunterdrückungswicklung von einer Phase abzuzweigen, deren Phasenwicklung auf einem anderen Abschnitt des Kerns angeordnet ist. In allen vorgenannten Varianten dieser Ausführungsform sind weitere magnetische Maßnahmen, wie etwa ein zusätzlicher Schenkel über die Anzahl der Phasen hinaus, nicht erforderlich. Da die Störanteile im Allgemeinen deutlich geringere Ströme und Spannungen als der Nutzanteil aufweisen, kann die Störungsunterdrückungswicklung für erheblich kleinere Leistungen als die Primärwicklung ausgelegt sein. Insbesondere wäre eine Störungsunterdrückungswicklung vorzugsweise nicht in der Lage, als Sekundärwicklung eines herkömmlichen Transformators zum Transformieren der Leistung in dessen Primärwicklung zu arbeiten. Derartiger Aufwand für entsprechend große Wicklungen und ausreichend Kernquerschnitt ist vorteilhaft nicht erforderlich. Die Anschlüsse der Störungsunterdrückungswicklungen, die nicht an die Phasenwicklungen des Störungsunterdrückungstransformators angeschlossen sind, sind vorzugsweise zusammengeschlossen und an ein Nullpotential, das von Kondensatoren an den Phasen an der anderen Seite des Störungserzeugers gebildet wird, angeschlossen.
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In einer weiteren Ausführungsform der Schaltungsanordnung weist der Kern des Störungsunterdrückungstransformators mehrere Schenkel auf, die jeweils von einer Phasenwicklung umgriffen sind und die magnetisch parallel geschaltet sind, und weist zusätzlich wenigstens einen Störungsunterdrückungsschenkel auf, der zu den Schenkeln mit Phasenwicklungen magnetisch parallel geschaltet ist, wobei der Störungsunterdrückungsschenkel von einer Störungsunterdrückungswicklung umgriffen ist. Die symmetrischen Anteile der Ströme auf den Phasenwicklungen löschen sich magnetisch an magnetischen Summationspunkten des Kerns gegenseitig aus. Typischerweise sind die magnetischen Summationspunkte als Joche ausgebildet, die die Schenkel jeweils an einem Ende verbinden.
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Da die Störströme üblicherweise erheblich geringer als die Nutzströme sind, kann die Störungsunterdrückungswicklung für erheblich geringere Leistung als die Phasenwicklungen ausgelegt sein. Entsprechend kann die Störungsunterdrückungswicklung einen geringeren Leitungsquerschnitt aufweisen als ein Querschnitt, der für einen Strom mindestens erforderlich wäre, der im Verhältnis der Windungszahl einer der Phasenwicklungen zu der Windungzahl der Störungsunterdrückungswicklung zu dem Strom in der Phase steht, was der Funktionsweise eines herkömmlichen Transformators entspräche. Wie schon zuvor in Bezug auf die Ausführungsform mit einer Störungsunterdrückungswicklung auf demselben Schenkel jeder der Phasenwicklungen diskutiert, kann die Störungsunterdrückungswicklung mit wenigstens einem ihrer Wicklungsanschlüsse an einen Sternpunkt oder ein Nullpotential auf einer Seite des Störungserzeugers, bevorzugt an beiden Seiten des Störungserzeugers, angeschlossen sein. Hierdurch werden Potentialunterschiede zwischen den Nutzspannungen in den Netzen voneinander getrennt, da in den Sternpunkten bzw. auf den Nullpotentialen nur die Störspannungen erscheinen.
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In einer Variante sind auf dem Störungsunterdrückungsschenkel nicht nur eine, sondern mehrere Störungsunterdrückungswicklungen angeordnet, deren Anzahl der Anzahl der Phasen des Drossel entspricht. Je ein Wicklungsanschluss jeder der Störungsunterdrückungswicklungen ist mit je einer der Phasen auf der Seite des Störungserzeugers verbunden, auf der auch die Drossel angeordnet ist, vorzugsweise jeweils über einen Kondensator. In den Phasenwicklungen wird durch den Stromfluss durch die Störungsunterdrückungswicklung eine Gegenspannung durch die Störströme in den Störungsunterdrückungswicklungen induziert, die dazu führt, dass ein Großteil der Störströme, statt über die Phasenwicklungen zu fließen, aus der Phase abgezweigt wird und über die Störungsunterdrückungswicklung zu der anderen Seite des Störungserzeugers fließt. Bei einem Anschluss der Störungsunterdrückungswicklungen mit einem Wicklungsende an die Phasen der Drossel ohne einen dazwischenliegenden Kondensator ist besonders bevorzugt das andere Wicklungsende mit dem Netz auf der anderen Seite des Störungserzeugers über wenigstens einen Kondensator verbunden, besonders bevorzugt durch eine Sternschaltung von je einem Kondensator pro Phase, die vorzugsweise gleiche Kapazität haben. Bei dieser Variante fließen auch die symmetrischen Störstromanteile über die Störungsunterdrückungswicklung, sodass in den Phasenwicklungen eine entsprechende Gegenspannung für diese Anteile induziert wird.
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In einem weiteren Aspekt wird die Schaltungsanordnung zur wenigstens teilweisen Unterdrückung der Übertragung von Störungen aus einem oder mehreren elektrischen Versorgernetzen in ein oder mehrere elektrische Abnehmernetze wenigstens eine Schaltungsanordnung nach einer der vorangehend beschriebenen Ausführungsformen in einem Versorgernetz und/oder in einem Abnehmernetz angeordnet verwendet. Dadurch kann z. B. das öffentliche Netz von Störungen aus der Stromerzeugung, insbesondere beim Wechselrichten zum Erzeugen der Netzfrequenz, weitgehend von Störungen freigehalten werden. In einer weiteren Verwendung der Schaltungsanordnung kann die Schaltungsanordnung nach einer der vorangehend beschriebenen Ausführungsformen dazu genutzt werden, mehrere Stromerzeuger oder Stromabnehmer wie etwa elektrische Antriebe störungsmäßig voneinander zu entkoppeln. Sie können dann elektrische Energie in ein gemeinsames Zwischennetz speisen, ohne einander gegenseitig zu stören. In einer Variante der gemeinsamen Einspeisung in ein Zwischennetz kann auf eine Schaltungsanordnung nach einer der vorbeschriebenen Ausführungsformen in einem Zweig zu einem der Energieerzeuger verzichtet werden. Dessen Störungen dürfen sich in dieser Variante auf dem Zwischennetz ausbreiten. Die anderen Energieerzeugungseinrichtungen sind durch ihre jeweiligen Störungsunterdrückungseinrichtungen nach einer der vorgenannten Schaltungsanordnungen von dem Zwischennetz störungsentkoppelt, so dass sich die Störungen darauf nicht auswirken. Dasselbe Prinzip ist auch auf Energieabnehmer anwendbar.
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In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine mehrphasige Störungsunterdrückungseinrichtung für eine Schaltungsanordnung nach einer der vorangehend diskutierten Ausführungsformen vorgeschlagen, die Störströme aus einem mit seinen Eingangsanschlüssen an ein erstes elektrisches Netz und mit seinen Ausgangsanschlüssen an ein zweites elektrisches Netz angeschlossenen Störungserzeuger unterdrückt. Dazu weist die Störungsunterdrückungseinrichtung für jede Phase eine Phasenwicklung auf, wobei alle Phasenwicklungen magnetisch miteinander gekoppelt sind, indem die Phasenwicklungen einen gemeinsamen Kern umgreifend angeordnet sind. Die Störungsunterdrückungseinrichtung weist wenigstens eine Störungsunterdrückungswicklung auf, die einen Teil des gemeinsamen Kerns der Phasenwicklungen umgreift. Wie schon in Bezug auf die Schaltungsanordnung ausgeführt wurde, ist eine solche Störungsunterdrückungseinrichtung dazu geeignet, die Ausbreitung von Störungen von einem Störungserzeuger auf ein elektrisches Netz zumindest teilweise zu verhindern. Diesem Aspekt kommt außerdem unabhängige Bedeutung zu. Seine unabhängige Beanspruchung wird vorbehalten.
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In einer Ausführungsform der Störungsunterdrückungseinrichtung ist ein Leitungsquerschnitt der Störungsunterdrückungswicklung geringer als der Leitungsquerschnitt der Phasenwicklung, und zwar näherungsweise in dem Verhältnis geringer, in dem der symmetrische Nutzstrom auf einer der Phasen und der Störstrom auf der Störungsunterdrückungswicklung zueinander stehen, oder geringer als dies, z. B. um √3 geringer als das vorgenannte Verhältnis. Ein solcher Querschnitt ist ausreichend, um die Störströme aus der Phase aufzunehmen und abzuleiten; und unter Umständen reicht bei einem dreiphasigen Störungsunterdrückungstransformator 1/√3 des Durchschnitts aus, weil sich Teile der Störungen z. B. statistisch aufheben. In einer Variante kann sicherheitshalber ein etwa um die Hälfte größerer Leitungsquerschnitt vorgesehen werden, als oben vorgeschlagen, oder ein doppelt so großer Leitungsquerschnitt, oder ein dreifach größerer Leitungsquerschnitt. In einer Ausführungsform weist die Störungsunterdrückungswicklung weniger Kupfer oder anderes elektrisch leitfähiges Metall auf als eine Phasenwicklung auf, vorzugsweise weniger als die Hälfte, bevorzugt weniger als ein Drittel und besonders bevorzugt weniger als ein Viertel. Der Kern zählt nicht zur Wicklung. In einer weiteren Ausführungsform der Störungsunterdrückungseinrichtung kann die Störungsunterdrückungswicklung einen geringeren Leitungsquerschnitt aufweisen als ein Querschnitt, der für einen Strom mindestens erforderlich wäre, der im Verhältnis der Windungszahl einer der Phasenwicklungen zu der Windungszahl der Störungsunterdrückungswicklung zu dem Strom in der Phase steht, was der Funktionsweise eines herkömmlichen Transformators entspräche.
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In einer weiteren Ausführungsform der Störungsunterdrückungseinrichtung umgreift die Störungsunterdrückungswicklung einen Abschnitt des Kerns, den auch eine Phasenwicklung umgreift. Auf diese Weise können Störungen auf jeder Phase einzeln abgegriffen und über die jeweilige Störungsunterdrückungswicklung auf demselben Abschnitt abgeleitet werden.
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In einer weiteren Ausführungsform der Störungsunterdrückungseinrichtung weist der Kern des Störungsunterdrückungstransformators mehrere Schenkel auf, von denen mehrere von jeweils einer der Phasenwicklungen umgriffen sind, und die magnetisch parallel geschaltet sind. Zu diesen Schenkeln ist in magnetischer Parallelschaltung ein weiterer Schenkel als Störungsunterdrückungsschenkel angeordnet, der von wenigstens einer Störungsunterdrückungswicklung umgriffen ist. Auf diese Weise wird wie oben beschrieben die magnetische Durchflutung zwischen Summationspunkten der Magnetisierungen der Schenkel mit den Phasenwicklungen genutzt, um über den Störungsunterdrückungsschenkel ausschließlich magnetische Flüsse zu leiten, die keinen symmetrischen Stromanteilen auf den Phasenwicklungen entsprechen. Durch entsprechende Beschaltung der Störungsunterdrückungswicklung kann auch hier bewirkt werden, dass in die Phasenwicklungen eine den Störungen entgegengerichtete Spannung in die Phasenwicklungen induziert wird, so dass die Ausbreitung über den Störungsunterdrückungstransformator hinweg be- oder verhindert wird.
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In einer weiteren Ausführungsform der Störungsunterdrückungseinrichtung ist der Störungsunterdrückungsschenkel von einer Anzahl von einzelnen Störungsunterdrückungswicklungen umgriffen, die der Anzahl der Phasenwicklungen des Störungsunterdrückungstransformators entspricht.
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In einem weiteren Aspekt wird die Störungsunterdrückungseinrichtung in der elektrischen Energietechnik verwendet, besonders bevorzugt bei der Einspeisung von elektrischer Energie in Versorgungsnetze und/oder Entnahme von Energie aus Versorgungsentzen und bei der Störungsentkopplung von Energieerzeugern und/oder Energieabnehmern. Vorteile ergeben sich aus der Integration mehrerer Funktionen in ein Bauteil. In den genannten Bereichen werden z. T. sehr große Bauelemente verwendet, sodass signifikant Anschlussaufwand und Bauraum eingespart werden könne.
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Im Folgenden werden Ausführungsformen der Erfindung beispielhaft anhand der Figuren beschrieben, in denen
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1 eine Ausführungsform der Schaltungsanordnung zeigt, mit der ein Stromerzeuger von einem Abnehmernetz störungsentkoppelt,
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2 eine Ausführungsform der Schaltungsanordnung zeigt, in denen zwei Elektromaschinen an einem Versorger- oder Abnehmernetz angeschlossen und voneinander und von dem Netz störungsentkoppelt sind,
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3a eine Seitenansicht einer zweiphasigen Drossel mit integriertem Störungsunterdrückungstransformator zeigt,
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3b einen Querschnitt durch die zweiphasige Drossel aus 3a zeigt,
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4a eine Seitenansicht einer dreiphasigen Drossel mit integriertem Störungsunterdrückungstransformator zeigt und
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4b einen Querschnitt durch die dreiphasige Drossel aus 4a zeigt.
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In 1 ist schematisch ein Schaltplan einer Ausführungsform der Schaltungsanordnung 1 gezeigt. Ein Generator 2 erzeugt elektrische Energie, die als Gleichspannung vorliegt und in einen Zwischenkreis mit den Potentialen 3 und 4 eingespeist wird. Zwischen den Potentialen 3 und 4 ist ein Zwischenkreiskondensator 5 angeordnet, der hochfrequente Störungen auf dem Zwischenkreis wenigstens teilweise kurzschließt. Weiter ist zwischen die Potentiale 3 und 4 des Zwischenkreises eine dreiphasige H-Brücke mit sechs Halbleiterschaltern 6 geschaltet. Von den Halbleiterschaltern 6 sind jeweils zwei in Reihe zwischen die Potentiale 3 und 4 geschaltet. Die Ansteuerung von einem von zwei in Reihe geschalteten Halbleiterschaltern 6 findet invertiert zu dem anderen dieser beiden Halbleiterschalter 6 statt, so dass im Betrieb jeweils einer der Halbleiterschalter 6 geöffnet und einer geschlossen ist. Die Halbleiterschalter 6 werden jeweils vollständig durchgeschaltet. Dadurch kann auf dem Mittenabgriff zwischen zwei in Reihe geschalteten Halbleiterschaltern 6 entweder das Potential 3 oder das Potential 4 abgegriffen werden. Die Potentiale an den Verbindungstellen von je zwei in Reihe geschalteten Halbleiterschaltern 6 bilden drei Phasen L1, L2 und L3 des wechselgerichteten Stroms. Die Halbleiterschalter 6 werden mit erheblich höherer Frequenz als die Grundfrequenz des zu erzeugenden Ausgangssignals auf den Phasen geschaltet. Die Ansteuerung der H-Brücke 7 ist so ausgelegt, dass die drei Zweige mit jeweils zwei Halbleiterschaltern 6 auf den Phasen L1, L2 und L3 einen Drehstrom mit um 120° verschobener Phasenlage erzeugt. Um die erforderlichen Spannungsniveaus für das auszugebende Sinussignal aus den Phasen L1, L2 und L3 zu erzeugen, wird das Tastverhältnis des die Halbleiterschalter 6 schaltenden Ansteuerungssignals in seinem Tastverhältnis so angepasst, dass dieses im gleichen Rhythmus wie der gewünschte Ausgangsstrom sinusförmig verlauf. Auf diese Weise ergibt sich als Mittelwert der Ausgangsspannung aus dem Wechselrichter 7 das gewünschte Sinussignal als Mittelwert. Um ein sauberes Sinussignal zu erhalten und den Mittelwert zu bilden, können die hochfrequenten Anteile auf den Phasen L1, L2 und L3 entfernt und die Signale so geglättet werden. Dies wird mit einer Filterstufe 8 erreicht, die drei Kondensatoren 9 und eine Drossel mit integriertem Störungsunterdrückungstransformator 10 aufweist. Die Kondensatoren 9 haben gleiche Kapazität und sind jeweils mit einem Anschluss an eine der Phasen L1, L2 und L3 angeschlossen. Die anderen Anschlüsse der Kondensatoren 9 sind zusammengeschlossen und bilden einen Sternpunkt mit Nullpotential. Die symmetrischen Spannungen auf den Phasen löschen sich aus und erscheinen nicht in dem Nullpotential.
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Das Potential 11 an dem Sternpunkt ist an eine Störungsunterdrückungswicklung 12 angeschlossen, die über einen magnetischen Kern 13 mit drei Phasenwicklungen 14 der Drossel 10 magnetisch verbunden ist. Über die drei Phasenwicklungen 14 verläuft jeweils eine der Phasen L1, L2 und L3. Das zweite Ende der Störungsunterdrückungswicklung 12 ist mit der Seite des Wechselrichters 7 verbunden, auf der auch der Generator 2 angeordnet ist. Dazu sind zwischen den Potentialen 3 und 4 zwei Kondensatoren 15 angeordnet, wobei ein Anschluss der Störungsunterdrückungswicklung 12 an dem Potential zwischen den beiden Kondensatoren 15 angeschlossen ist.
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Die Funktion des Wechselrichters 7, aus dem Gleichstrom auf den Potentialen 3 und 4 ein dreiphasiges Wechselsignal zu erzeugen, verursacht zugleich Störungen als Oberwellen der zu erzeugenden Grundfrequenz und Störungen mit Zerhackerfrequenz und deren Vielfachen. Die Störspannung baut sich dabei zwischen dem Zwischenkreis mit den Potentialen 3 und 4 sowie dem wechselgerichteten Strom auf den Phasen L1, L2 und L3 auf. Über den Rückschluss 16 zwischen der Störungsunterdrückungswicklung 12 und dem Mittenpotential zwischen den Kondensatoren 15 wird der Stromkreis, der von den Störspannungen getrieben wird, geschlossen. Wäre der Rückschluss 16 nicht vorhanden, müssten die Störströme über parasitäre Kapazitäten von den Phasen in Erde 18 koppeln und von dort zu den Potentialen 3 und 4 zurücklaufen. Der zur Verbesserung dieser Situation vorgesehene Stromkreis 23 zur Störstromableitung verläuft von den Halbleiterschaltern 6 über die Phasen L1, L2 und L3 bis zu der Abzweigung der Kondensatoren 11. Von den Kondensatoren 11 verläuft der Störstromkreis weiter durch die Störungsunterdrückungswicklung 12 und dem Rückschluss 16 zu dem Mittenpotential zwischen den Kondensatoren 15 wie oben erwähnt ist jeweils einer der Halbleiterschalter 6 geschlossen. Der Rückschluss zu den Halbleiterschaltern 6 findet über die für entsprechenden Wechselstrom ausreichend durchlässigen Kondensatoren 15 statt. Die Kondensatoren 15 schaffen in Bezug auf Wechselstrom ein Nullpotential zwischen den Potentialen 3 und 4. Die Störungsunterdrückungswicklung 12 ist somit zwischen ein Nullpotential der Phasen L1, L2 und L3 sowie ein zweites Nullpotential zwischen den Potentialen 3 und 4 geschaltet. Um ein Potential festzulegen, ist der Rückschluss über einen Parallelschwingkreis 19 mit einer Drossel und einem Kondensator an Erde 18 gebunden. Die erhöht außerdem die Impedanz für Störstrom über Erde 18. Der Parallelschwingkreis 19 weist dabei bevorzugt bei der Frequenz auf den Phasen L1, L2 und L3 eine geringe Impedanz auf, während er für andere Frequenzen, insbesondere die Störfrequenzen, eine hohe Impedanz aufweist.
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Da sich an dem von den Kondensatoren geschaffenen Nullpunkt 11 die Arbeitsspannungen auf den Phasen L1, L2 und L3 auslöschen, kann nur Störstrom über die Störungsunterdrückungswicklung 12 fließen. Der Störstrom durch die Störungsunterdrückungswicklung 12 induziert über magnetische Wirkung des gemeinsamen Kerns 13 eine Gegenenergie in die Phasenwicklungen 14, die dazu führt, dass eine Gegenspannung in die Phasenwicklungen 14 induziert wird, die der Störspannung, die Störstrom durch die den oben beschriebene unerwünschte Rückschlussschleife über Erde 18 treibt, entgegenwirkt. Daher fließt hierüber kein oder nur wenig Störstrom.
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In einer Variante der Schaltungsanordnung kann zwischen das Netz 17 und die Drossel mit integriertem Störungsunterdrückungstransformator 10 eine herkömmliche Netzfilterstufe 20 geschaltet sein. Diese umfasst drei X-Kondensatoren 21 und drei Einzeldrosseln 22. Diese sind so abgestimmt, dass sie für die Störsignale eine merkliche Impedanz darstellen.
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In der 2 ist als weitere Ausführungsform eine Schaltungsanordnung 30 zur Unterdrückung der Ausbreitung von Störungen auf ein Versorgungsnetz 17 und zur Störungsentkopplung von elektrischen Verbrauchern, hier Elektromotore 31 und 32, schematisch als Schaltplan dargestellt. Sinn der Schaltungsanordnung ist es, zwei dreiphasige Elektromotore 31 und 32 mit elektrischer Energie aus dem Versorgungsnetz 17 zu versorgen. Dabei ist zwischen dem Versorgungsnetz 17 und den Elektromotore 31 und 32 ein Umrichter 33 angeordnet, so dass die Elektromotore 31 und 32 mit von der Netzfrequenz des Netzes 17 verschiedenen Frequenzen versorgt werden können. Der Umrichter 33 umfasst einen Zwischenkreis mit Potentialen 34 und 35, zwei Wechselrichter 36 und 37, deren Aufbau dem Wechselrichter 7 aus der 1 entspricht und an die die Elektromotore 31 und 32 angeschlossen sind, sowie einen Gleichrichter 38, an den drei Phasen des Versorgungsnetzes 17 angeschlossen sind. In einer Variante können die Wechselrichter 36 und 37 auch als Gleichrichter und der Gleichrichter 38 auch als Wechselrichter betrieben werden. Auf diese Weise ist es möglich, mechanische Energie mittels Generatorbetrieb der Elektromotore 31 und 32 in das Netz zurückzuspeisen. Sowohl beim Versorgungsbetrieb als auch bei dem optionalen Rückspeisebetrieb der Elektromotore 31 und 32 entstehen durch das Schalten der Gleich- bzw. Wechselrichter Störungen, insbesondere Oberwellen der erzeugten Frequenz sowie Störungen mit Schaltfrequenz der Gleich- bzw. Wechselrichter und deren Oberwellen. Um die Ausbreitung dieser Störungen zu verhindern oder zu vermindern sind in die Schaltungsanordnung 30 zwei erfindungsgemäße Schaltungsanordnungen als Störungsunterdrückungsanordnung integriert. Eine davon ist zwischen dem Gleichrichter 38 und dem Netz 17 angeordnet, während die andere zwischen dem Wechselrichter 37 und dem Elektromotor 32 angeordnet ist. Zwischen dem Wechselrichter 36 und dem Elektromotor 31 ist keine solche Störungsunterdrückungsanordnung angeordnet. Die beiden Störungsunterdrückungsanordnungen sind jeweils an den Zwischenkreis mit den Potentialen 34 und 35 über die zwei Kondensatoren 15 angeschlossen. Die Kondensatoren 15 sind wie in 1 in Reihe geschaltet und der Rückfluss aus den Störungsunterdrückungsanordnungen erfolgt in die Verbindungsstelle zwischen den Kondensatoren 15. Die Kondensatoren 9 sind zwischen einer Drossel mit integriertem Störungsunterdrückungstransformator 10 und dem zugeordneten Gleichrichter 38 bzw. Wechselrichter 37 angeordnet. Die Kondensatoren 9 sind jeweils mit einem Anschluss an eine der Phasen angeschlossen. Die Wirkung der Störungsunterdrückungsanordnung in Richtung des Netzes 17 bewirkt, dass Störungen, die der Umrichter 33 erzeugt, das Netz 17 nicht oder in nur geringem Ausmaß erreichen. Die andere Störungsunterdrückungsanordnung zwischen dem Motor 32 und dem Wechselrichter 37 bewirkt, dass die Motoren 31 und 32 störungsmäßig voneinander entkoppelt sind.
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In einer Variante kann zwischen die Störungsunterdrückungseinrichtung zwischen dem Gleichrichter 38 und dem Netz 17 zur sich eine herkömmliche Filterstufe geschaltet sein, die X-Kondensatoren 39 und eine Vordrossel 40 umfasst. Damit können verbleibende Störungen weiter unterdrückt werden.
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3a zeigt eine zweiphasige Drossel mit störungsunterdrückendem Transformator 50 in einer Seitenansicht. Ein Kern 51 ist von einer Phasenwicklung 52 umgriffen. 3b zeigt einen Querschnitt der Drossel 50 in 3a in einem Schnitt A-A. Der Kern 51 weist drei Schenkel 53, 54 und 55 auf. Die Schenkel 53, 54 und 55 sind an einem ihrer Enden mit dem Joch 56 und an ihrem anderen Ende mit dem Joch 57 magnetisch miteinander verbunden. Die Schenkel 54 und 55 sind jeweils von einer Phasenwicklung 52 umgriffen. Der Schenkel 53 ist von einer Störungsunterdrückungswicklung 58 umgriffen. Die Störungsunterdrückungswicklung 58 weist einen kleineren Leitungsquerschnitt als die Phasenwicklungen 52 auf. Vorzugsweise ist der Leitungsquerschnitt der Störungsunterdrückungwicklung 58 kleiner als der Leitungsquerschnitt einer der Phasenwicklungen 52 geteilt durch die Anzahl der Windungen der Störungsunterdrückungswicklung 58 und multipliziert mit der Anzahl der Windungen der Phasenwicklung 52. In den Schenkeln 54 und 55 sind jeweils mehrere Luftspalte 59 angeordnet. Diese dienen der Anpassung des magnetischen Widerstands in den Schenkeln 54 und 55. Dadurch kann eine Charakteristik der Drossel 50 eingestellt werden.
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4a zeigt eine Seitenansicht einer dreiphasigen Drossel mit integriertem störungsunterdrückendem Transformator 50 in einer Seitenansicht. In 4b ist ein Schnitt A-A durch die Drossel 50 gezeigt. Die dreiphasige Drossel unterscheidet sich von der in den 3a und 3b dargestellten zweiphasigen Drossel durch eine Erweiterung des Kerns 51 um einen weiteren Schenkel 60, der von einer weiteren Phasenwicklung 52 umgriffen ist. Elemente und Merkmale der dreiphasigen Drossel 50, die mit Elementen und Merkmalen in den 3a und 3b identisch sind, sind mit den selben Bezugsziffern bezeichnet. Die diesbezügliche Beschreibung der 3a und 3b soll für die 4a und 4b mit gelten. Der zusätzliche Schenkel 60 ist ebenfalls mit seinen Enden an die Joche 56 und 57 angeschlossen. Der Schenkel 60 umfasst wie die Schenkel 54 und 55 magnetische Spalte, mit denen der magnetische Widerstand des Schenkels 60 eingestellt werden kann. Vorzugsweise ist der magnetische Widerstand in den Schenkeln 54, 55 und 60 gleich. Dies gilt analog auch für die in den 3a und 3b dargestellte zweiphasige Ausführungsform.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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