DE102014115782A1

DE102014115782A1 - Wechselrichter und Drossel zur Unterdrückung von Gleichtaktstörungen

Info

Publication number: DE102014115782A1
Application number: DE102014115782.6A
Authority: DE
Inventors: Carsten Ewig
Original assignee: SMA Solar Technology AG
Current assignee: SMA Solar Technology AG
Priority date: 2014-10-30
Filing date: 2014-10-30
Publication date: 2016-05-04
Also published as: WO2016066484A2; WO2016066484A3

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wechselrichter mit mindestens einer Wechselrichterbrücke (4) sowie einer der Wechselrichterbrücke (4) vorgeschalteten Gleichstromdrossel zur Unterdrückung von Gleichtaktstörungen auf Gleichstromleitungen des Wechselrichters und einer der mindestens einen Wechselrichterbrücke (4) nachgeschalteten Wechselstromdrossel zur Unterdrückung von Gleichtaktstörungen auf Wechselstromleitungen des Wechselrichters, wobei die Gleichstromdrossel mindestens zwei magnetisch gekoppelte Gleichstromwicklungen (101, 102) aufweist, die jeweils einem Gleichstromanschluss der Wechselrichterbrücke (4) vorgeschaltet sind, und wobei die Wechselstromdrossel mindestens zwei magnetisch gekoppelte Wechselstromwicklungen (104, 105) aufweist, die jeweils einem Wechselstromausgang der Wechselrichterbrücke (4) nachgeschaltet sind. Der Wechselrichter zeichnet sich dadurch aus, dass die mindestens zwei Gleichstromwicklungen (101, 102) und die mindestens zwei Wechselstromwicklungen (104, 105) untereinander magnetisch gekoppelt sind. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Drossel (100) zur Unterdrückung von Gleichtaktstörungen bei einem Leistungswandler.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wechselrichter mit mindestens einer Wechselrichterbrücke, wobei eine eingangsseitige Gleichstromdrossel zur Unterdrückung von Gleichtaktstörungen auf Gleichstromleitungen des Wechselrichters und eine ausgangsseitige Wechselstromdrossel zur Unterdrückung von Gleichtaktstörungen auf Wechselstromleitungen des Wechselrichters vorgesehen ist. Jede der Drosseln weist mindestens zwei Wicklungen auf, die untereinander magnetisch gekoppelt sind. Jede der Wicklungen der Gleichstromdrossel ist einem Eingang der Wechselstrombrücke vorgeschaltet und jede der Wicklungen der Wechselstromdrossel ist einem Ausgang der Wechselrichterbrücke nachgeschaltet. Die Erfindung betrifft weiterhin eine zur Verwendung in einem Leistungswandler geeignete Drossel zur Unterdrückung von Gleichtaktstörungen.
Wechselrichter der genannten Art werden als Leistungswandler beispielsweise in Photovoltaikanlagen (PV-Anlagen) zur Umwandlung eines von einem Photovoltaikgenerator (PV-Generator) bereit gestellten Gleichstroms in einen zur Einspeisung in ein Energieversorgungsnetz konformen Wechselstrom verwendet. Zu diesem Zweck werden Schaltorgane der Wechselrichterbrücke gemäß einem Modulationsverfahren, meist einem Pulsweitenmodulationsverfahren (PWM), geeignet angesteuert (getaktet), um den zugeführten Gleichstrom in Wechselstrom zu wandeln. Die Taktung der Schaltorgane erfolgt dabei mit einer Frequenz, die um ein Vielfaches höher ist als die Frequenz des erzeugten Wechselstroms, die nachfolgend auch als Netzfrequenz bezeichnet wird. Zur Glättung des Stromverlaufs und zur Erzeugung eines möglichst sinusförmigen vom Wechselrichter abgegebenen Stroms ist der Wechselrichterbrücke üblicherweise ein Wechselstromfilter, auch Sinusfilter genannt, nachgeschaltet. Zusätzlich ist die eingangs genannte Wechselstromdrossel vorhanden, mit der insbesondere Gleichtaktstörungen, also Störungen, die sich durch einen gleichsinnigen Stromfluss auf den Wechselstromanschlussleitungen des Wechselrichters auszeichnen, unterdrückt werden. Derartige Gleichtaktstörungen können beispielsweise durch die Taktung der Schaltorgane der Wechselrichterbrücke hervorgerufen werden. Ohne Unterdrückung durch die ausgangsseitigen Wechselstromdrosseln würden die Gleichtaktstörungen eine hochfrequente elektromagnetische Verunreinigung (EMV) für das Energieversorgungsnetz darstellen.
Eingangsseitig ist bei Wechselrichtern, insbesondere bei Wechselrichtern für PV-Anlagen, häufig ein Gleichstromwandler, auch DC (direct current)/DC-Wandler genannt, als Gleichstromeingangsstufe der Wechselrichterbrücke vorgeschaltet. Zwischen dem DC/DC-Wandler und der Wechselrichterbrücke ist häufig ein Zwischenkreis mit einem Zwischenkreiskondensator angeordnet. Der DC/DC-Wandler dient einer Spannungsanpassung der von den PV-Generatoren erzeugten Gleichspannung an eine von der Wechselrichterbrücke als Eingangsspannung benötigte Gleichspannung. Zur Spannungsanpassung werden beispielsweise Hoch- und/oder Tiefsetzsteller verwendet, die ebenfalls ein getaktetes Schaltorgan in Verbindung mit einer Induktivität und/oder einer Kapazität aufweisen. Die Taktung der Schaltorgans des DC/DC-Wandlers führt zu EMV-Störungen an den Gleichstromeingangsanschlüssen des Wechselrichters, die durch die eingangs genannte Gleichstromdrossel möglichst unterdrückt werden.
Grundsätzlich können die genannten Gleichtaktstörungen in Leistungswandlern auftreten, die getaktete Schaltorgane aufweisen und Gleichstrom in Wechselstrom oder umgekehrt wandeln. Dazu gehören neben Wechselrichtern auch Leistungswandler, die mit entgegengesetzter oder bidirektionaler Leistungsflussrichtung arbeiten, also beispielsweise Schaltnetzteile oder Batterielade- und -entladewandler.
Die genannten Drosseln erzielen die jeweilige Unterdrückung von Gleichtaktstörungen durch eine magnetische Kopplung ihrer jeweiligen Wicklungen, wobei die beiden jeweiligen Wicklungen derart gewickelt bzw. angeschlossen sind, dass sich durch Gegentaktströme induzierte Magnetfelder jeweils aufheben, so dass die Drosseln keine bzw. eine möglichst kleine Induktivität für Gegentaktströme darstellen. Dagegen addieren sich durch Gleichtaktströme von den Wicklungen induzierte Magnetfelder jeweils konstruktiv, so dass die Drosseln für Gleichtaktströme eine hohe Induktivität darstellen und somit die zeitliche Variation von Gleichtaktströmen entsprechend stark dämpfen.
Aus der Druckschrift EP 2525482 A1 ist beispielsweise ein Wechselrichter bekannt, der gleichstromseitig einen DC/DC-Wandler und wechselstromseitig eine Wechselrichterbrücke aufweist. Es sind mindestens zwei Drosseln zur Unterdrückung von Gleichtaktstörungen vorgesehen, von denen mindestens eine dem DC/DC-Wandler vorgeschaltet ist und mindestens eine der Wechslrichterbrücke nachgeschaltet ist. Jede der Drosseln weist einen Kern auf, der die jeweiligen Wicklungen magnetisch miteinander koppelt. Die Verwendung von mindestens zwei derartigen Drosseln in einem Wechselrichter ist jedoch material- und kostenaufwendig, erhöht das Gewicht des Wechselrichters und benötigt einen großen Bauraum.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Wechselrichter zu schaffen, bei dem eine effektive Unterdrückung von Gleichtaktstörungen sowohl auf der Gleichstromeingangs- als auch auf der Wechselstromausgangsseite mit geringerem Material und Kostenaufwand sowie geringerem Platzbedarf gegeben ist. Es ist eine weitere Aufgabe, eine für einen derartigen Wechselrichter geeignete Drossel zur Unterdrückung von Gegentaktstörungen bereit zu stellen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Wechselrichter bzw. eine Drossel für einen Wechselrichter mit den jeweiligen Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltung und Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Ein erfindungsgemäßer Wechselrichter der eingangs genannten Art zeichnet sich dadurch aus, dass die mindestens zwei Gleichstromwicklungen und die mindestens zwei Wechselstromwicklungen untereinander magnetisch gekoppelt sind. Bei einem erfindungsgemäßen Wechselrichter sind somit faktisch alle Wicklungen untereinander magnetisch gekoppelt, wodurch sowohl Gegentaktstörungen innerhalb der einzelnen Zweige (DC bzw. AC) kompensiert werden, als auch Störungen kompensiert werden können, die auf der DC- und der AC-Seite korreliert vorliegen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Wechselrichters sind die mindestens zwei DC-Wicklungen und die mindestens zwei AC-Wicklungen auf einem gemeinsamen Kern angeordnet und bilden so eine kombinierte Drossel. Der gemeinsame Kern benötigt ein geringeres Kernvolumen als separate Kerne für eine DC-seitige und eine AC-seitige Drossel, wodurch Material und damit Kosten, Gewicht und Platz eingespart werden.
Dabei kann jede der Wicklungen auf einem separaten Abschnitt des gemeinsamen Kerns angeordnet sein. Alternativ kann vorgesehen sein, dass sich die Wicklungen auf dem gemeinsamen Kern ganz oder teilweise überlappen, wobei im Überlappungsbereich zwischen einer der Gleichstromwicklungen und einer der Wechselstromwicklungen eine Isolationsschicht angeordnet ist. Bevorzugt sind dabei die Gleichstromwicklungen überlappend in einem Bereich des gemeinsamen Kerns und die Wechselstromwicklungen in einem anderen Bereich des gemeinsamen Kerns angeordnet. Auf die beschriebenen Arten kann jeweils eine magnetische Kopplung bei gleichzeitig geeigneter galvanischer Trennung mit ausreichender Isolationsfestigkeit erzielt werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Wechselrichters sind eine der Gleichstromwicklungen und eine der Wechselstromwicklungen überlappend in einem Bereich des gemeinsamen Kerns und die andere der Gleichstromwicklungen und die andere der Wechselstromwicklungen überlappend in einem anderen Bereich des Kerns angeordnet. Bei dieser Anordnung können die von den Wechselstrom- bzw. Gleichstromwicklungen erzeugten Magnetfelder sich jeweils optimal kompensieren und Streufelder minimiert werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Wechselrichters ist der gemeinsame Kern der kombinierten Drossel ein Ringkern. Ein Ringkern bietet bei geringem Materialeinsatz eine gute magnetische Kopplung der Wicklungen bei gleichzeitig geringen Streufeldern.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Wechselrichters sind die magnetische Kopplung und Wicklungsrichtungen der Gleichstromwicklungen und der Wechselstromwicklungen derart ausgelegt, dass phasengleich durch die Gleichstromleitungen und die Wechselstromleitungen fließende Gleichtaktströme Magnetfelder im Kern erzeugen, die sich konstruktiv addieren. Auf diese Weise werden neben den Gegentaktstörungen der einzelnen Seiten (DC bzw. AC) auch Gleichtaktstörungen besonders effektiv kompensiert, die auf der DC- und der AC-Seite korreliert vorliegen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Wechselrichters ist zwischen Gleichstromanschlüssen des Wechselrichters und den Gleichstromanschlüssen der Wechselrichterbrücke ein DC/DC-Wandler und ein Zwischenkreis angeordnet ist, wobei die Gleichstromwicklungen dem DC/DC-Wandler vorgeschaltet oder nachgeschaltet sind. Die Vorteile der magnetischen Kopplung der DC-Wicklungen und der AC-Wicklungen lassen sich so bei einem Wechselrichter mit vorgeschaltetem DC/DC-Wandler nutzen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Wechselrichters weist der gemeinsame Kern einen Mittelschenkel auf und ist als EI-, EE-, FF-, UIU- oder CIC-Kern ausgebildet. Bevorzugt ist dabei eine weitere Windung auf dem Mittelschenkel angeordnet. Die weitere Wicklung kann über eine Ansteuerschaltung mit dem Zwischenkreis verbunden sein, wodurch etwaige Asymmetrien der Magnetfelder im Kern der Drossel durch geeignete Bestromung mit einem Wechselstrom ausgeglichen werden können. Die Ansteuerschaltung kann die weitere Wicklung aktiv mithilfe einer Verstärker- bzw. Treiberschaltung ansteuern, die über Filter o.ä. mit dem Zwischenkreis verbunden ist. Alternativ kann die Ansteuerschaltung auch mithilfe von passiven Komponenten, also beispielsweise Widerständen und/oder Kondensatoren, aufgebaut sein. Auch ist es denkbar, anstelle oder zusätzlich zu der hier gezeigten Ansteuerung der weitere Wicklung zum Ausgleich von Asymmetrien, die weitere Wicklung zur Messung der Asymmetrie der Magnetfelder im Kern der Drossel zu verwenden.
Eine erfindungsgemäße Drossel zur Unterdrückung von Gleichtaktstörungen bei einem Leistungswandler weist mindestens zwei Gleichstromwicklungen und mindestens zwei Wechselstromwicklungen auf, wobei die mindestens zwei Gleichstromwicklungen und die mindestens zwei Wechselstromwicklungen auf einem gemeinsamen Kern angeordnet sind. Durch die Anordnung der DC- und der AC-Wicklungen auf einem Kern werden diese untereinander magnetisch gekoppelt. Es ergeben sich die im Zusammenhang mit dem Wechselrichter beschriebenen Vorteile.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Drossel ist der gemeinsame Kern ein Ringkern. Ebenfalls vorteilhaft überlappen sich die Wicklungen auf dem gemeinsamen Kern ganz oder teilweise, wobei im Überlappungsbereich zwischen einer der Gleichstromwicklungen und einer der Wechselstromwicklungen eine Isolationsschicht angeordnet ist. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung überlappen die Gleichstromwicklungen in einem Bereich des gemeinsamen Kerns und die Wechselstromwicklungen sind in einem anderen Bereich des gemeinsamen Kerns angeordnet. Auch ist es möglich, dass eine der Gleichstromwicklungen und eine der Wechselstromwicklungen in einem Bereich des gemeinsamen Kerns überlappend und die andere der Gleichstromwicklungen und die andere der Wechselstromwicklungen in einem anderen Bereich des Kerns überlappend angeordnet sind. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Drossel weist der gemeinsame Kern einen Mittelschenkel auf, auf dem eine weitere Windung angeordnet ist. Auch bei diesen Ausgestaltungen ergeben sich die im Zusammenhang mit dem Wechselrichter beschriebenen Vorteile.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Drossel sind die Gleichstromwicklungen dazu eingerichtet sind, mit Gleichstromleitungen eines Leistungswandlers verbunden zu werden, und die Wechselstromwicklungen dazu eingerichtet, mit Wechselstromleitungen eines Leistungswandlers verbunden zu werden. Unter einer Gleichstromwicklung im Sinne der Anmeldung ist dabei eine zum Einschleifen in einen Gleichstromkreis eingerichtete Wicklung zu verstehen. Entsprechend bezeichnet eine Wechselstromwicklung eine zum Einschleifen in einen Wechselstromkreis eingerichtete Wicklung. Die Einrichtung einer Wicklung kann sich dabei auf die gewählte Windungszahl, den Querschnitt der Wicklung und das verwendete Isolationsmaterial der Wicklung, aber auch auf die Positionierung der Wicklung und insbesondere ihrer Anschlüsse auf bzw. an dem Kern beziehen.
Bevorzugt weisen die Gleichstromwicklungen und die Wechselstromwicklungen jeweils zwei Enden auf, wobei die Enden der Gleichstromwicklungen auf einer ersten Seite der Drossel und die Enden der Wechselstromwicklungen auf einer der ersten Seite gegenüberliegenden Seite der Drossel angeordnet sind. Eine derartig ausgestaltete Drossel eignet sich besonders gut zum Einbau in einen Wechselrichter, da die Gleich- und die Wechselstromwicklungen über entsprechend räumlich voneinander getrennte Anschlüsse verfügen. Eine geeignete Isolationsgüte zwischen der Gleich- und der Wechselstromseite ergibt sich dabei bereits durch den mechanischen Aufbau der Drossel. Die Position und ggf. auch Markierung von Anschlüssen hilft zudem, Verdrahtungsfehler beim Zusammenbau von Geräten zu vermeiden und somit Normen im Rahmen der Isolationskoordination einzuhalten.
Die Erfindung wird nachfolgend genannt von Ausführungsbeispielen mit Hilfe von Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Wechselrichters eines ersten Ausführungsbeispiels;
2 eine schematische Darstellung des Wechselrichters des ersten Ausführungsbeispiels in einem Gehäuse;
3 eine schematische Darstellung eines Wechselrichters in einem zweiten Ausführungsbeispiel mit Gehäuse und
4 eine schematische Darstellung eines Wechselrichters in einem dritten Ausführungsbeispiel.
1 zeigt in einem schematischen Blockschaltbild ein erstes Ausführungsbeispiel eines anmeldungsgemäßen Wechselrichters. Der Wechselrichter kann beispielsweise innerhalb einer PV-Anlage eingesetzt werden, um von einem PV-Generator, der üblicherweise aus einer Mehrzahl von parallel- und/oder serienverschalteten Photovoltaikmodulen (PV-Modulen) besteht, gelieferten Gleichstrom in einen zur Einspeisung in ein Energieversorgungsnetz geeigneten Wechselstrom umzuwandeln. Es versteht sich, dass ein anwendungsgemäßer Wechselrichter auch zu anderen Einsatzzwecken, insbesondere, aber nicht ausschließlich im Zusammenhang mit einer Erzeugung und Umwandlung von regenerativen Energien eingesetzt werden kann.
Der in 1 dargestellte Wechselrichter weist zwei Gleichstromeingangsanschlüsse 1 auf, denen ein Siebkondensator 11 parallel geschaltet ist. Die Gleichstromeingangsanschlüsse 1, nachfolgend auch DC-Anschlüsse 1 genannt, sind über eine Drossel 100, die weiter unten detaillierter erläutert wird, mit einer DC-Eingangsstufe des Wechselrichters verbunden. Die DC-Eingangsstufe ist hier als ein DC/DC-Wandler 2 ausgebildet. Dieser umfasst eine Elektronikbaugruppe 21, eine Induktivität 22 und einen Siebkondensator 23. Der DC/DC-Wandler 2 ist beispielsweise ein Hochsetzsteller und/oder Tiefsetzsteller, der eine an den DC-Anschlüssen 1 anliegende Spannung auf eine im Betrieb des Wechselrichters benötigte Gleichspannung hoch- und/oder tiefsetzt. Sofern an den DC-Anschlüssen 1 eine für den Betrieb des Wechselrichters ausreichende Gleichspannung anliegt, kann auf eine Anpassung des Gleichspannungsniveaus durch den DC/DC-Wandler 2 und somit auf die DC-Eingangsstufe verzichtet werden.
Ausgangsseitig ist der DC/DC-Wandler 2 mit einem Zwischenkreis 3 gekoppelt, der hier symbolhaft einen Zwischenkreiskondensator 31 aufweist. Weiter ist mit dem Zwischenkreis 3 über Gleichstromleitungen eine Wechselrichterbrücke 4 über deren Gleichstromeingänge verbunden. Die Wechselrichterbrücke 4 setzt eingangsseitig zugeführten Gleichstrom in Wechselstrom um. Sie weist dabei Schaltorgane in typischerweise mehreren Brückenzweigen auf, die von einer hier nicht dargestellten Steuereinrichtung in einem Modulationsverfahren, beispielsweise in einem PWM-Verfahren, angesteuert werden. Die Wechselrichterbrücke 4 und damit der gesamte Wechselrichter sind im dargestellten Beispiel einphasig ausgebildet, sie weisen also zwei Wechselstromausgangsleitungen auf. Es versteht sich, dass ein anmeldungsgemäßer Wechselrichter auch mehrphasig, insbesondere dreiphasig ausgebildet sein kann. Ein dreiphasiger Wechselrichter weist dann beispielsweise drei Ausgangsleitungen auf.
Der Wechselrichterbrücke 4 ist ausgangsseitig – also wechselstromseitig – ein Sinusfilter 5 nachgeschaltet, der eine Filterdrossel 51 und einen Siebkondensator 52 umfasst. Der Sinusfilter 5 formt aus dem von der Wechselrichterbrücke 4 zunächst getaktet ausgegebenem Stromverlauf einen näherungsweise sinusförmigen Stromverlauf.
Der Sinusfilter 5 ist über Komponenten der bereits erwähnten Drossel 100 mit Wechselstromausgangsanschlüssen 6 verbunden, nachfolgend AC-(alternating current)-Anschlüsse 6 genannt. Parallel zu den AC-Anschlüssen 6 ist ein AC-Siebkondensator 61 angeordnet. Die Komponenten der Drossel 100 und der Sinusfilter 5 können auch in umgekehrter Reihenfolge angeordnet sein, so dass der Sinusfilter 5 zwischen den Komponenten der Drossel 100 und den AC-Anschlüssen 6 angeordnet ist.
Zur Unterdrückung von Störungen an den DC-Anschlüssen 1 und den AC-Anschlüssen 6 sind parallel zu diesen Anschlüsse die Siebkondensatoren 11, 61 geschaltet. Weiterhin ist die Drossel 100 vorgesehen, die der Unterdrückung von Störungen, insbesondere Gleichtaktstörungen, dient, die unter anderem von dem getakteten Betrieb der Schaltorgane des DC/DC-Wandlers 2 und/oder der Wechselrichterbrücke 4 im Betrieb des Wechselrichters herrühren und sich über die Gleichstromleitungen und/oder die Wechselstromleitungen zu den DC-Anschlüssen 1 bzw. den AC-Anschlüssen 6 und ggf. darüber hinaus ausbreiten können.
Die Drossel 100 weist zwei DC-Wicklungen 101, 102 auf, die in den beiden Gleichstromleitungen angeordnet sind, die von den DC-Anschlüssen 1 zum DC/DC-Wandler 2 führen. Die beiden DC-Wicklungen 101, 102 sind über eine magnetische Kopplung 103 so miteinander gekoppelt, dass sich Magnetfelder, die von durch die DC-Wicklungen 101, 102 fließende Gegentaktströmen aufgebaut werden, gegenseitig ganz oder weitgehend aufheben. Die Drossel 100 weist somit eine geringe Induktivität für derartige Gegentaktströme auf. Die von Gleichtaktströmen erzeugten Magnetfelder addieren sich jedoch über die magnetische Kopplung 103, so dass die DC-Wicklungen 101, 102 eine hohe Induktivität für Gleichtaktströme aufweisen. Änderungen von Gleichtaktströmen, also beispielswiese höherfrequente Gleichtaktstörungen, insbesondere solche mit Frequenzen im Bereich von Schaltfrequenzen der Wechselrichterbrücke 4 und ggf. des DC/DC-Wandlers 2, werden entsprechend durch die Induktivitäten der DC-Wicklungen 101, 102 effektiv gedämpft.
In vergleichbarer Weise umfasst die Drossel 100 AC-Wicklungen 104, 105, die ihrerseits untereinander über eine magnetische Kopplung 106 magnetisch miteinander gekoppelt sind. Durch die AC-Wicklungen 104, 105 werden Gleichtaktstörungen auf den Wechselstromleitungen gedämpft.
Von der aus dem Stand der Technik bekannten Anordnung, bei denen voneinander separate Drosseln zur Unterdrückung von DC- bzw. AC-seitigen Gleichtaktstörungen vorgesehen sind, ist anmeldungsgemäß bei der Drossel 100 eine magnetische Kopplung 107 vorgesehen, die die DC-Wicklungen 101, 102 und die AC-Wicklungen 104, 105 miteinander magnetisch koppelt. Somit sind faktisch alle Wicklungen 101 bis 104 untereinander magnetisch gekoppelt. Dieses kann vorteilhaft durch einen gemeinsamen Kern erzielt werden, auf den die DC-Wicklungen 101, 102 und die AC-Wicklungen 104, 105 aufgebracht sind. Der gemeinsame Kern benötigt ein geringeres Kernvolumen als separate Kerne für eine DC-seitige und eine AC-seitige Drossel, wodurch Material und damit Kosten, Gewicht und Platz eingespart werden.
Neben der Einsparung durch die Möglichkeit der Verwendung eines gemeinsamen Kerns ergeben sich ein weiterer Vorteile unmittelbar aus der magnetischen Kopplung 107 zwischen den DC-Wicklungen 101, 102 und den AC-Wicklungen 104, 105, insbesondere indem einem von der Taktung der Wechselrichterbrücke 4 und/oder des DC/DC-Wandlers 2 hervorgerufenem Gleichtaktstrom ein Strompfad geboten wird, der über die magnetische Kopplung 107 geschlossen ist. Solche Gleichtaktströme können somit innerhalb eines aus der Drossel 100 und der Wechselrichterbücke 4 sowie ggf. dem Zwischenkreis 3 und dem DC/DC-Wandler 2 gebildeten Stromkreis zirkulieren und gelangen nicht mehr über die Gleichstrom- und Wechselstromleitungen zu den DC-Anschlüssen 1 bzw. den AC-Anschlüssen 6, so dass die EMV-Störaussendungen des Wechselrichters signifikant reduziert sind.
2 zeigt den Wechselrichter des ersten Ausführungsbeispiels aus 1 in einer schematischen Anordnung in einem Gehäuse 70. Das Gehäuse 70 lässt sich im Inneren in mehrere Bereich unterteilen, insbesondere einen Gleichstromanschlussbereich 71 (DC-Anschlussbereich 71), einen Gleichstrombereich 72 (DC-Bereich 72), einen Wechselstrombereich 73 (AC-Bereich 73) und einen Wechselstromanschlussbereich 74 (AC-Anschlussbereich 74).
Dem DC-Anschlussbereich 71 sind die DC-Anschlüsse 1 und der Siebkondensator 11 zuzuordnen, dem AC-Anschlussbereich 74 die AC-Anschlüsse 6 und der AC-Siebkondensator 61. Zudem erstreckt sich die Drossel 100 über den DC-Anschlussbereich 71 und den AC-Anschlussbereich 74. Dem DC-Bereich 72 ist der DC/DC-Wandler 2 zuzuordnen und dem AC-Bereich 73 die Wechselrichterbrücke 4 mit dem Sinusfilter 5. Der Zwischenkreis 3 ist in einem separaten, hier nicht spezifizierten Bereich des Wechselrichters angeordnet.
3 zeigt in ähnlicher Weise wie 2 eine schematische Darstellung eines Wechselrichters mit Drossel zur Unterdrückung von Gleichtaktstörungen in einem Gehäuse 70 in einem zweiten Ausführungsbeispiel. Gleiche und gleich wirkende Elemente sind in diesem Ausführungsbeispiel mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet wie in den 1 und 2.
Die Drossel 100 weist in dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 einen hier als Ringkern ausgebildeten gemeinsamen Kern 108 auf, auf den die hier nicht separat dargestellten DC-und AC-Wicklungen aufgebracht sind. Über den gemeinsamen Ringkern 108 sind alle Wicklungen untereinander magnetisch gekoppelt.
Dabei ist wie zuvor die Kopplung zwischen den DC-Wicklungen und den AC-Wicklungen jeweils untereinander so ausgebildet, dass DC- bzw.- AC-seitige Gleichtaktstörungen gedämpft werden.
Die magnetische Kopplung der Gleichstromwicklungen 101, 102 mit den Wechselstromwicklungen 104, 105, sowie die Wicklungsrichtungen (Wickelsinn) der Wicklungen 101, 102, 104, 105 sind derart ausgelegt, dass phasengleich durch die Gleichstromleitungen und die Wechselstromleitungen fließende Gleichtaktströme sich konstruktiv addierende Magnetfelder im Kern, hier dem Ringkern 108, erzeugen. Für derartige Gleichtaktströme stellt die Drossel 100 einen Übertrager dar, durch den die Gleichtaktströme innerhalb eines aus der Drossel 100 und der Wechselrichterbücke 4 sowie ggf. dem Zwischenkreis 3 und dem DC/DC-Wandler 2 gebildeten Stromkreis zirkulieren können.
Die einzelnen Wicklungen können auf separaten Abschnitten des Ringkerns 108 angeordnet sein und/oder sich teilweise und/oder komplett überlappen. Beispielsweise kann im Fall von zwei DC- und zwei AC-Wicklungen, also insgesamt vier Wicklungen, jede Wicklung auf etwa einem Viertelsegment des Ringkerns 108 gewickelt sein, so dass sich die Wicklungen nicht überlappen, wobei die DC-bzw. AC-Wicklungen auf jeweils benachbarten oder gegenüberliegenden Vierteln des Ringkerns 108 angeordnet sind. Alternativ können sich die DC-Wicklungen jeweils über eine Hälfte des Ringkerns 108 erstrecken, während die AC-Wicklungen sich über die andere Hälfte des Ringkerns 108 erstrecken. Es ist auch eine Anordnung möglich, bei der sowohl die DC- als auch die AC-Wicklungen jeweils um den gesamten oder im Wesentlichen gesamten Ringkern 108 erstrecken. Bei den beiden letztgenannten Anordnungen können die einzelnen Windungen der DC-Wicklungen bzw. der AC-Wicklungen jeweils abwechselnd nebeneinander angeordnet sein. Darüber hinaus ist auch eine Anordnung möglich, bei der eine DC-Wicklung oder eine AC-Wicklung abwechselnd übereinander angeordnet sind. Beispielsweise kann vorgesehen sein, die DC-Wicklungen nebeneinander und direkt auf dem Ringkern 108 aufzubringen, wobei die AC-Wicklungen auf den DC-Wicklungen angeordnet sind. Zwischen den DC-und den AC-Wicklungen ist dann gegebenenfalls eine zusätzliche, isolierende Schicht angeordnet, insbesondere wenn besondere Anforderungen an die Güte der galvanischen Trennung und an die Isolationsfestigkeit zwischen den AC- und den DC-Wicklungen bestehen.
In den zuvor genannten Beispielen waren jeweils zwei DC- Wicklungen und zwei AC-Wicklungen vorgesehen. Es versteht sich, dass auch mehr als ein Paar DC-Wicklungen vorhanden sein kann, insbesondere wenn der Wechselrichter mehrere voneinander unabhängige Paare von Gleichstromanschlüssen aufweist. Beispielsweise sind Wechselrichter bekannt, die mehrere DC/DC-Wandler zum Anschluss von mehreren, unabhängigen Photovoltaikgeneratoren aufweisen.
Auch können mehr als zwei AC-Wicklungen bei der Drossel 100 vorgesehen sein, insbesondere wenn eine mehrphasige Wechselrichterbrücke, beispielsweise eine dreiphasige Wechselrichterbrücke, vorgesehen ist und/oder wenn mehr als eine Wechselrichterbrücke vorhanden ist.
Der im zweiten Ausführungsbeispiel in 3 dargestellte gemeinsame Ringkern 108 kann kreisringförmig oder auch als ein Ellipsoid ausgebildet sein. Seine Materialquerschnittfläche kann kreisförmig sein oder auch eine rechteckige bzw. quadratische Geometrie aufweisen. Anstelle eines Ringkerns können auch andere Kernformen verwendet werden. Es kann beispielsweise ein Kern im Wesentlichen rechteckiger Geometrie, beispielsweise ein UI-oder ein UU-Kern verwendet werden. Auch ein Kern mit mehr als zwei Schenkeln ist denkbar, beispielsweise kann auch ein EI-, EE-, UIU- oder FF-Kern eingesetzt werden. Kerne mit drei Schenkeln, also z.B. E-Kerne, sind besonders dann vorteilhaft, wenn der Wechselrichter einen dreiphasigen Wechselstrom erzeugt und somit drei ausgangsseitige Wechselstromleitungen vorliegen, die wiederum mit drei AC-Wicklungen auf der Drossel verbunden sind.
4 zeigt eine Weiterbildung des in 3 dargestellten Wechselrichters, auf dessen Beschreibung hiermit verwiesen wird. Wiederum sind gleiche und gleich wirkende Elemente in diesem Ausführungsbeispiel mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet wie in den vorhergehenden Figuren.
Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel der 3 wird vorliegend ein modifizierter Ringkern 108 für die Drossel 100 verwendet, der einen entlang des Durchmessers des Ringkerns 108 bevorzugt mittig verlaufenden Mittelschenkel 109 aufweist. Als ein derart modifizierter Ringkern 108 kann beispielsweise ein CIC-Kern eingesetzt werden. Anstelle eines modifizierten Ringkerns kann auch ein EI- oder EE-Kern verwendet werden, der ebenfalls einen Kern mit zwei äußeren Abschnitten zur Aufnahme der DC- bzw. AC-Wicklungen und einen Mittelschenkel bereitstellt.
Auf dem Mittelschenkel ist eine weitere Wicklung 110 angeordnet, mit deren Hilfe etwaige Asymmetrien der Magnetfelder im Kern der Drossel 100 durch geeignete Bestromung mit einem Wechselstrom ausgeglichen werden können. Zu diesem Zweck ist die weitere Wicklung 110 mit Ausgängen einer Ansteuerschaltung 111 verbunden, deren Eingänge den Zwischenkreis 3 kontaktieren. Abhängig von einem Wechselspannungssignal im Zwischenkreis 3 wird die weitere Wicklung 110 über die Ansteuerschaltung 111 bestromt. Die Ansteuerschaltung 111 kann dabei die weitere Wicklung 110 aktiv mithilfe einer Verstärker- bzw. Treiberschaltung ansteuern, die über Filter o.ä. mit dem Zwischenkreis 3 verbunden ist. Alternativ kann die Ansteuerschaltung 111 auch mithilfe von passiven Komponenten, also beispielsweise Widerständen und/oder Kondensatoren, aufgebaut sein.
Alternativ oder zusätzlich zu der hier gezeigten Ansteuerung der weitere Wicklung 110 zum Ausgleich von Asymmetrien kann die weitere Wicklung 110 auch zur Messung der Asymmetrie der Magnetfelder im Kern der Drossel 100 verwendet werden.
Bezugszeichenliste

1: DC-Anschluss
11: DC-Siebkondensator
2: DC/DC-Wandler
21: Baugruppe
22: Induktivität
23: Siebkondensator
3: Zwischenkreis
31: Zwischenkreiskondensator
4: Wechselrichterbrücke
5: Sinusfilter
51: Filterdrossel
52: Siebkondensator
6: AC-Anschluss
61: AC-Siebkondensator
100: Drossel
101, 102: DC-Wicklung
103: magnetische Kopplung
104, 105: AC-Wicklung
106: magnetische Kopplung
107: magnetische Kopplung
108: gemeinsamer Kern / Ringkern
109: Mittelschenkel
110: weitere Wicklung
111: Ansteuerschaltung

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

EP 2525482 A1 [0006]

Claims

Wechselrichter mit mindestens einer Wechselrichterbrücke (4) sowie einer der Wechselrichterbrücke (4) vorgeschalteten Gleichstromdrossel zur Unterdrückung von Gleichtaktstörungen auf Gleichstromleitungen des Wechselrichters und einer der mindestens einen Wechselrichterbrücke (4) nachgeschalteten Wechselstromdrossel zur Unterdrückung von Gleichtaktstörungen auf Wechselstromleitungen des Wechselrichters, wobei die Gleichstromdrossel mindestens zwei magnetisch gekoppelte Gleichstromwicklungen (101, 102) aufweist, die jeweils einem Gleichstromanschluss der Wechselrichterbrücke (4) vorgeschaltet sind, und wobei die Wechselstromdrossel mindestens zwei magnetisch gekoppelte Wechselstromwicklungen (104, 105) aufweist, die jeweils einem Wechselstromausgang der Wechselrichterbrücke (4) nachgeschaltet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei Gleichstromwicklungen (101, 102) und die mindestens zwei Wechselstromwicklungen (104, 105) untereinander magnetisch gekoppelt sind.
Wechselrichter nach Anspruch 1, bei dem die die mindestens zwei Gleichstromwicklungen (101, 102) und die mindestens zwei Wechselstromwicklungen (104, 105) auf einem gemeinsamen Kern angeordnet sind.
Wechselrichter nach Anspruch 2, bei dem jede der Wicklungen (101, 102, 104, 105) auf einem separaten Abschnitt des gemeinsamen Kerns angeordnet ist.
Wechselrichter nach Anspruch 2, bei dem sich die Wicklungen (101, 102, 104, 105) auf dem gemeinsamen Kern ganz oder teilweise überlappen, wobei im Überlappungsbereich zwischen einer der Gleichstromwicklungen (101, 102) und einer der Wechselstromwicklungen (104, 105) eine Isolationsschicht angeordnet ist.
Wechselrichter nach Anspruch 4, bei dem die Gleichstromwicklungen (101, 102) überlappend in einem Bereich des gemeinsamen Kerns und die Wechselstromwicklungen (104, 105) in einem anderen Bereich des gemeinsamen Kerns angeordnet sind.
Wechselrichter nach Anspruch 4, bei dem eine der Gleichstromwicklungen (101, 102) und eine der Wechselstromwicklungen (101, 102) überlappend in einem Bereich des gemeinsamen Kerns und die andere der Gleichstromwicklungen (101, 102) und die andere der Wechselstromwicklungen (101, 102) überlappend in einem anderen Bereich des Kerns angeordnet sind.
Wechselrichter nach einem der Ansprüche 2 bis 6, bei dem der gemeinsame Kern ein Ringkern (108) ist.
Wechselrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die magnetische Kopplung und Wicklungsrichtungen der Gleichstromwicklungen (101, 102) und der Wechselstromwicklungen (104, 105) derart ausgelegt sind, dass phasengleich durch die Gleichstromleitungen und die Wechselstromleitungen fließende Gleichtaktströme sich konstruktiv addierende Magnetfelder im Kern erzeugen.
Wechselrichter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem zwischen Gleichstromanschlüssen (1) des Wechselrichters und den Gleichstromanschlüssen der Wechselrichterbrücke (4) ein DC/DC-Wandler (2) und ein Zwischenkreis (3) angeordnet ist, wobei die Gleichstromwicklungen (101, 102) dem DC/DC-Wandler (2) vorgeschaltet oder nachgeschaltet sind.
Wechselrichter nach einem der Ansprüche 2 bis 6 oder 8 bis 9, bei dem der gemeinsame Kern einen Mittelschenkel (109) aufweist und als EI-, EE-, FF-, UIU- oder CIC-Kern ausgebildet ist.
Wechselrichter nach Anspruch 10, bei dem eine weitere Windung (110) auf dem Mittelschenkel (109) angeordnet ist.
Wechselrichter nach Anspruch 11, bei dem die weitere Wicklung über eine Ansteuerschaltung (111) mit dem Zwischenkreis (3) verbunden ist.
Drossel (100) zur Unterdrückung von Gleichtaktstörungen bei einem Leistungswandler, aufweisend mindestens zwei Gleichstromwicklungen (101, 102) und mindestens zwei Wechselstromwicklungen (104, 105), wobei die mindestens zwei Gleichstromwicklungen (101, 102) und die mindestens zwei Wechselstromwicklungen (104, 105) auf einem gemeinsamen Kern angeordnet sind.
Drossel (100) nach Anspruch 13, bei der der gemeinsame Kern ein Ringkern (108) ist.
Drossel (100) nach Anspruch 13, bei der – sich die Wicklungen (101, 102, 104, 105) auf dem gemeinsamen Kern ganz oder teilweise überlappen, wobei im Überlappungsbereich zwischen einer der Gleichstromwicklungen (101, 102) und einer der Wechselstromwicklungen (104, 105) eine Isolationsschicht angeordnet ist, und/oder – die Gleichstromwicklungen (101, 102) überlappend in einem Bereich des gemeinsamen Kerns und die Wechselstromwicklungen (104, 105) in einem anderen Bereich des gemeinsamen Kerns angeordnet sind, und/oder – eine der Gleichstromwicklungen (101, 102) und eine der Wechselstromwicklungen (101, 102) überlappend in einem Bereich des gemeinsamen Kerns und die andere der Gleichstromwicklungen (101, 102) und die andere der Wechselstromwicklungen (101, 102) überlappend in einem anderen Bereich des Kerns angeordnet sind, und/oder – der gemeinsame Kern einen Mittelschenkel (109) aufweist, auf dem eine weitere Windung (110) angeordnet ist.
Drossel (100) nach einem der Ansprüche 13 bis 15, bei der die Gleichstromwicklungen (101, 102) dazu eingerichtet sind, mit Gleichstromleitungen eines Leistungswandlers verbunden zu werden, und bei der die Wechselstromwicklungen dazu eingerichtet sind, mit Wechselstromleitungen eines Leistungswandlers verbunden zu werden.
Drossel (100) nach Anspruch 16, bei der die Gleichstromwicklungen (101, 102) und die Wechselstromwicklungen (104, 105) jeweils zwei Enden aufweisen, wobei die Enden der Gleichstromwicklungen (101, 102) auf einer ersten Seite der Drossel (100) und die Enden der Wechselstromwicklungen (104, 105) auf einer der ersten Seite gegenüberliegenden Seite der Drossel (100) angeordnet sind.