DE102015003225A1 - inverter - Google Patents

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DE102015003225A1 DE102015003225.9A DE102015003225A DE102015003225A1 DE 102015003225 A1 DE102015003225 A1 DE 102015003225A1 DE 102015003225 A DE102015003225 A DE 102015003225A DE 102015003225 A1 DE102015003225 A1 DE 102015003225A1
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Tobias Silkenbeumer
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KOSTAL INDUSTRIE ELEKTRIK GMBH & CO. KG, DE
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Abstract

Beschrieben wird ein Wechselrichter, mit einer Wechselrichterbrücke, die die Ausgangsspannung einer Gleichspannungsquelle in eine dreiphasige Wechselspannung wandelt und über drei Phasenleiter und einen Neutralleiter ausgibt, mit einem der Wechselrichterbrücke nachgeschaltetem Sinusfilter, und mit einer dem Sinusfilter nachgeschalteten Drosselspulenanordnung, die jeweils eine Drosselspulenwicklung für jeden Phasenleiter und für den Neutralleiter aufweist, wobei die vier Drosselspulenwicklungen der Drosselspulenanordnung auf einem gemeinsamen Drosselspulenkern angeordnet sind, wobei alle drei in die Phasenleiter geschalteten Drosselspulenwicklungen den gleichen Wicklungssinn aufweisen, und wobei die vierte Drosselspulenwicklung, die in den Neutralleiter geschaltet ist, gegensinnig zu den anderen drei Drosselspulenwicklungen gewickelt ist.An inverter is described, with an inverter bridge, which converts the output voltage of a DC voltage source into a three-phase AC voltage and outputs via three phase conductors and a neutral conductor, with a sinusoidal filter connected downstream of the inverter bridge, and with a choke coil arrangement connected downstream of the sinusoidal filter, each having one choke coil winding for each phase conductor and for the neutral conductor, the four inductor windings of the inductor assembly being disposed on a common inductor core, all three inductor windings connected to the phase conductors having the same winding sense, and the fourth inductor winding connected in the neutral conductor being opposite to the other three Winding coil windings is wound.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wechselrichter, mit einer Wechselrichterbrücke, die die Ausgangsspannung einer Gleichspannungsquelle in eine dreiphasige Wechselspannung wandelt und über drei Phasenleiter und einen Neutralleiter ausgibt, mit einem der Wechselrichterbrücke nachgeschaltetem Sinusfilter, und mit einer dem Sinusfilter nachgeschalteten Drosselspulenanordnung, die jeweils eine Drosselspulenwicklung für jeden Phasenleiter und für den Neutralleiter aufweist.The invention relates to an inverter, comprising an inverter bridge, which converts the output voltage of a DC voltage source into a three-phase AC voltage and outputs via three phase conductors and a neutral conductor, with a sinusoidal filter connected downstream of the inverter bridge, and with a choke coil assembly connected downstream of the sinusoidal filter, each having one choke coil winding for each Phase conductor and has for the neutral conductor.

Ein derartiger Wechselrichter erfüllt die Funktion, die Ausgangsspannung einer Gleichspannungsquelle in eine mehrphasige Wechselspannung umzuwandeln, die dann von elektrischen Verbrauchern genutzt und/oder in ein lokales oder öffentliches Wechselspannungsnetz eingespeist werden kann. Solche Wechselrichter kommen insbesondere bei elektrischen Anlagen zur Umwandlung regenerativer Energien, wie zum Beispiel Windkraft- oder Photovoltaikanlagen zur Anwendung.Such an inverter fulfills the function of converting the output voltage of a DC voltage source into a multi-phase AC voltage, which can then be used by electrical consumers and / or fed into a local or public AC network. Such inverters are used in particular in electrical systems for the conversion of renewable energies, such as wind power or photovoltaic systems for use.

Wechselrichter dieser Bauart weisen eine Wechselrichterbrücke auf, die aus einer Brückenschaltung mehrerer Leistungshalbleiter besteht, welche getaktet angesteuert werden. Darüber hinaus sind im Allgemeinen verschiedene Filterschaltungen, bestehend aus induktiven und kapazitiven Bauteilen, vorgesehen. Allgemein üblich ist die Verwendung eines sogenannten Sinusfilters, welches zur Formung der von der Wechselrichterbrücke abgegebenen Ausgangsspannung dient. Zugleich wirkt das Sinusfilter als Tiefpass, welcher die, im Vergleich zur Frequenz der erzeugten Wechselspannung, hohen Taktfrequenzen (in der Größe von beispielhaft 18 kHz), die zur Ansteuerung der Leistungshalbleiter der Wechselrichterbrücke verwendet werden, ausfiltert.Inverters of this type have an inverter bridge, which consists of a bridge circuit of several power semiconductors, which are controlled in a clocked manner. In addition, various filter circuits consisting of inductive and capacitive components are generally provided. Commonly used is the use of a so-called sine filter, which is used to shape the output from the inverter bridge output voltage. At the same time, the sine-wave filter acts as a low-pass filter, which filters out the high clock frequencies (in the size of, for example, 18 kHz) compared to the frequency of the alternating voltage generated, which are used to drive the power semiconductors of the inverter bridge.

Ein Problem der Filteranordnungen besteht darin, dass sie Resonanzstellen aufweisen. Speziell bei Wechselrichtern mit Sinusfiltern kann es durch die Impedanz des Filters und zusätzlich durch im Allgemeinen unbekannte und variierende Anschlussimpedanzen zu einem Verschieben von Resonanzstellen in den Bereich der Wechselstrombrücken-Taktfrequenz kommen.A problem of the filter arrangements is that they have resonance points. Especially with inverters with sine-wave filters, the impedance of the filter and, in addition, the generally unknown and varying terminal impedances may shift resonance points to the range of the AC bridge clock frequency.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2005 031 372 A1 ist ein Wechselrichter mit einem durch Längsdrosseln und Kapazitäten ausgebildeten Sinusfilter bekannt. Speziell beschrieben ist ein dreiphasiger Wechselrichter ohne Neutralleiter zum Betrieb eines Motors, bei dem durch das Zusammenspiel von Sinusfilter und parasitären Kapazitäten der Motorzuleitung ein Resonanzproblem auftreten kann. Die Resonanzen können zu Spannungsimpulsen und damit zu Überspannungen auf den Phasenleitern führen. Beim Auftreten solcher Effekte ist es vorgesehen, dem Wechselrichter eine stromkompensierte Drossel als externes Bauteil nachzuschalten, um den Schwingkreis zu verstimmen und dadurch die Resonanzen zu beseitigen und den Motor zu schützen.From the German patent application DE 10 2005 031 372 A1 is an inverter with a trained by longitudinal throttling and capacitance sine wave filter known. Specifically described is a three-phase inverter without neutral for operating a motor, in which by the interaction of sine filter and parasitic capacitances of the motor supply a resonance problem can occur. The resonances can lead to voltage pulses and thus to overvoltages on the phase conductors. When such effects occur, it is provided to connect the inverter with a current-compensated choke as an external component in order to detune the resonant circuit and thereby eliminate the resonances and protect the motor.

Bei Wechselrichtern mit einem Vierleitersystem können Resonanzanregungen auf allen drei Phasenleitern entstehen, wobei der Stromkreis über den Neutralleiter geschlossen wird. Bei einer synchronen Taktung der Brücken-Leistungshalbleiter kann ein derartiger Resonanzeffekt so zu einer Überlastung des Neutralleiters führen.Inverters with a four-wire system can cause resonance excitations on all three phase conductors, closing the circuit via the neutral conductor. With a synchronous clocking of the bridge power semiconductors, such a resonance effect can thus lead to overloading of the neutral conductor.

Zur Vermeidung dieses Effekts ist bei einem von der Anmelderin in Serie produzierten Wechselrichter eine einem Sinusfilter nachgeschaltete Drosselspulenanordnung vorgesehen, wie sie in der 2 skizziert ist. Hierbei ist in jeden Phasenleiter sowie auch in den Neutralleiter eine eigene Drosselspule geschaltet, welche jeweils aus einem Drosselspulenkern mit einer darauf aufgebrachten Drosselspulenwicklung besteht. Die Drosselspulen der Phasenleiter bilden dabei mit den Längsdrosseln und Kondensatoren des Sinusfilters jeweils ein sogenanntes T-Filter aus. Der Zweck dieser Anordnung besteht darin, eine Mindestimpedanz festzulegen, um die Resonanzfrequenzen in allen Fällen in einem unkritischen Bereich zu halten.In order to avoid this effect, a choke coil arrangement connected downstream of a sine-wave filter is provided in an inverter produced in series by the applicant, as described in US Pat 2 outlined. Here, a separate inductor is connected in each phase conductor as well as in the neutral conductor, which consists of a choke coil core with an applied thereto inductor coil winding. The choke coils of the phase conductors form in each case a so-called T-type filter with the longitudinal choke and capacitors of the sine-wave filter. The purpose of this arrangement is to set a minimum impedance so as to keep the resonant frequencies in a non-critical range in all cases.

Nachteilig an dieser Anordnung ist, dass die vier als Einzelbauteile ausgebildeten Drosselspulen einen relativ hohen Kostenaufwand und einen relativ großen Platzbedarf beim Einbau in ein Gerätegehäuse erfordern.A disadvantage of this arrangement is that the four inductors designed as individual components require a relatively high cost and a relatively large amount of space when installed in a device housing.

Es stellte sich die Aufgabe, einen Wechselrichter zu schaffen, der insgesamt platzsparender und kostengünstiger herstellbar ist.It set itself the task of creating an inverter that is overall space-saving and cheaper to produce.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die vier Drosselspulenwicklungen der Drosselspulenanordnung auf einem gemeinsamen Drosselspulenkern angeordnet sind, dass alle drei in die Phasenleiter geschalteten Drosselspulenwicklungen den gleichen Wicklungssinn aufweisen, und dass die vierte Drosselspulenwicklung, die in den Neutralleiter geschaltet ist, gegensinnig zu den anderen drei Drosselspulenwicklungen gewickelt ist.This object is achieved in that the four inductor windings of the inductor arrangement are arranged on a common choke coil core, that all three switched in the phase conductors inductor windings have the same sense of winding, and that the fourth inductor winding, which is connected in the neutral, in the opposite direction to the other three inductor windings is wound.

Der erfindungsgemäß ausgeführte Wechselrichter weist damit eine als ein einziges Bauteil ausgeführte Drossel auf, die für alle drei Phasenleiter als eine stromkompensierte Drossel (Gleichtaktdrossel) wirkt und für den Neutralleiter in Kombination mit den Phasenleitern eine Differenzstrom-Drossel (Gegentaktdrossel) ausbildet.The inventively designed inverter thus has a designed as a single component throttle, which acts as a current-compensated reactor (common mode choke) for all three phase conductors and forms a differential current choke (push-pull choke) for the neutral conductor in combination with the phase conductors.

Die Wicklungen der Gleichtakt-Gegentakt-Drossel sind vorzugsweise auf einem Ringkern für Speicherdrosseln, bestehend aus Eisenpulver, Ferrit oder einem ähnlichen Material, aufgebracht und bilden durch eine relativ geringe Windungsanzahl zunächst sehr kleine Induktivitäten aus. Die Phasenwicklungen der Gleichtakt-Gegentakt-Drossel werden dadurch nur für Ströme die synchron auf allen drei Phasenleitern gegen den Neutralleiter fließen als Induktivität wirksam und bilden in diesem Fall durch die gute Kopplung über den gemeinsamen Drosselspulenkern eine Reihenschaltung mit der Neutralleiterwicklung und damit eine relevante Induktivität. Hierdurch verstimmt sich die Schwingkreisfrequenz durch das Auftreten der Ströme in Richtung des Neutralleiters von selbst und beseitigt so störende oder sogar zerstörerisch wirkende Resonanzeffekte.The windings of the common-mode push-pull throttle are preferably on a ring core for Storage chokes, consisting of iron powder, ferrite or a similar material, applied and form by a relatively small number of turns initially very small inductances. The phase windings of the common mode push-pull choke are thus only effective for currents flowing synchronously on all three phase conductors against the neutral as inductance and form in this case by the good coupling on the common inductor core a series circuit with the neutral conductor winding and thus a relevant inductance. As a result, the resonant circuit frequency detunes itself by the occurrence of the currents in the direction of the neutral conductor and thus eliminates disturbing or even destructive acting resonance effects.

Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Die 1 zeigt einen erfindungsgemäß ausgebildeten Wechselrichter; die 2 stellt zum Vergleich einen Wechselrichter nach dem Stand der Technik dar. Die 3 zeigt skizzenhaft einen möglichen Aufbau einer in einem erfindungsgemäß ausgebildeten Wechselrichter einsetzbaren Gleichtakt-Gegentakt-Drossel.In the following, the invention will be explained in more detail with reference to the drawing. The 1 shows an inventively designed inverter; the 2 represents for comparison a inverter according to the prior art. The 3 shows a sketch of a possible structure of a usable in an inventively designed inverter common mode push-pull throttle.

Die 2 zeigt schematisch ein durch ein Seriengerät der Anmelderin bekanntes Aufbauprinzip eines Wechselrichters 1', dessen elektrische Ausgangsleistung vorzugsweise zur Einspeisung in ein öffentliches Wechselspannungsnetz 6 vorgesehen ist. Mit dem Eingang des Wechselrichters 1' ist eine Gleichspannungsquelle 5 verbunden, welche beispielsweise durch den Solargenerator einer Photovoltaikanlage gebildet sein kann.The 2 shows schematically a known by a serial device of the Applicant construction principle of an inverter 1' , whose electrical output power is preferably for feeding into a public alternating voltage network 6 is provided. With the input of the inverter 1' is a DC voltage source 5 connected, which may be formed for example by the solar generator of a photovoltaic system.

Die zum eigentlichen Wechselrichter 1' gehörenden Komponenten sind durch eine gestrichelte Umrandung zusammengefasst. Zu diesen Komponenten gehören eine Wechselrichterbrücke 2, ein der Wechselrichterbrücke 2 nachgeschaltetes Sinusfilter 3, sowie eine auf das Sinusfilter 3 folgende Drosselspulenanordnung 7. Dargestellt ist hier außerdem ein optional einzusetzendes EMV-Filter 4.The actual inverter 1' belonging components are summarized by a dashed border. These components include an inverter bridge 2 , one of the inverter bridge 2 downstream sine filter 3 , as well as one on the sine filter 3 following inductor arrangement 7 , Also shown here is an optional EMC filter 4 ,

Der Aufbau einer Wechselrichterbrücke 2 wird hier als grundsätzlich bekannt vorausgesetzt und daher an dieser Stelle nicht im Detail beschrieben. Bei einem dreiphasigen System weist eine Wechselrichterbrücke 2 etwa eine Anordnung aus drei Halbbrücken auf, die jeweils aus zwei Leistungshalbleiterschaltern bestehen, welche durch eine hier ebenfalls nicht dargestellte elektronische Steuerschaltung getaktet angesteuert werden.The structure of an inverter bridge 2 is here assumed to be fundamentally known and therefore not described in detail at this point. In a three-phase system has an inverter bridge 2 such an arrangement of three half-bridges, each consisting of two power semiconductor switches, which are controlled in clocked by an electronic control circuit also not shown here.

Die relativ hohen Taktfrequenzen der hierbei verwendeten Ansteuerimpulse werden durch ein als Tiefpassfilter wirkendes Sinusfilter 3 auf den Ausgangsleitungen L1, L2, L3, N der Wechselrichterbrücke 2 ausgefiltert. Das Sinusfilter 3 weist für jeden Phasenleiter L1, L2, L3 jeweils eine Längsdrossel 31 und einen gegen den Neutralleiter N geschalteten Kondensator 32 auf. Das Sinusfilter 3 beeinflusst zudem die Impulsform der Wechselrichterausgangsspannung.The relatively high clock frequencies of the drive pulses used in this case are caused by a sine-wave filter acting as a low-pass filter 3 on the output lines L1, L2, L3, N of the inverter bridge 2 filtered out. The sine filter 3 has for each phase conductor L1, L2, L3 each have a longitudinal throttle 31 and a capacitor connected to the neutral N 32 on. The sine filter 3 also influences the pulse shape of the inverter output voltage.

Dem Sinusfilter 3 nachgeschaltet ist eine Drosselspulenanordnung 7, die für jeden Phasenleiter L1, L2, L3 sowie auch für den Neutralleiter N jeweils eine Drosselspule 71 aufweist. Jede Drosselspule 71 besteht aus einem eigenen Drosselspulenkern mit einer darauf aufgebrachten Drosselspulenwicklung. Die den Phasenleitern L1, L2, L3 zugeordneten Drosselspulen 71 der Drosselspulenanordnung 7 bilden dabei mit den Längsdrosseln 31 und Kondensatoren 32 des Sinusfilters 3 jeweils ein sogenanntes T-Filter aus. Der Zweck dieser Anordnung besteht darin, dem Wechselrichter 1' eine Mindestimpedanz und damit auch den Frequenzbereich für mögliche Resonanzen vorzugeben.The sine-wave filter 3 downstream is a choke coil assembly 7 in each case one choke coil for each phase conductor L1, L2, L3 and also for the neutral conductor N. 71 having. Each choke coil 71 consists of its own choke coil core with an applied inductor winding. The inductors associated with the phase conductors L1, L2, L3 71 the choke coil assembly 7 form thereby with the longitudinal throttles 31 and capacitors 32 of the sine-wave filter 3 each a so-called T-filter. The purpose of this arrangement is to provide the inverter 1' specify a minimum impedance and thus also the frequency range for possible resonances.

Zwischen der Drosselspulenanordnung 7 und dem Ausgang des Wechselrichters 1' ist ein EMV-Filter 4 angeordnet, das aus vier gleichsinnigen Drosselwicklungen 41 auf einem gemeinsamen Drosselkern 40 besteht, welche in die drei Phasenleiter L1, L2, L3 und in den Neutralleiter N eingeschaltet sind. Auf der Ausgangsseite der Drosselwicklungen 41 sind erste Kondensatoren 42 zwischen jeden Phasenleiter L1, L2, L3 und den Neutralleiter N, und zweite Kondensatoren 43 zwischen die Phasenleiter L1, L2, L3 und ein Massepotential M geschaltet. Das EMV-Filter 4 erfüllt die Funktion eines Netzfilters, welches elektrische Störimpulse zwischen der Wechselrichterbrücke 2 und dem Wechselspannungsnetz 6 in beiden Richtungen aussiebt.Between the choke coil assembly 7 and the output of the inverter 1' is an EMC filter 4 arranged, consisting of four same-direction throttle windings 41 on a common throttle core 40 which are turned on in the three phase conductors L1, L2, L3 and in the neutral conductor N. On the output side of the choke windings 41 are first capacitors 42 between each phase conductor L1, L2, L3 and the neutral conductor N, and second capacitors 43 connected between the phase conductors L1, L2, L3 and a ground potential M. The EMC filter 4 fulfills the function of a mains filter, which generates electrical interferences between the inverter bridge 2 and the AC mains 6 in both directions.

Neben den induktiven und kapazitiven Komponenten des Wechselrichters 1' beeinflussen auch die elektrischen Eigenschaften des mit dem Wechselrichter 1' gekoppelten Wechselspannungsnetzes 6 oder eines angeschlossenen Verbrauchers die Resonanzeigenschaften des Wechselrichters 1'. Durch eine geeignete Dimensionierung der Drosselspulen 71 kann die Drosselspulenanordnung 7 dabei so ausgelegt werden, dass die Resonanzfrequenzen des Wechselrichters 1' unabhängig von den Eigenschaften eines angekoppelten Wechselspannungsnetzes 6 oder Verbrauchers immer weitab von den Taktfrequenzen der Wechselrichterbrücke liegen.In addition to the inductive and capacitive components of the inverter 1' also affect the electrical characteristics of the inverter 1' coupled alternating voltage network 6 or a connected consumer the resonance characteristics of the inverter 1' , By a suitable dimensioning of the choke coils 71 can the choke coil assembly 7 In doing so, be designed so that the resonant frequencies of the inverter 1' regardless of the characteristics of a connected AC voltage network 6 or consumer always far away from the clock frequencies of the inverter bridge.

Allerdings entsteht bei dieser bekannten Ausführungsform eines Wechselrichters 1' besonders durch die als Einzelbauteile ausgeführten vier Drosselspulen 71 ein vergleichsweise hoher Kostenaufwand und Bauraumbedarf.However, arises in this known embodiment of an inverter 1' especially by running as individual components four inductors 71 a comparatively high cost and space requirements.

Dieses Problem löst oder verringert zumindest der in der 1 dargestellte erfindungsgemäß aufgebaute Wechselrichter 1. Die dem Sinusfilter 3 nachgeschaltete Drosselspulenspulenanordnung 8 besteht hier erfindungsgemäß nur noch aus einer einzigen Drossel, die eine Gleichtakt-Gegentakt-Drossel 8 ausbildet.This problem is solved or reduced at least in the 1 illustrated inventive constructed inverter 1 , The sine-wave filter 3 downstream inductor coil assembly 8th According to the invention here consists only of a single throttle, which is a common mode push-pull throttle 8th formed.

Der Aufbau dieser Gleichtakt-Gegentakt-Drossel 8 ist in der 3 skizzenhaft dargestellt. Die Gleichtakt-Gegentakt-Drossel 8 weist vier auf einem gemeinsamen Drosselspulenkern 80 angeordnete Drosselspulenwicklungen 81, 82 auf. Drei dieser Wicklungen 81, von denen jeweils eine in jede der drei Phasenleitungen L1, L2, L3 geschaltet ist, sind gleichsinnig gewickelt und mit jeweils gleicher Windungszahl ausgeführt. Idealerweise bestehen die Phasenwicklungen 81 auch aus dem gleichen Drahtmaterial, so dass sie praktisch identisch zueinander ausgeführt sind und identische elektrische Eigenschaften aufweisen.The structure of this common-mode push-pull throttle 8th is in the 3 sketched. The common-mode push-pull throttle 8th has four on a common choke coil core 80 arranged inductor windings 81 . 82 on. Three of these windings 81 , one of which is connected in each of the three phase lines L1, L2, L3, are wound in the same direction and executed in each case with the same number of turns. Ideally, the phase windings exist 81 also from the same wire material, so that they are performed practically identical to each other and have identical electrical properties.

Die vierte Wicklung 82 ist gegensinnig zu den ersten drei Wicklungen 81, ausgeführt und in den Neutralleiter N eingeschaltet. Die elektrischen Eigenschaften der Neutralleiterwicklung 82 sind üblicherweise abweichend zu denen der drei Phasenwicklungen 81 ausgeführt, um die nachfolgend beschriebene Funktion optimal zu erfüllen.The fourth winding 82 is in the opposite direction to the first three windings 81 , executed and turned on in the neutral conductor N. The electrical properties of the neutral conductor winding 82 are usually different from those of the three phase windings 81 executed to optimally fulfill the function described below.

Die Gleichtakt-Gegentakt-Drossel 8 bildet zusammen mit dem Sinusfilter 3 für jeden Phasenleiter L1, L2, L3 ein T-Filter aus und wirkt unter symmetrischer Belastung als stromkompensierte Drossel. Bei einem Phasenversatz der von der Wechselrichterbrücke 2 und dem Sinusfilter 3 generierten dreiphasigen Wechselspannung von 120° heben sich die Ströme IL1, IL2, IL3 durch die Phasenwicklungen 81 der Gleichtakt-Gegentakt-Drossel 8 in der Neutralleiterwicklung 82 genau auf. In diesem Fall gilt: IN = IL1 + IL2 +IL3 = 0 The common-mode push-pull throttle 8th forms together with the sine filter 3 for each phase conductor L1, L2, L3 a T-filter and acts under symmetrical load as a current-compensated choke. At a phase offset of the inverter bridge 2 and the sine-wave filter 3 generated three-phase alternating voltage of 120 °, the currents I L1 , I L2 , I L3 through the phase windings lift 81 the common-mode push-pull throttle 8th in the neutral conductor winding 82 exactly on. In this case: I N = I L1 + I L2 + I L3 = 0

Damit ist auch der durch den Neutralleiter N fließende Strom IN = 0 und die Induktivität der Neutralleiterwicklung 82 wird nicht wirksam.Thus, the current flowing through the neutral conductor N current I N = 0 and the inductance of the neutral conductor winding 82 will not take effect.

Im Gegensatz zu den Strömen IL1, IL2, IL3 der drei Wechselspannungsphasen heben sich die taktfrequenten Ströme IL1_takt, IL2_takt, IL3_takt durch die Phasenwicklungen 81 nicht auf und sind immer als Summenstrom IN_takt im Neutralleiter N vorhanden: IN_takt = IL1_takt + IL2_takt + IL3_takt ≠ 0 In contrast to the currents I L1 , I L2 , I L3 of the three alternating voltage phases , the clock-frequency currents I L1_takt , I L2_takt , I L3_takt lift through the phase windings 81 not on and are always available as summation current I N_takt in the neutral conductor N: I N_takt = I L1_takt + I L2_takt + I L3_takt ≠ 0

Im Falle einer Resonanz zwischen der Taktfrequenz und der Eigenfrequenz der Bauteile des Wechselrichters können die die taktfrequenten Ströme IL1_takt, IL2_takt, IL3_takt durch die Phasenwicklungen 81 stark ansteigen, wodurch ohne weitere Maßnahmen der überhöhte Summenstrom IN_takt den Neutralleiter N überlasten würde.In the case of a resonance between the clock frequency and the natural frequency of the components of the inverter, the clock frequency currents I L1_takt , I L2_takt , I L3_takt through the phase windings 81 increase sharply, which would overload the neutral conductor N without further measures, the excessive total current I N_takt .

Erfindungsgemäß fließt der Summenstrom IN_takt durch die Gegentaktwicklung 82 der Gleichtakt-Gegentakt-Drossel 8. Für einen Strom durch den Neutralleiter N liegen die Phasenwicklungen 81 alle jeweils mit der Neutralleiterwicklung 82 in Reihe. Die sich dabei insgesamt ergebende Induktivität ist in diesem Fall jedoch größer als eine reine Addition der Induktivitäten der einzelnen hintereinandergeschalteten Wicklungen 81, 82. Da diese durch einen Ringkern 80 gekoppelt sind gilt näherungsweise:

Figure DE102015003225A1_0002
mit:

L:
Induktivität
n:
Windungszahl
μ0:
magnetische Feldkonstante
μr:
relative Permeabilität
A:
Querschnittsfläche des Ringkerns
r:
mittlerer Radius des Ringkerns
According to the invention, the sum current I N_takt flows through the push-pull winding 82 the common-mode push-pull throttle 8th , For a current through the neutral conductor N are the phase windings 81 all with the neutral conductor winding 82 in row. However, the overall resulting inductance in this case is greater than a pure addition of the inductances of the individual cascaded windings 81 . 82 , Because of this through a toroidal core 80 are approximated:
Figure DE102015003225A1_0002
With:
L:
inductance
n:
number of turns
μ 0 :
magnetic field constant
μ r:
relative permeability
A:
Cross sectional area of the toroidal core
r:
mean radius of the toroidal core

Die Windungszahl n ergibt sich hier als die Summe aus der Windungszahl der jeweiligen Phasenwicklungen 81 und der Windungszahl der Neutralleiterwicklung 82.The number of turns n results here as the sum of the number of turns of the respective phase windings 81 and the number of turns of the neutral conductor winding 82 ,

Durch die Kopplung geht die Anzahl der Windungen n quadratisch in die Induktivität L ein, die resultierende Induktivität ist also deutlich größer als die reine Addition zweier einzelner Induktivitäten gleicher Windungszahl.Due to the coupling, the number of turns n becomes square in the inductance L, so the resulting inductance is significantly greater than the pure addition of two individual inductances of the same number of turns.

Durch die erfindungsgemäße Verwendung einer Gleichtakt-Gegentaktdrossel 8 bei einem Vierleitersystem werden gleich mehrere vorteilhafte Wirkungen erzielt. So wird in einem Resonanzfall der durch den Neutralleiter N fließende Strom IN stark gedämpft. In vielen Fällen verschiebt sich wirksam werdende Induktivität die Resonanzfrequenz zu unkritischerer Werte hin. Gegenüber der in der 2 dargestellten T-Filterstruktur mit jeweils einer eigenen Drossel pro Phasenleiter L1, L2, L3 und Neutralleiter N stellt die Gleichtakt-Gegentaktdrossel 8 ein wesentlich kleineres Bauteil dar, das zudem geringere elektrische Verluste verursacht und kostengünstiger herstellbar ist.By the inventive use of a common mode push-pull choke 8th in a four-conductor system several advantageous effects are achieved. Thus, in a case of resonance, the current I N flowing through the neutral conductor N is strongly attenuated. In many cases, the inductance becoming active shifts the resonant frequency to less critical values. Opposite in the 2 shown T-filter structure, each with its own throttle per phase conductors L1, L2, L3 and neutral N represents the common-mode push-pull choke 8th a much smaller component, which also causes lower electrical losses and is less expensive to produce.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1, 1'1, 1 '
Wechselrichterinverter
22
WechselrichterbrückeInverter bridge
33
Sinusfiltersine filter
3131
Längsdrosselseries choke
3232
Kondensatorcapacitor
44
EMV-FilterEMC filters
4040
Drosselkernreactor core
4141
Drosselwicklungeninductor windings
42 42
erste Kondensatorenfirst capacitors
4343
zweite Kondensatorensecond capacitors
55
GleichspannungsquelleDC voltage source
66
WechselspannungsnetzAC network
77
DrosselspulenanordnungChoke assembly
7171
Drosselspulenreactors
88th
(Gleichtakt-Gegentakt-)Drossel (Drosselspulenanordnung)(Common mode push-pull) choke (choke coil arrangement)
8080
Drosselspulenkern (Ringkern)Choke core (toroidal core)
8181
(Phasen-)Wicklungen(Phase) coils
8282
(Neutralleiter-)Wicklung (vierte Wicklung)(Neutral) winding (fourth winding)
81, 8281, 82
DrosselspulenwicklungenChoke coil windings
L1, L2, L3L1, L2, L3
Phasenleiterphase conductor
MM
Massepotentialground potential
NN
Neutralleiterneutral
L1, L2, L3, NL1, L2, L3, N
Ausgangsleitungenoutput lines

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102005031372 A1 [0005] DE 102005031372 A1 [0005]

Claims (6)

Wechselrichter (1, 1'), – mit einer Wechselrichterbrücke (2), die die Ausgangsspannung einer Gleichspannungsquelle (5) in eine dreiphasige Wechselspannung wandelt und über drei Phasenleiter (L1, L2, L3) und einen Neutralleiter (N) ausgibt, – mit einem der Wechselrichterbrücke (2) nachgeschaltetem Sinusfilter (3), – und mit einer dem Sinusfilter (3) nachgeschalteten Drosselspulenanordnung (7, 8), die jeweils eine Drosselspulenwicklung (71, 81, 82) für jeden Phasenleiter (L1, L2, L3) und für den Neutralleiter aufweist, dadurch gekennzeichnet, – dass die vier Drosselspulenwicklungen (81, 82) der Drosselspulenanordnung (8) auf einem gemeinsamen Drosselspulenkern (80) angeordnet sind, – dass alle drei in die Phasenleiter (L1, L2, L3) geschalteten Drosselspulenwicklungen (81) den gleichen Wicklungssinn aufweisen, – und dass die vierte Drosselspulenwicklung (82), die in den Neutralleiter (N) geschaltet ist, gegensinnig zu den anderen drei Drosselspulenwicklungen (81) gewickelt ist.Inverter ( 1 . 1' ), - with an inverter bridge ( 2 ), which determines the output voltage of a DC voltage source ( 5 ) into a three-phase AC voltage and outputs via three phase conductors (L1, L2, L3) and a neutral conductor (N), - with one of the inverter bridge ( 2 ) downstream sine-wave filter ( 3 ), - and with a sine-wave filter ( 3 ) downstream inductor arrangement ( 7 . 8th ), each having a choke coil winding ( 71 . 81 . 82 ) for each phase conductor (L1, L2, L3) and for the neutral conductor, characterized in that - the four inductor windings ( 81 . 82 ) of the choke coil arrangement ( 8th ) on a common choke coil core ( 80 ) are arranged, - that all three in the phase conductors (L1, L2, L3) connected inductor windings ( 81 ) have the same winding sense, and that the fourth reactor coil winding ( 82 ), which is connected in the neutral conductor (N), in the opposite direction to the other three inductor windings ( 81 ) is wound. Wechselrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Drosselspulenkern (80) als Ringkern ausgebildet ist.Inverter according to Claim 1, characterized in that the choke coil core ( 80 ) is designed as a ring core. Wechselrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein EMV-Filter (4) vorgesehen ist, aufweisend eine Drosselwicklung (41) in jedem Phasenleiter (L1, L2, L3) und in dem Neutralleiter (N) und mit der den Drosselwicklungen (41) nachgeschalteten erste Kondensatoren (42), die zwischen den Phasenleitern (L1, L2, L3) und dem Neutralleiter (N) und zweite Kondensatoren (43) von den Phasenleitern (L1, L2, L3) gegen ein Massepotential (M) geschaltet sind.Inverter according to claim 1, characterized in that an EMC filter ( 4 ) is provided, comprising a throttle winding ( 41 ) in each phase conductor (L1, L2, L3) and in the neutral conductor (N) and with the inductor windings ( 41 ) downstream first capacitors ( 42 ) between the phase conductors (L1, L2, L3) and the neutral conductor (N) and second capacitors ( 43 ) are connected by the phase conductors (L1, L2, L3) against a ground potential (M). Wechselrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenleiter (L1, L2, L3) und der Neutralleiter (N) zur Einspeisung elektrischer Energie mit einem Wechselspannungsnetz (6) verbindbar sind.Inverter according to claim 1, characterized in that the phase conductors (L1, L2, L3) and the neutral conductor (N) for supplying electrical energy with an AC voltage network ( 6 ) are connectable. Wechselrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter (1) Bestandteil einer Photovoltaikanlage ist.Inverter according to claim 1, characterized in that the inverter ( 1 ) Is part of a photovoltaic system. Wechselrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichspannungsquelle (5) ein Solargenerator ist.Inverter according to claim 1, characterized in that the DC voltage source ( 5 ) is a solar generator.
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