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Die Erfindung betrifft ein Stromwandlungssystem, umfassend einen Umrichter, und einen Filter, wobei der Filter eine Gleichtaktdrossel aufweist.
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Insbesondere betrifft die Erfindung den Bereich der Leistungselektronik.
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Ein Umrichter produziert Gleich- und Gegentaktsignale. Während das Gegentaktsignal für die Netzfrequenz genutzt wird, sind die weiteren Gegentaktsignale sowie die Gleichtaktsignale störend.
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Die Gleichtaktsignale spielen bei kleinen Anlagen nur eine untergeordnete Rolle und werden meist ignoriert. Bei größeren Anlagen, Photovoltaikanlagen und/oder Batterien müssen diese jedoch reduziert werden. Bisher werden dabei beispielsweise Y-Kondensatoren eingesetzt. Die Gleichtaktsignale werden dabei in Verbindung mit einer Gleichtaktinduktivität kurzgeschlossen.
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Ferner sind Stromwandlungssysteme bekannt, welche einen Umrichter und einen Filter aufweisen. Der Filter weist hierbei eine Gegentaktdrossel („differential mode“), z.B. eine Drehstromdrossel, und eine Gleichtaktdrossel („common mode“), z.B. einen nanokristallinen Ringkern oder eine Ferritkerndrossel, auf.
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Dabei sind stets mehrere Bauteile notwendig, was zu vergleichsweise hohen Herstellungskosten führt.
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Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein Stromwandlungssystem sowie ein Verfahren zum Umwandeln von Strom zu schaffen, welches auf einfache und kostengünstige Weise sowohl einen Gleichtaktanteil als auch einen Gegentaktanteil drosselt.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch den Gegenstand sowie das Verfahren der unabhängigen Ansprüche.
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Erfindungsgemäß umfasst das Stromwandlungssystem einen Umrichter. Beispielsweise kann es sich bei dem Umrichter um einen Frequenzumrichter oder Wechselrichter handeln.
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Das Stromwandlungssystem umfasst ferner einen Filter. Der Filter weist eine Gleichtaktdrossel mit einer rahmenförmigen Kernstruktur und wenigstens einem Wicklungssatz auf.
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Ein Wicklungssatz bildet eine Spule. Beispielsweise kann ein Wicklungssatz eine oder mehrere Wicklungen aufweisen.
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Bei der Kernstruktur kann es sich insbesondere um eine Magnet- und/oder Eisenkernstruktur handeln.
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Vorzugsweise weist die Gleichtaktdrossel wenigstens zwei oder drei Wicklungssätze auf. Ein oder zwei Wicklungssätze werden z.B. in Ein-Phasen-Systemen, Zwei-Phasen-Systemen und/oder in einem DC-Kreis eingesetzt. Drei Wicklungen werden jedoch bevorzugt, da diese bei Drehstromsystemen Verwendung finden. Die Gleichtaktdrossel kann demnach in Drei-Phasen-Systemen eingesetzt werden.
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Die Wicklungssätze können insbesondere um unterschiedliche Rahmensegmente gewickelt und/oder voneinander beabstandet sein.
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Die Gleichtaktdrossel ist derart ausgebildet, dass Gleichtaktanteile und Gegentaktanteile drosselbar, also im Betrieb insbesondere gedrosselt, sind.
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Insbesondere ist keine separate Gegentaktdrossel vorgesehen. Gleichtaktdrossel und Gegentaktdrossel sind quasi als eine Komponente ausgeführt. Dadurch können Bauteile eingespart und die Herstellungskosten gering gehalten werden. Auch ist eine kleine und/oder kompakte Bauweise möglich.
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Die rahmenförmige Kernstruktur definiert einen von der Kernstruktur freibleibenden Innenbereich. Der Innenbereich ist somit leer und lediglich mit einem Gas, z.B. Luft, gefüllt. Stege oder dergleichen ragen insbesondere nicht in den Innenbereich hinein. Material kann auf diese Weise eingespart werden.
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Es war überraschend, dass eine derartige Konstruktion dazu führt, dass auch ohne separate Gegentaktdrossel die Gegentaktanteile gedrosselt werden. So wurde festgestellt, dass die (parasitäre) Streuinduktivität gewissermaßen die Gegentaktdrossel ersetzt.
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Unter Streuinduktivität versteht man den Anteil der Induktivität, der aufgrund eines Streuflusses bei Bauteilen, die magnetisch miteinander gekoppelt sind, auftritt.
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Durch das erfindungsgemäße Stromwandlungssystem kann daher auf einfache und kostengünstige Weise Strom umgewandelt werden, wobei sowohl ein Gleichtaktanteil als auch einen Gegentaktanteil gedrosselt werden.
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Vorzugsweise kann in den Filter neben der Gleichtaktdrossel auch ein Netzfilter und/oder eine Neutralleiterdrossel integriert sein. So kann der Filter gewissermaßen als „All-in-one“-Filter ausgebildet sein.
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Weiterbildungen der Erfindung sind auch den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung sowie den beigefügten Zeichnungen zu entnehmen.
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Gemäß einer Ausführungsform bildet der Filter eine erste Filterstufe für den Umrichter. Insbesondere ist der Filter unmittelbar vor oder nach dem Umrichter angeordnet. Der Filter bildet somit die erste Leistungsstufe. Jedoch kann der Filter grundsätzlich auch für weitere EMV-Stufen eingesetzt werden, wobei hier die Gegentakt-Induktivitäten ohnehin sehr gering sind und mit kaum oder gar keinem Stromripple der Schaltfrequenz belastet werden.
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Als erste Filterstufen wurden bisher stets mindestens zwei passive Bauelemente, insbesondere eine Gleichtaktdrossel sowie eine Gegentaktdrossel bzw. drei einphasige Drosseln, eingesetzt. Es war überraschend, dass gerade auch bei der ersten Filterstufe die meist sehr hohen Gegentaktanteile mittels der Streuinduktivität gedrosselt werden können und auf eine separate Gegentaktdrossel folglich verzichtet werden kann.
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Insbesondere kann der Filter z.B. in der Leistungselektronik, im Maschinenbau, in der Bahntechnik, im Bereich der erneuerbaren Energien und/oder bei Batteriespeichersystemen eingesetzt werden.
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Nach einer weiteren Ausführungsform ist der Umrichter als, insbesondere dreiphasiger, Einspeiseumrichter und/oder als, insbesondere bidirektionaler, Frequenzumrichter oder Wechselrichter ausgebildet.
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Dreiphasige Einspeiseumrichter sind z.B. als Sechspuls-Brücken-Schaltung (B6U) bekannt. Wird beispielsweise eingangsseitig eine B6U-Brücke eingesetzt, ist der Umrichter insbesondere nicht-rückspeisend.
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Bidirektionale Frequenzumrichter, wie sie z.B. bei Drehstromsystemen verwendet werden, können insbesondere bei rückspeisenden Anlagen eingesetzt werden. Beispielsweise sind bidirektionale Frequenzumrichter als Active Front End (AFE) bekannt.
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Allgemein können z.B. dreiphasige Drosseln verwendet werden.
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Insbesondere umfasst das Stromwandlungssystem einen Drehstromfilter für einen bidirektionalen Umrichter.
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Als Gegentaktinduktivität können beispielsweise Vordrosseln, z.B. Netzdrosseln, oder Chopperdrosseln, z.B. Hochsetzdrosseln, Filterdrosseln, Kommutierungsdrosseln und/oder Rückspeisedrosseln, eingesetzt werden.
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Als Gleichtaktinduktivität können z.B. dreiphasige, stromkompensierte Drosseln verwendet werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Gleichtaktdrossel zusätzlich zur Spannungszeitfläche für die Gleichtaktanteile eine Spannungszeitfläche für die Gegentaktanteile auf.
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Die Spannungszeitfläche entspricht dem Produkt aus Spannung und Zeit.
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Die Gegentaktinduktivität wirkt auf alle Gegentaktanteile, welche die Umrichter erzeugen und ebenso wirkt diese auf die Netzfrequenz. Die wirkende Induktivität auf die Netzfrequenz lässt sich mit der Kurzschlussspannung uk (%) beziffern, wobei sich die uk-Werte im Folgenden insbesondere stets auf die Netzfrequenz bzw. Betriebsfrequenz beziehen.
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Die Kurzschlussspannung der Drehstromdrosseln liegt allgemein bei AFE und B6U bei 1-15% uk.
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Typischerweise haben Netzdrosseln eine uk von 2-4%. Drehstromdrosseln als Chopperdrosseln für AFE haben ca. 4-12% uk. Bei Schaltfrequenzen >20kHz verringert sich die Kurzschlussspannung auf <1%.
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Die Gegentaktinduktivität L, die sich aus der Netzspannung, der Netzfrequenz und der benötigten Kurzschlussspannung für den Umrichter berechnet, ergibt eine Spannungszeitfläche.
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Die Spannungszeitflächen der stromkompensierten Drosseln, die bisher bei allen Umrichtertypen, insbesondere AFE und/oder B6U, in den verschiedenen Filterstufen eingesetzt werden, sind sehr klein und liegen bei <5mVs.
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Alternativ und nach Bedarf wird bei einem AFE-Umrichter der Gleichtaktkreis über eine stromkompensierte Drossel kurzgeschlossenen. Hier wird eine stromkompensierte Drossel mit hoher Spannungszeitfläche eingesetzt.
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Die Höhe dieser Spannungszeitfläche berechnet sich von der Zwischenkreisspannung und der Schaltfrequenz des Umrichters. Zum Teil kann das Regelverfahren der Leistungselektronik des Umrichters noch eine Rolle spielen.
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Erfindungsgemäß wird nun die Spannungszeitfläche der Drehstromdrossel in die stromkompensierte Drossel integriert.
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Insbesondere gilt für die Spannungszeitfläche für Drehstromdrosseln und für die allgemeinen Gleichtaktdrosseln:
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Für die Gleichtaktdrosseln mit kurzgeschlossenem Gleichtaktkreis gilt insbesondere:
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Die Gleichtaktdrossel weist zusätzlich zur Spannungszeitfläche für die Gleichtaktanteile eine Spannungszeitfläche für die Gegentaktanteile auf. So ist die gesamte Spannungszeitfläche der Gleichtaktdrossel größer, als für die Gleichtaktanteile benötigt wird. Der zusätzliche Anteil kann der Streuinduktivität entsprechen, welche für die Netzdrossel benötigt wird. Zumindest ein Teil, vorzugsweise der Hauptteil, der zusätzlich benötigten Streuinduktivität kann durch die Luft im freibleibenden Innenbereich bereitgestellt werden.
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Nach einer weiteren Ausführungsform beträgt die zusätzliche Spannungszeitfläche für die Gegentaktanteile mindestens das 0,5-fache, insbesondere das 1-fache, 2-fache, 3-fache, 4-fache, 5-fache, 6-fache, 7-fache, 8-fache, 9-fache oder 10-fache, der Spannungszeitfläche für die Gleichtaktanteile. Vorzugsweise ist auch die gespeicherte Energie um ein Vielfaches erhöht.
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Bei 2 kHz kann die Gleichtaktdrossel z.B. zusätzlich zu den eigentlichen 80 mVs für die Gleichtaktanteile z.B. 28 mVs für die Gegentaktanteile aufweisen.
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Beispielsweise kann bei 4 kHz die Gleichtaktdrossel zusätzlich zu den eigentlichen 40 mVs für die Gleichtaktanteile z.B. 28 mVs für die Gegentaktanteile aufweisen.
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Bei 8 kHz kann die Gleichtaktdrossel z.B. zusätzlich zu den eigentlichen 20 mVs für die Gleichtaktanteile z.B. 14 mVs oder 28 mVs für die Gegentaktanteile aufweisen.
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Ferner kann insbesondere bei 80 kHz die Gleichtaktdrossel z.B. zusätzlich zu den eigentlichen 2 mVs für die Gleichtaktanteile z.B. 8 mVs für die Gegentaktanteile aufweisen.
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Insbesondere beträgt die Spannungszeitfläche für die Gleichtaktanteile mindestens 1 mVs, vorzugsweise mindestens 2 mVs, 3 mVs, 4 mVs, 5 mVs, 10 mVs oder 20 mVs. Bei 20 mVs kann die zusätzliche Spannungszeitfläche beispielswiese zwischen 100 mVs und 200 mVs betragen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Gleichtaktdrossel für Stromstärken von mindestens 2 A, insbesondere mindestens 3 A, 4 A, 5 A, 6 A, 7 A, 8 A, 9 A, 10 A, 11 A, 12 A, 13 A, 14 A, 15 A, 16 A, 17 A, 18 A, 19 A oder 20 A, ausgelegt. Die Gleichtaktdrossel ist somit vorzugsweise für größere Anlagen konzipiert.
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Nach einer weiteren Ausführungsform ist die Kernstruktur ringförmig oder eckig, insbesondere dreieckig oder rechteckig, vorzugsweise quadratisch, ausgebildet. Die Kernstruktur ist insbesondere geschlossen.
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Die Kernstruktur kann insbesondere dreieckig ausgebildet sein. Die Wicklungssätze können hierbei jeweils um unterschiedliche Rahmensegmente, also Schenkel, gewickelt sein. Jeder Schenkel kann insbesondere genau einen Wicklungssatz aufweisen. Somit kann die Gleichtaktdrossel insbesondere drei Wicklungssätze aufweisen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der freibleibende Innenbereich eine minimale Länge von mindestens 15 mm auf.
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Die minimale Länge kann insbesondere mindestens 16 mm, 17 mm, 18 mm, 19 mm, 20 mm, 25 mm, 30 mm, 50 mm, 75 mm, 100 mm, 150 mm, 200 mm, 250 mm oder 300 mm betragen.
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Bei einem quadratischen Querschnitt kann die Länge der Breite entsprechen. Beispielsweise kann die Querschnittsfläche des Innenbereichs mindestens 15 mm x 15 mm oder 16 mm x 16 mm betragen.
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Bei einem runden Querschnitt entspricht die Länge dem Durchmesser. So kann der Innenbereich z.B. einen Durchmesser von mindestens 15 mm oder 16 mm aufweisen.
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Es handelt sich somit um vergleichsweise große Gleichtaktdrosseln, welche bei größeren Anlagen eingesetzt werden können.
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Die Erfindung betrifft auch die Verwendung eines eine Gleichtaktdrossel mit einer rahmenförmigen Kernstruktur und wenigstens einem Wicklungssatz aufweisenden Filters als erste Filterstufe für einen Umrichter.
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Die Gleichtaktdrossel ist derart ausgebildet, dass Gleichtaktanteile und Gegentaktanteile drosselbar sind, wobei die rahmenförmige Kernstruktur einen von der Kernstruktur freibleibenden Innenbereich definiert.
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Schließlich betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Umwandeln von Strom mit einem erfindungsgemäßen Stromwandlungssystem, bei dem die Gleichtaktdrossel Gleichtaktanteile und Gegentaktanteile drosselt.
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Alle hier beschriebenen Ausführungsformen und Bauteile der Vorrichtung sind insbesondere dazu ausgebildet, z.B. mittels einer Steuerungsvorrichtung, nach dem hier beschriebenen Verfahren betrieben zu werden. Ferner können alle hier beschriebenen Ausführungsformen der Vorrichtung sowie alle hier beschriebenen Ausführungsformen des Verfahrens jeweils miteinander kombiniert werden, insbesondere auch losgelöst von der konkreten Ausgestaltung, in deren Zusammenhang sie erwähnt werden.
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Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
- 1 eine schematische Seitenansicht einer Drehstromdrossel gemäß dem Stand der Technik,
- 2 eine schematische Seitenansicht einer Ausführungsform einer Gleichtaktdrossel gemäß dem Stand der Technik,
- 3 eine schematische Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform einer Gleichtaktdrossel gemäß dem Stand der Technik,
- 4 eine schematische Seitenansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Gleichtaktdrossel,
- 5 eine schematische Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Gleichtaktdrossel, und
- 6 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Stromwandlungssystems.
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Zunächst ist zu bemerken, dass die dargestellten Ausführungsformen rein beispielhafter Natur sind. So können einzelne Merkmale nicht nur in der gezeigten Kombination, sondern auch in Alleinstellung oder in anderen technisch sinnvollen Kombinationen realisiert sein. Beispielsweise können die Merkmale einer Ausführungsform beliebig mit Merkmalen einer anderen Ausführungsform kombiniert werden. Insbesondere kann die Form der Kernstruktur und/oder die Anzahl an Wicklungssätzen variieren.
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Enthält eine Figur ein Bezugszeichen, welches im unmittelbar zugehörigen Beschreibungstext nicht erläutert wird, so wird auf die entsprechenden vorhergehenden bzw. nachfolgenden Ausführungen in der Figurenbeschreibung Bezug genommen. So werden für gleiche bzw. vergleichbare Bauteile in den Figuren dieselben Bezugszeichen verwendet und diese nicht nochmals erläutert.
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1 zeigt eine Drehstromdrossel 10 als Gegentaktinduktivität bzw. Gegentaktdrossel gemäß dem Stand der Technik. Hierbei sind drei Wicklungssätze 12, 14, 16 vorgesehen.
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In 2 und 3 sind verschiedene Ausführungsformen einer stromkompensierten Drossel 18 als Gleichtaktinduktivität bzw. Gleichtaktdrossel dargestellt.
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Bei AFE-Umrichtern wird der Gleichtaktkreis über eine stromkompensierte Drossel 18 kurzgeschlossenen. Hier werden stromkompensierte Drosseln 18 mit einer hohen Spannungszeitfläche eingesetzt.
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Die Höhe dieser Spannungszeitflächen berechnet sich von der Zwischenkreisspannung und der Schaltfrequenz des Umrichters. Zum Teil kann das Regelverfahren der Leistungselektronik des Umrichters noch eine Rolle spielen.
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In 4 ist eine erfindungsgemäße Gleichtaktdrossel 18 dargestellt. Die Gleichtaktdrossel weist eine rahmenförmige, dreieckige Kernstruktur 20 auf.
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Wie in 5 dargestellt ist, kann die rahmenförmige Kernstruktur 20 alternativ auch ringförmig ausgebildet sein.
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Die in 4 und 5 dargestellten Gleichtaktdrosseln 18 weisen jeweils drei Wicklungssätze 12, 14, 16 auf. Die Wicklungssätze 12, 14, 16 sind um unterschiedliche Rahmensegmente gewickelt und voneinander beabstandet.
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Die Gleichtaktdrosseln 18 sind derart ausgebildet, dass diese sowohl Gleichtaktanteile als auch Gegentaktanteile drosseln.
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Dazu weist die rahmenförmige Kernstruktur 20 einen von der Kernstruktur 20 freibleibenden Innenbereich 22 auf.
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6 zeigt ein erfindungsgemäßes Stromwandlungssystem, umfassend ein Netz 24 sowie einen Umrichter 26.
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Die Kapazitäten wurden aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt.
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Eine dreiphasige Gleichtaktdrossel 18 ist als erste Filterstufe des Umrichters 26 vorgesehen.
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Optional kann vor dem Netz 24 eine Netzvordrossel 28 vorgesehen sein. Eine Netzvordrossel 28 wird z.B. bei großen Anlagen eingesetzt.
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Die Gleichtaktdrossel 18 bildet, gegebenenfalls mit der Netzvordrossel 28, einen Filter 30.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Drehstromdrossel, Gegentaktinduktivität, Gegentaktdrossel
- 12
- Wicklungssatz
- 14
- Wicklungssatz
- 16
- Wicklungssatz
- 18
- stromkompensierte Drossel, Gleichtaktinduktivität, Gleichtaktdrossel
- 20
- Kernstruktur
- 22
- Innenbereich
- 24
- Netz
- 26
- Umrichter
- 28
- Netzvordrossel
- 30
- Filter
