DE102019130839A1

DE102019130839A1 - Eine Induktorbaugruppe

Info

Publication number: DE102019130839A1
Application number: DE102019130839.9A
Authority: DE
Inventors: Stefan Strandberg; Nicklas Södö
Original assignee: Vacon Oy
Current assignee: Vacon Oy
Priority date: 2019-11-15
Filing date: 2019-11-15
Publication date: 2021-05-20
Also published as: CN112820513A; US20210151240A1

Abstract

Eine Induktorbaugruppe zur Verwendung in einem Leistungswandler zum Transferieren von Leistung zwischen einem DC-Spannungsnetzwerk und einem mehrphasigen AC-Spannungsnetzwerk.Die Induktorbaugruppe umfasst einen Kern zum Führen eines Magnetflusses und Spulen zum Generieren eines Magnetflusses, wobei der Kern erste Schenkel mit um die ersten Schenkel herumgewickelten Gegentakt-Spulendrähten und mindestens einen zweiten Schenkel mit mindestens zwei um den zweiten Schenkel herum gewickelten Gleichtakt-Spulendrähten besitzt. Die Wicklungsrichtung beider AC- und DC-seitigen Spulen ist derart, dass ein elektrischer Gleichtaktstrom, der in beiden Spulen in der gleichen Richtung fließt, in jedem Kernschenkel einen Magnetfluss induziert, der den in dem Kern zirkulierenden Gesamtfluss verstärkt.

Description

Erfindungsgebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Induktorbaugruppe, die bevorzugt in einem Leistungswandler zum Übertragen von Leistung zwischen einem Gleichstrom(DC)-Spannungsnetzwerk und einem mehrphasigen Wechselstrom(AC)-Spannungsnetzwerk verwendet wird.
Hintergrund der Erfindung
Inverter finden breite Anwendung in Leistungselektronikanwendungen bei der Umwandlung zwischen DC-Leistung und AC-Leistung. Der häufigste Invertertyp, PWM-Inverter, wandelt eine DC-Versorgungsspannung in eine AC-Ausgangsspannung um, die aus Impulsen mit variierenden Breiten besteht. Die Ausgangsspannung wird hier durch ein wohlbekanntes Impulsbreitenmodulations(PWM)-Verfahren mit einem Ziel gebildet, das Ausgangsspannungsimpulsmuster mit einer gewünschten Grundkomponente und einem minimalen Gehalt an nachteiligen Oberwellen zu bilden.
Der mittlere Istwert des PWM-Spannungsmusters ist nicht null wie z.B. in einer dreiphasigen symmetrischen sinusförmigen Spannungswellenform, variiert aber innerhalb des DC-Versorgungsspannungsbereichs. Ein mittlerer Spannungswert außer null bildet eine gemeinsame Spannungskomponente für alle Phasen, wodurch ein sogenannter Gleichtaktstrom generiert wird, der sowohl in dem DC- als auch in dem AC-Netzwerk zirkuliert, die mit der Einrichtung verbunden sind, und schädliche Auswirkungen für die Umgebung verursachen kann. Mit den allgemein verwendeten Modulationsverfahren sind die Gleichtaktspannung und der generierte Gleichtaktstrom umso höher, je niedriger der Wert der Inverterausgangs-AC-Spannung ist. Bei einigen Anwendungen ist eine impulsförmige Spannung nicht akzeptabel, so dass die AC-Ausgangsspannung näher an eine sinusförmige Wellenform gefiltert werden muss. Dies ist z.B. bei vielen Anwendungen mit erneuerbarer Energie der Fall, wo die generierte elektrische Leistung in das öffentliche Energieverteilungsnetz eingespeist wird.
Eine häufig verwendete Filterlösung in PWM-Anwendungen ist das sogenannte LCL-Filter, das zwischen die Inverterausgangsanschlüsse und das Stromverteilungsnetzwerk gekoppelt ist, wie in 1 dargestellt. Ein LCL-Filter umfasst normalerweise ein kapazitives Filter, das zwischen ein erstes und ein zweites induktives Filter gekoppelt ist. Der Nachteil dieses Filtertyps sind die induktiven Komponenten, die typischerweise groß und schwer sind, wobei sie erhebliche Leistungsverluste erzeugen. Somit erfordert das Filter ein richtiges Gehäuse und eine effiziente Kühlanordnung. Um den Gleichtaktstrom zu begrenzen, wird bei dieser Filteranordnung möglicherweise ein zusätzlicher Gleichtaktinduktor benötigt. Insgesamt vergrößert das LCL-Filter die Größe und die Kosten der Installation erheblich.
Eine andere bekannte Filterlösung in PWM-Anwendungen umfasst eine Reihenschaltung aus Induktoren in Verbindung mit einer kapazitiven Filteranordnung, wie in 2 vorgelegt. Bei einer Ausführungsform dieses Filters befinden sich die Induktoren auf der gleichen Magnetkernstruktur, so dass jede der Gegentaktwicklungen um ihren eigenen Kernschenkel gewickelt ist. Ein Nachteil bei diesem Filter besteht darin, dass der gesamte AC-Strom, d.h. alle seine Gegentakt- und Gleichtaktkomponenten, entlang beiden in Reihe gekoppelten Induktoren fließen muss. Insbesondere bei einem Arbeitspunkt mit gleichzeitig niedriger AC-Ausgangsspannung und hohem Ausgangsstrom wird der Gleichtaktinduktor gleichzeitig mit einem Worst-Case-Gleichtaktstrom und einem Worst-Case-Gegentaktstrom belastet. Diese Situation muss deshalb als die Grundlage für die Auslegung der Gleichtaktspule und des Magnetkernschenkels genommen werden.
Kurze Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung einer neuartigen Induktorbaugruppe zur Verwendung in einem Leistungswandler, der Leistung zwischen einem DC-Spannungsnetzwerk und einem mehrphasigen AC-Spannungsnetzwerk umwandelt. Die Erfindung vermeidet die Nachteile des Stands der Technik, wie etwa eine schwere LCL-Filterschaltung oder das Bemessen eines Gleichtaktinduktors bei gleichzeitigen Worst-Case-Gegen- und Gleichtakt-Stromkomponenten.
Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst die Induktorbaugruppe eine Gegentaktspule, die zwischen jedem AC-Anschluss einer Inverterbrücke und jedem entsprechenden AC-Netzwerkphasenanschluss gekoppelt ist, und eine Gleichtaktspule, die zwischen jedem Inverterbrücken-DC-Anschluss und jedem entsprechenden DC-Netzwerkanschluss gekoppelt ist. Alle Spulen befinden sich auf der gleichen magnetisierbaren Kernstruktur, so dass jeder der Gegentakt-Spulendrähte um seinen eigenen phasenspezifischen Kernschenkel gewickelt ist und alle Gleichtakt-Spulendrähte um einen anderen Schenkel des Kerns gewickelt sind, wobei dieser Schenkel von dem Schenkel der Gegentaktspulen verschieden ist. Die Spulendrähte sind derart um ihre Kernschenkel gewickelt, dass ein elektrischer Gleichtaktstrom, der zwischen dem DC- und AC-Netzwerk in den Spulen in der gleichen Richtung fließt, in jedem Kernschenkel einen Magnetfluss induziert, der den Gesamtmagnetfluss, der in dem Kern zirkuliert, verstärkt.
Die Induktorbaugruppe zur Verwendung in dem Leistungswandler umfasst einen Kern zum Führen eines Magnetflusses und Spulen zum Generieren eines Magnetflusses. Der Kern besitzt erste Schenkel mit um die ersten Schenkel gewickelten Gegentakt-Spulendrähten und mindestens einen zweiten Schenkel mit mindestens zwei um den zweiten Schenkel gewickelten Gleichtakt-Spulendrähten. Die ersten und zweiten Schenkel sind über Joche verbunden, wodurch das Fließen eines Magnetflusses von einem Schenkel durch die Joche zu einem anderen ermöglicht wird. Der Kern der Gegentaktspulen steht in Magnetflusskommunikation mit dem Kern der Gleichtaktspulen. Der Vorteil eines derartigen Induktorbaugruppendesigns sind reduzierte mechanische Größe und reduzierte Leistungsverluste bei Verwendung in einem Leistungswandler, insbesondere einem Leistungswandler unter Verwendung einer Impulsbreitenmodulation einer DC-Spannung, um eine Approximation einer Sinuskurve zu erzeugen. Tests sind durchgeführt worden und es stellte sich heraus, dass es insbesondere bei einer Teillast einer derartigen PWM-Modulation eine signifikante Reduktion bei den Leistungsverlusten gibt. Die erfindungsgemäße Induktorbaugruppe kann beispielsweise in einem Frequenzwandler verwendet werden, wo die DC-Zwischenspannung über einen Inverter in eine sinusförmige Spannung umgewandelt wird. Die Gleichtaktspulen werden jeweils in der Plus- und der Minus-Sammelschiene platziert, und die Gegentaktspulen werden in Reihe mit den Ausgangsdrähten des Inverters platziert. Die Last für den Frequenzwandler ist typischerweise ein Motor.
Vorteilhafterweise werden die Gleichtaktinduktoren nebeneinander, Seite an Seite, platziert. Die mindestens zwei Gleichtakt-Spulendrähte sind um den gleichen Schenkel gewickelt, voneinander versetzt, und im Wesentlichen ohne mechanischen Kontakt. Beim Einkoppeln von elektrischem Strom in die Spulen werden sich beide Spulen den induzierten Magnetfluss in dem Schenkel teilen. Das Platzieren der Spulen Seite an Seite gestattet eine leichte Herstellung der Induktorbaugruppe.
Vorteilhafterweise sind die Spulen der Gleichtakt-Induktordrähte koaxial derart um den zweiten Schenkel gewickelt, dass ein innerer Gleichtakt-Spulendraht um den Schenkel gewickelt ist und der andere Gleichtakt-Spulendraht um die innere Spule gewickelt ist. Die andere Gleichtaktspule steht somit nicht in direktem Kontakt mit dem Schenkel. Der Vorteil dieses Designs besteht darin, dass die Induktorbaugruppe mit kleinerer Größe hergestellt werden kann, da der Schenkel nur eine Höhe entsprechend einer Spulenerstreckung in der Längsrichtung besitzen muss.
Bei einer anderen Ausführungsform sind die Drähte der mindestens zwei Gleichtakt-Spulendrähte als verdrilltes Leiterpaar umeinander gewickelt und dann um den zweiten Schenkel gewickelt. Dies liefert eine effektive Aufhebung von etwaigen, die Spulen beeinflussenden externen Feldern.
Die Induktorbaugruppe kann alternativ Drähte der mindestens zwei Gleichtakt-Spulendrähte besitzen, die Seite an Seite oder aufeinander um den zweiten Schenkel gewickelt sind. Dieses Design gestattet eine leichtere Herstellung als die Lösung mit dem verdrillten Leiterpaar.
Die Gleichtaktspulen sollten durch Isolationsmaterial zwischen den Spulen und dem zweiten Schenkel getrennt sein. Die DC-Spannung kann je nach dem Nennwert des Leistungswandlers im Bereich von 300 bis 800 Volt liegen, und eine flache Isolationsfolie wird Spannungsfunken zu dem zweiten Schenkel verhindern. Alternativ kann der Draht der Spulen durch einen dicken Isolator isoliert sein, doch erhöht dies die Dicke der Spule. Dementsprechend sollte eine Isolation zwischen den beiden Gleichtaktspulen hergestellt werden.
Die Induktorbaugruppe besitzt eine mechanische Struktur, die die ersten und zweiten Schenkel des Kerns in einer geraden Linie nebeneinander platziert, und die Enden der ersten und zweiten Schenkel sind dabei durch Joche miteinander verbunden. Die Schenkel sind in einer Reihe platziert. Dies entspricht einem E-förmigen Kern, aber mit einem zusätzlichen Schenkel, der zu dem E hinzugefügt ist. Bei einer Umsetzung besitzt der Kern zwei Schenkel jeweils mit einer Gegentaktspule und einen Schenkel mit zwei Gleichtaktspulen. Bei einer anderen Umsetzung gibt es drei Schenkel für Gegentaktspulen.
Die Induktorbaugruppe besitzt somit mindestens drei Schenkel in einer geraden Linie, wobei ein Schenkel ein äußerer Schenkel ist, dann ein mittlerer Schenkel und wieder ein äußerer Schenkel. Vorteilhafterweise sind die beiden Gleichtaktspulen nicht auf einem mittleren Schenkel platziert, sondern auf einem der äußeren Schenkel. Hierdurch wird ein Ungleichgewicht bei dem Magnetfluss in dem Kern vermieden.
Die Induktorbaugruppe ist eine Ausführungsform, die davon verschieden ist, Schenkel in einer Reihe zu haben. Stattdessen ist der zweite Schenkel mittig platziert und die ersten Schenkel sind außerhalb der Mitte um den mittig platzierten zweiten Schenkel platziert, wobei die Enden des ersten und zweiten Schenkels durch Joche miteinander verbunden sind. Diese Anordnung aus Schenkeln und Spulen liefert eine besonders gute Verteilung des Magnetflusses durch die Joche.
Die Gegentakt-Spulendrähte auf den ersten Schenkeln sind vorteilhafterweise in der gleichen Richtung um die jeweiligen Schenkel gewickelt, d.h. die gleiche Richtung im Uhrzeigersinn oder entgegen dem Uhrzeigersinn. Das Gleiche gilt für die Gleichtaktspulen auf dem zweiten Schenkel, wobei die Spulendrähte in der gleichen Richtung gewickelt sind, d.h. der gleichen Richtung im Uhrzeigersinn oder entgegen dem Uhrzeigersinn.
Die Induktorbaugruppe ist besonders nützlich bei Leistungswandlern bei Verwendung in Verbindung mit einem kapazitiven Filter. Der Gegentaktinduktor und der Gleichtaktinduktor sind elektrisch mit einer kapazitiven Filterschaltung des Leistungswandlers verbunden, und der Gegentaktinduktor ist weiterhin mit einer AC-Netzwerkseite verbunden. Der Gleichtaktinduktor ist weiterhin mit einer DC-Netzwerkseite verbunden. Dieses kombinierte induktive und kapazitive Filter hat sich als besonders effektiv herausgestellt.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung enthält die DC-seitige Gleichtakt-Induktorstruktur auch eine Gegentaktinduktivität, so dass die Gegentaktinduktivität unter 15% der Gleichtaktinduktivität liegt.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Filteranordnung auch eine kapazitive Kopplung zwischen den DC- und AC-Netzwerkanschlüssen. Eine vorteilhafte Filteranordnung enthält eine erste Kondensatorgruppe, die einen Kondensator zwischen jedem DC-Netzwerkanschluss und einem Sternpunkt einer zweiten Kondensatorgruppe, die einen Kondensator zwischen jedem AC-Netzwerkanschluss und dem Sternpunkt umfasst, umfasst.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der Sternpunkt der kapazitiven Filteranordnung über einen Kondensator an Masse gekoppelt.
Gemäß der Erfindung ist ein Netzwerk von Kondensatoren von dem AC-Netzwerk zu dem DC-Netzwerk gekoppelt, um Gleichtaktstrom zu filtern.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird die Erfindung in einem System eingesetzt, wobei das angeschlossene AC-Netzwerk mindestens zwei Phasen besitzt und das angeschlossene DC-Netzwerk mindestens zwei Pole besitzt.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Leistungswandler mit der erfindungsgemäßen Induktorbaugruppe versehen und wird eingesetzt zum Übertragen von Leistung zwischen einem DC-Netzwerk und einem mehrphasigen AC-Netzwerk in einem System, wobei die Leistung zu dem DC-Netzwerk durch eine Batterie, ein gleichgerichtetes AC-Netzwerk oder durch eine erneuerbare Quelle wie etwa ein Solarpanel oder eine Windturbine geliefert wird.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird der mit der Induktorbaugruppenanordnung versehene Leistungswandler eingesetzt, um Leistung zwischen einem DC-Netzwerk und einem mehrphasigen AC-Netzwerk in einem System zu übertragen, wobei die Leistung zu dem AC-Netzwerk durch einen AC-Generator oder durch ein AC-Netzwerk geliefert wird.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der Leistungswandler mit der Induktorbaugruppe versehen und wird zum Übertragen von Leistung zwischen einem DC-Netzwerk und einem mehrphasigen AC-Netzwerk in einem System eingesetzt, wobei das DC-Netzwerk durch ein Batterieladegerät oder durch einen AC-Motor über einen Inverter geladen wird.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der Leistungswandler mit der Induktorbaugruppe versehen und wird zum Übertragen von Leistung zwischen einem DC-Netzwerk und einem mehrphasigen AC-Netzwerk in einem System eingesetzt, wobei das AC-Netzwerk durch ein AC-Netzwerk oder durch einen AC-Motor geladen wird.
Figurenliste
Unter der Erfindung erscheint eine ausführlichere Erläuterung unter Verwendung von Beispielen mit Bezugnahmen auf die beigefügten Figuren. Es zeigen

1 eine Filteranordnung nach dem Stand der Technik,
2 eine Filteranordnung nach dem Stand der Technik,
3 eine Filteranordnung unter Verwendung einer Induktorbaugruppe gemäß der vorliegenden Erfindung,
4 eine Filteranordnung unter Verwendung einer Induktorbaugruppe gemäß der vorliegenden Erfindung,
5 eine Induktorbaugruppe gemäß der vorliegenden Erfindung,
6 einen Magnetflussstrom in dem Induktorbaugruppenkern gemäß der vorliegenden Erfindung,
7 ein Stromverteilungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung,
8 in einer Grafik den elektrischen Leistungsverlust für die erfindungsgemäße Filteranordnung im Vergleich mit dem Stand der Technik,
9 die mit dem DC-Netzwerk verbundene erste Induktoranordnung, wobei mehrere Drähte um einen einzelnen Magnetkernschenkel nebeneinander gewickelt sind,
10 eine mit dem DC-Netzwerk verbundene erste Induktoranordnung, wobei mehrere Drähte um einen einzelnen Kernschenkel in koaxialen Schichten gewickelt sind,
11 eine mit dem DC-Netzwerk verbundene erste Induktoranordnung, wobei mehrere Drähte um einen einzelnen Kernschenkel als verdrillte Leiterpaare gewickelt sind,
12 eine mit dem DC-Netzwerk verbundene Induktoranordnung, wobei mehrere Drähte um einen einzelnen Kernschenkel mit nebeneinander angeordnet gewickelt sind,
13 die Filterkernanordnung mit Induktoren für das DC-Netzwerk in der Mitte und mit Induktoren für das AC-Netzwerk, die sich um die Induktoren für das DC-Netzwerk herum befinden,
14 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Induktorbaugruppe,
15 eine weitere Ausführungsform der Erfindung.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung
1 präsentiert ein vereinfachtes Hauptschaltungsdiagramm eines Leistungswandlers 10 nach dem Stand der Technik zum Übertragen von Leistung zwischen einem mehrphasigen AC-Spannungsnetzwerk U_AC12 und einem DC-Spannungsnetzwerk U_DC11, als eine einzelne Linienzeichnung gezeigt. In der Wandleranordnung wird die DC-Versorgungsspannung U_DC11 durch eine Invertereinheit INU₁₁ in eine dreiphasige AC-Spannung U_AC11 umgewandelt. Die Ausgangsspannung U_AC11 besteht aus Impulsen mit einer Amplitude entsprechend der DC-Spannung der Zwischenschaltung der Invertereinheit INU₁₁. Diese Spannung kann normalerweise aufgrund des hohen Gehalts an den schädlichen Oberwellen ihrer impulsartigen Spannungsform nicht an das öffentliche Stromversorgungsnetz angeschlossen werden. Dieser Anschluss muss deshalb durch einen schweren Filter erfolgen, der das Meiste der schädlichen Oberwellen entfernt. Normalerweise besteht das Filter, wie etwa das LCL₁₁ in 1, aus einer ersten Gegentaktinduktanz L₁₁ , einer zweiten Gegentaktinduktanz L₁₂ und einer Kapazität C₁₁ zwischen den Induktanzen. Um den durch das AC-Netzwerk gelieferten Gleichtaktstrom zu begrenzen, ist in der Filteranordnung möglicherweise auch ein zusätzlicher Gleichtaktinduktor L₁₃ notwendig.
2 präsentiert ein Hauptschaltungsdiagramm eines anderen Leistungswandlers 20 nach dem Stand der Technik zum Übertragen von Leistung zwischen einem DC-Spannungsnetzwerk mit den Polen DC+, DC-, durch einen Energiespeicherkondensator C₂₁ gefiltert, und einem dreiphasigen AC-Spannungsnetzwerk mit den Phasen U, V, W. Die Inverterbrücke B₂₀ , die in einer vereinfachten Form gezeigt ist, wie für den Fachmann offensichtlich ist, generiert eine dreiphasige AC-Ausgangsspannung. Die Ausgangsspannung wird aufgrund ihrer gepulsten Form gefiltert, um eine sinusförmige Wellenform zu erhalten, indem eine Filteranordnung verwendet wird, die einen dreiphasigen Gegentaktinduktor L₂₁ und einen dreiphasigen Gleichtaktinduktor L₂₂ enthält, in Reihe zwischen Inverter-AC-Anschlüsse U₂, V₂, W₂ und entsprechende Netzwerkanschlüsse U, V, W geschaltet. Die Filteranordnung enthält weiterhin eine erste Kondensatorgruppe C₂₃ , C₂₄ zwischen jedem Spannungsnetzwerkpol DC+, DC- und einem Sternpunkt N₂ und eine zweite Kondensatorgruppe C₂₆ ... C₂₈ zwischen jeder AC-Spannungsnetzwerkphase U, V, W und dem Sternpunkt N₂ . Der Sternpunkt N₂ kann über den Kondensator C₂₉ an Erdepotential angeschlossen sein.
3 präsentiert ein Hauptschaltungsdiagramm eines Leistungswandlers 30 zum Übertragen von Leistung zwischen einem DC-Spannungsnetzwerk und einem dreiphasigen AC-Spannungsnetzwerk. Die Inverterbrücke B₃₀ ist hier ähnlich der des Leistungswandlers 20. Ein Energiespeicherfilterkondensator C₃₁ ist an die DC-Anschlüsse B₃+, B₃- der Brücke B₃₀ gekoppelt. Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst die Filteranordnung im Leistungswandler 30 einen Gleichtaktinduktor L₃₂ auf der DC-Spannungsnetzwerkseite der Inverterbrücke, eine Spule auf beiden Leitungen zwischen den Inverteranschlüssen B₃+, B₃- und entsprechenden DC-Netzwerkpolen DC+, DC-. Ansonsten ist die Filteranordnung ähnlich der des Leistungswandlers 20, einschließlich einem dreiphasigen Gegentaktinduktor L₃₁ zwischen Inverter-AC-Anschlüssen U₃, V₃, W₃ und entsprechenden AC-Netzwerkphasen U, V, W. Die durchgezogenen Linien neben den Induktorsymbolen stellen magnetisierbare Kernschenkel der Induktorspulen dar. Das kapazitive Filter umfasst in diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung eine erste Kondensatorgruppe C₃₃ , C₃₄ zwischen jedem DC-Spannungsnetzerkpol DC+, DC- und einem Sternpunkt N₃ und eine zweite Kondensatorgruppe C₃₆-C₃₈ zwischen jeder AC-Spannungsnetzwerkphase U, V, W und dem Sternpunkt N₃ . Der Sternpunkt N₃ kann über den Kondensator C₃₉ mit Erdepotential verbunden sein. Der Kern des Gleichtaktinduktors L₃₂ ist über ein Kernteil LS mit dem Kern des Gegentaktinduktors L₃₁ verbunden. Somit stehen die Magnetfelder in den Kernteilen in direkter Kommunikation miteinander und beeinflussen einander.
Wie bekannt ist, sinkt bei konstantem Ausgangsstrom die Inverter-DC-Eingangsleistung, falls die AC-Ausgangsfrequenz sinkt. Somit ist der DC-Eingangsstrom bei niedrigen Ausgangsfrequenzen niedrig, was, wenn die Filteranordnung der vorliegenden Erfindung verwendet wird, einen bemerkenswerten Vorteil aufgrund von geringen Leistungsverlusten in dem Gleichtaktinduktor mit sich bringt. Im Stand der Technik sind, wenn alle Induktoren auf der AC-Seite des Inverters platziert sind, der Induktorstrom und die zum Strom proportionalen Verluste nicht von der Ausgangsfrequenz abhängig.
Die neuartige Idee setzt der Anzahl von AC-Netzwerkphasen keine Beschränkung, z.B. ist eine einphasige AC-Versorgung eine mögliche Ausführungsform, obwohl in den Beispielen in diesem Dokument dreiphasige Netzwerke verwendet werden. Außerdem kann die Anzahl an DC-Netzwerkpolen über 2 liegen. 4 präsentiert ein Beispiel eines Hauptschaltungsdiagramms eines Leistungswandlers 40, wobei eine Inverterbrücke B₄₀ ein dreistufiges AC-Ausgangsspannungsmuster aus einer doppelpoligen DC-Spannungsversorgung generieren kann. Da diese Arten von Inverterbrückentypen - wie NPC, TNPC, ANPC - einem Fachmann vertraut sind, wird die Brücke hier nur in vereinfachter Form präsentiert. Eine Filteranordnung umfasst einen Gleichtaktinduktor L₄₂ auf der DC-Netzwerkseite der Inverterbrücke, eine Spule zwischen jedem Inverter-DC-Anschluss B₄+, B_4N , B₄- und entsprechende DC-Netzwerkpole DC+, N, DC-. Ansonsten ist die Filteranordnung der des Leistungswandlers 30 ähnlich, einschließlich Energiespeicherfilterkondensatoren C₄₁ , C₄₂ bei beiden Polaritäten der DC-Versorgung, einer ersten Filterkondensatorgruppe C₄₃ ... C₄₅ zwischen jedem DC-Netzwerkpol und einem Sternpunkt N₄ , einer zweiten Filterkondensatorgruppe C₄₆ ... C₄₈ zwischen jeder AC-Netzwerkphase und dem Sternpunkt N₄ und einem Kondensator C₄₉ zum Erden des Sternpunkts N₄ .
5 zeigt die Hauptstruktur eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels einer Induktorbaugruppe gemäß der vorliegenden Erfindung. Der magnetisierbare Kern des Induktors umfasst vier Schenkel 51-54, die durch Joche 55, 56 verbunden sind. Der dreiphasige Gegentaktinduktor L₃₁ (3) wird durch die Drähte um die Schenkel 52-54 gebildet. Der Gleichtaktinduktor L₃₂ wird um die um einen einzelnen Schenkel 51 gewickelten Drähte gebildet. Ein kleiner schwarzer Punkt bei jeder Spule zeigt die Richtung der Windungsdrehung um einen Schenkel an, und Markierungen bei Spulenenden zeigen Induktorverbindungen zu anderen Teilen der Wandlerschaltungsanordnung in 3 an. Es sei angemerkt, dass die Gleichtakt-Induktorwicklungen auch um getrennte Kernschenkel herum montiert werden können, anstatt den oben präsentierten einzelnen Schenkel 51.
6 veranschaulicht den Magnetflussstrom in einem magnetisierbaren Kern von 5. In der Figur stellt der gestrichelte Bereich den magnetischen Kern dar, und die Schenkel sind mit Zahlen 51-54 markiert, wie in 5.
Der obere Teil der Figur veranschaulicht einen Flussstrom ohne Gleichtakt-Stromkomponente in der Leistungswandlerschaltung. In dieser Situation sind die Ströme beider Wicklungen um den Schenkel 51 herum gleich, aber entgegengesetzt (d.h. Strom von DC+ bis B₃+ ist gleich dem Strom von B₃- zu DC- in 3), somit sind auch die Magnetflüsse Φ_dmD , die sie im Schenkel 51 erzeugen, gleich und heben einander auf. Dies bedeutet, dass der Gleichtaktinduktor in dieser Situation keine Wirkung auf die Wandleroperation hat. Der Strom in jeder Gegentakt-Induktorspule um die Schenkel 52-54 herum erzeugt seinen eigenen Magnetfluss. Normalerweise beträgt die Summe der Ausgangsströme null, weshalb auch die Summe der Flüsse Φ_dmA in den Schenkeln 52-54 null ist und kein Teil dieser Flüsse über den Schenkel 51 zirkuliert (trotz der gemeinsamen mechanischen Struktur haben der Gleichtaktinduktor und der Gegentaktinduktor keine Wirkung aufeinander).
Der untere Teil von 6 veranschaulicht einen Flussstrom mit einem Gleichtaktstrom in der Leistungswandlerschaltung (Gleichtaktstrom = Strom, der zwischen den angeschlossenen DC- und AC-Netzwerken in die gleiche Richtung in allen Hauptschaltungsleitungen fließt, z.B. von DC+ zu B₃+ und DCzu B₃- in 3). In dieser Situation sind die Stromrichtungen von beiden Spulen um den Schenkel 51 die gleichen, somit ist auch die Richtung von Magnetflüssen Φ_cmD , die sie erzeugen, die gleiche und sie verstärken einander. Der gleiche Gleichtaktstrom fließt auch über die Gegentaktinduktor-L₃₁-Spulen und verstärkt aufgrund der Richtung der Induktorwicklungsdrehung um die Kernschenkel weiterhin den zirkulierenden Magnetfluss Φ_cmA in den Schenkeln 52-54. Somit verstärken in dieser Gleichtaktsituation alle Spulen mit Wicklungen den zirkulierenden Magnetfluss, was bedeutet, dass alle Wicklungen eine Impedanz für den Gleichtaktstromfluss darstellen, was bezüglich Reduktion des Gleichtaktstroms vorteilhaft ist.
7 präsentiert ein Beispiel eines elektrischen Stromverteilungssystems, wobei ein Leistungswandler PC eine Filteranordnung gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet. Die Figur zeigt auf der Hauptebene verschiedene Alternativen, die jedoch in einem realen System nicht notwendigerweise gleichzeitig auftreten.
In dem Beispiel kann die elektrische Leistung zu dem System durch eine Windturbine WT über einen Leistungswandler PC1, durch ein Solarpanel SP über einen Leistungswandler PC2, durch ein elektrisches Stromverteilungsnetz DG1 über einen Gleichrichter REC oder durch eine Batterie B über einen Leistungswandler PC3 an das DC-Spannungsnetzwerk geliefert werden. Es ist auch möglich, dass die Leistung an das System von der AC-Seite durch ein elektrisches Stromverteilungsnetz DG2 direkt oder über einen Transformator T oder durch eine als ein Generator arbeitende AC-Maschine M2 geliefert wird.
In dem Beispiel kann die elektrische Leistung von dem System über das DC-Spannungsnetzwerk an den Motor M1 über einen Inverter INU oder an eine Batterie über ein Batterieladegerät PC3 geliefert werden. Es ist auch möglich, dass die Leistung von dem System an die AC-seitigen Lasten wie etwa einen Motor M2 oder an ein AC-Spannungsnetz direkt über oder über einen Transformator T geliefert wird.
Bemerkenswert ist, dass, falls viele Invertereinheiten mit lokalen Energiespeicherkondensatoren an ein gemeinsames DC-Spannungsnetzwerk angeschlossen sind, der Strom der DC-Spannungsstrecke aufgrund eines schädlichen Resonanzphänomens aufgrund von beabstandeten Kondensatoren und der DC-Strecken-Streuinduktanz zwischen ihnen steigen kann. Dies ist der Grund, weshalb eine zusätzliche Induktanz in der DC-Strecke vorteilhaft sein kann, um die Resonanzfrequenz zu reduzieren und sie zu dämpfen. Gemäß der Erfindung kann die Gleichtaktinduktanz eine kleine Menge an Gegentaktinduktivität enthalten, vorteilhafterweise weniger als 15% der Gleichtaktinduktivität, um diese Notwendigkeit zu erfüllen.
8 ist ein Diagramm, das den Leistungsverlust der erfindungsgemäßen Induktorbaugruppe zeigt, wenn sie in einem Aufbau, wie in 3 gezeigt, platziert ist. Dies wurde in einem realen Test gemessen. Die vertikale Achse stellt den Leistungsverlust in Watt (hier als indiziert gezeigt) dar, und die horizontale Achse ist der PWM-Modulationsindex der Elektronikschalter in dem Inverter B₃₀ von 3. Der PWM-Index ist auf bekannte Weise das Verhältnis zwischen der Impulseinschaltzeit und der Summe aus der Impulsausschaltzeit und -einschaltzeit. Es ist ersichtlich, dass bei hoher Last, wenn der PWM-Index nahe bei eins liegt, eine kleinere Differenz zwischen der Erfindung und dem Stand der Technik vorliegt. Bei Teillast jedoch ist der Leistungsverlust signifikant niedriger. Beispielsweise ist bei einem PWM-Index von 0,2 der Leistungsverlust beim Index 0,54, wohingegen er in der Lösung nach dem Stand der Technik bei 0,74 liegt.
9 zeigt den Schenkel 51 des Kerns, wo die Gleichtakt-Spulendrähte koaxial um den Schenkel gewickelt sind. Die Spulen entsprechen den Spulen 93 und 94 von 5. Sie sind Seite an Seite gewickelt und nebeneinander platziert, Position 110. 10 zeigt eine andere Ausführungsform, wo sich die Spulen ebenfalls Seite an Seite befinden, aber aufeinander 120. In 11 sind die Gleichtakt-Spulendrähte in einer Anordnung mit verdrillten Leiterpaaren 130 gezeigt und koaxial um den Kernschenkel 51 gewickelt. In 12 sind die Spulendrähte ebenfalls koaxial um den Schenkel 51 gewickelt, stehen aber nicht in mechanischem Kontakt miteinander. Sie sind Seite an Seite auf dem Schenkel 51 gewickelt, aber um verschiedene Teile des gleichen Schenkels platziert.
13 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Induktorbaugruppe, wo die Schenkel 110, 111, 112 und 113 durch ein oberes Joch 300 und ein unteres Joch 310 verbunden sind. Der Schenkel 113 trägt die Gleichtaktspulen 280 und 290 und die anderen drei Schenkel besitzen jeweils eine um sie gewickelte Gegentakt-Spulendrähte. Der Schenkel für die Gleichtaktspulen ist in der Mitte der Induktorbaugruppe platziert, und die die Gegentaktspulen tragenden Schenkel sind äquidistant um den Gleichtaktschenkel 113 platziert. Beispielsweise bilden die drei Gegentaktschenkel 110, 111 und 112 die Endpunkte eines Dreiecks, was drei Winkel von jeweils 60 Grad besitzt. Die Magnetflusspfade zwischen den Schenkeln sind über die Joche 300 und 310 geschlossen.
Die in der obigen Beschreibung bereitgestellten spezifischen Beispiele sind nicht erschöpfend, es sei denn es ist ausdrücklich etwas anderes angegeben, noch sollten sie als den Schutzbereich und/oder die Anwendbarkeit der beiliegenden Ansprüche beschränkend ausgelegt werden. Die in den beiliegenden abhängigen Ansprüche aufgeführten Merkmale lassen sich miteinander frei kombinieren, sofern nicht explizit etwas anderes angegeben ist. Die Verben „umfassen“ und „enthalten“ werden in diesem Dokument als offene Beschränkungen verwendet, die die Existenz von ebenfalls nicht aufgeführten Merkmalen weder ausschließen noch erfordern. Zudem ist zu verstehen, dass die Verwendung von „ein/einer/eine“, d.h. eine Singularform, im Verlauf dieses Dokuments einen Plural nicht ausschließt.

Claims

Induktorbaugruppe (70, 150, 160) zur Verwendung in einem Leistungswandler (10, 20, 30, 40), wobei die Baugruppe einen Kern zum Führen eines Magnetflusses und Spulen zum Generieren eines Magnetflusses umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (80) erste Schenkel (52, 53, 54,110, 111, 112) mit um die ersten Schenkel gewickelten Gegentakt-Spulendrähten (90-92) und mindestens einen zweiten Schenkel (51, 113) mit mindestens zwei um den zweiten Schenkel gewickelten Gleichtakt-Spulendrähten (93, 94, 280, 290) besitzt.
Induktorbaugruppe nach Anspruch 1, wobei die Spulen (93, 94) des Gleichtaktinduktors (L₃₂, L₄₂) nebeneinander, Seite an Seite (140, 260, 270), platziert sind.
Induktorbaugruppe nach Anspruch 1, wobei die Spulen der Gleichtakt-Induktordrähte (L₃₂, L₄₂) koaxial derart um den zweiten Schenkel (51) gewickelt sind, dass ein innerer Gleichtakt-Spulendraht um den Schenkel gewickelt ist und der andere Gleichtakt-Spulendraht um die innere Spule (120, 170) gewickelt ist.
Induktorbaugruppe nach Anspruch 1, wobei die Drähte der Gleichtaktspulen als verdrilltes Leiterpaar (130) umeinander gewickelt sind und dann um den zweiten Schenkel (51) gewickelt sind.
Induktorbaugruppe nach Anspruch 1, wobei die Drähte der Gleichtaktspulen (93, 94) Seite an Seite (110) oder aufeinander (120) um den zweiten Schenkel (51) gewickelt sind.
Induktorbaugruppe nach Ansprüchen 2-5, wobei die Gleichtaktspulen (93, 94) durch Isolationsmaterial (F1) zwischen den Spulen und dem zweiten Schenkel (51) getrennt sind.
Induktorbaugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die ersten und zweiten Schenkel des Kerns in einer geraden Linie nebeneinander (160) positioniert sind und die Enden der ersten und zweiten Schenkel durch Joche (55, 56) miteinander verbunden sind.
Induktorbaugruppe nach Anspruch 7, wobei die Induktorbaugruppe mindestens drei Schenkel in einer geraden Linie besitzt - einen äußeren Schenkel (51), einen mittleren Schenkel (52, 53) und einen äußeren Schenkel (54) - und wobei die beiden Gleichtaktspulen (93, 94) nicht auf einem mittleren Schenkel platziert sind.
Induktorbaugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der zweite Schenkel (113) zentral (150) platziert ist und die ersten Schenkel außerhalb einer Mitte um den zentral platzierten zweiten Schenkel platziert sind, wobei die Enden der ersten und zweiten Schenkel durch Joche (300, 310) miteinander verbunden sind.
Induktorbaugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Gegentakt-Spulendrähte auf den ersten Schenkel in der gleichen Richtung um die jeweiligen Schenkel (52, 53, 54) gewickelt sind, d.h. in der gleichen Richtung im Uhrzeigersinn oder entgegen dem Uhrzeigersinn (150).
Induktorbaugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Gleichtakt-Spulendrähte auf dem zweiten Schenkel in der gleichen Richtung gewickelt sind, d.h. in der gleichen Richtung im Uhrzeigersinn oder entgegen dem Uhrzeigersinn (150).
Induktorbaugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Gegentaktinduktor (L₃₁, L₄₁) und der Gleichtaktinduktor (L₃₂, L₄₂) mit einer elektrischen Filterschaltung (C₃₃-C₃₉) in einem Leistungswandler elektrisch verbunden sind, wobei der Gegentaktinduktor (L₃₁, L₄₁) weiterhin mit einer AC-Netzwerkseite verbunden ist und der Gleichtaktinduktor (L₃₂, L₄₂) weiterhin mit einer DC-Netzwerkseite verbunden ist.