DE10225409A1 - Stromkompensierte Drossel und Schaltungsanordnung mit der stromkompensierten Drossel - Google Patents

Stromkompensierte Drossel und Schaltungsanordnung mit der stromkompensierten Drossel

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine stromkompensierte Drossel mit wenigstens zwei auf einem gemeinsamen Kern (1) angeordneten Wicklungen (W¶1¶, W¶2¶, W¶3¶), die jeweils einen Eingang (E¶1¶, E¶2¶, E¶3¶) und einen Ausgang (A¶1¶, A¶2¶, A¶3¶) aufweisen und mit einer zusätzlichen Hilfswicklung (W¶H¶) auf dem Kern (1), die einen Eingang (E¶H¶) und einen Ausgang (A¶H¶) aufweist, bei der zwischen dem Eingang (E¶H¶) und dem Ausgang (A¶H¶) der Hilfswicklung (W¶H¶) eine sich ändernde Impedanz (Z) geschaltet ist. Durch die sich ändernde Impedanz kann das Dämpfungs- bzw. das Sättigungsverhalten der Drossel an eine Frequenz bzw. an eine Last angepaßt werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine stromkompensierte Drossel mit wenigstens zwei auf einem gemeinsamen Kern angeordneten Wicklungen, die jeweils einen Eingang und einen Ausgang aufweisen, und mit einer zusätzlichen Hilfswicklung, die einen Eingang und einen Ausgang aufweist.
  • Stromkompensierte Drosseln werden üblicherweise zwischen ein Netz und ein von dem Netz mit Strom versorgtes elektrisches Gerät geschaltet. Durch diese Drosseln sollen die Funkstörungen aus dem Gerät in das Netz vermindert werden. Stromkompensierte Drosseln der eingangs genannten Art werden vorzugsweise zur Dämpfung von asymmetrischen Störströmen verwendet, die beispielsweise von einem Frequenzumrichter in das Versorgungsnetz eingespeist werden könnten. Allgemein hat jedes an ein Versorgungsnetz angeschlossene Gerät Rückwirkungen auf das Versorgungsnetz. Bei hochfrequenten Rückwirkungen spricht man von Funkstörungen.
  • Aus der Druckschrift DE 295 06 951 U1 ist eine stromkompensierte Drossel der eingangs genannten Art bekannt, bei der zwischen dem Eingang und dem Ausgang der Hilfswicklung ein elektrischer Widerstand geschaltet ist. Mit der Hilfswicklung wird der Zweck verfolgt, asymmetrische Ströme zu reduzieren, indem der an die Anschlüsse der Hilfswicklung angeschlossene Widerstand mit dem Quadrat des Übersetzungsverhältnisses in den Pfad des asymmetrischen Störstromes transformiert. Die Einkopplung des Widerstandes in den asymmetrischen Strompfad verhindert den Anstieg des asymmetrischen Störstromes auf zu hohe Werte und somit die Sättigung des Drosselkernes.
  • Die bekannte stromkompensierte Drossel hat den Nachteil, daß die die Induktivität der Drossel senkende Wirkung der Hilfswicklung unabhängig von der Frequenz und auch unabhängig von dem durch die Drossel fließenden asymmetrischen Strom stattfindet (R = konstant). Somit wird der Widerstand nicht nur von Stromspitzen, sondern ständig belastet und muß für entsprechend hohe Belastungen ausgelegt werden. Außerdem wird die Induktivität der Drossel auch bei kleinen asymmetrischen Strömen, bei denen die Sättigung des Kerns noch kein Problem darstellt, vermindert, wodurch die Entstörwirkung der Drossel verschlechtert wird. Ferner ist die Wirkung der Hilfswicklung auch unabhängig von der verwendeten Frequenz, so daß der Widerstand zusätzlich die von Störströmen erzeugte Verlustleistung aufnehmen muß, welche in einem Frequenzbereich auftreten, wo sie kritische Werte nicht übersteigen.
  • Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Drossel der eingangs benannten Art bereitzustellen, die eine verbesserte Entstörwirkung aufweist.
  • Dieses Ziel wird erfindungsgemäß durch eine stromkompensierte Drossel nach Patentanspruch 1 erreicht. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung und eine Schaltungsanordnung mit der stromkompensierten Drossel sind den weiteren Patentansprüchen zu entnehmen.
  • Die Erfindung gibt eine stromkompensierte Drossel an, die wenigstens zwei auf einem gemeinsamen Kern angeordnete Wicklungen auf weist, die jeweils einen Eingang und einen Ausgang aufweisen. Des weiteren weist die erfindungsgemäße Drossel eine zusätzliche Hilfswicklung auf, die auf dem Kern der Drossel angeordnet ist und die einen Eingang sowie einen Ausgang aufweist.
  • Ein spezieller Wicklungssinn ist dabei nicht erforderlich. Am einfachsten ist es, wenn alle Wicklungen inklusive der Hilfswicklung gleichsinnig auf den Kern aufgetragen werden. Die Wicklungen könnten aber auch gegensinnig aufgetragen werden.
  • Zwischen dem Eingang und dem Ausgang der Hilfswicklung ist eine sich ändernde Impedanz geschaltet, deren Wert sich durch Einflußgrößen wie z. B. Störstrom oder Frequenz verändert.
  • Der asymmetrische Störstrom erzeugt im Kern der erfindungsgemäßen Drossel einen magnetischen Fluß. Dieser bewirkt einen Stromfluß in der Hilfswicklung und damit auch durch die an die Hilfswicklung angeschlossene Impedanz. Der Wert dieser Impedanz ändert sich im Gegensatz zu der aus DE 295 06 951 U1 bereits bekannten Drossel, in Abhängigkeit des durch sie fließenden Stromes und/oder dessen Frequenz. Diese Impedanz wird wiederum mit dem Quadrat des Übersetzungsverhältnisses in den Pfad des Störstromes transformiert.
  • Die sich ändernde Impedanz kann beispielsweise so gewählt werden, daß sie bei geringen Strömen klein und bei hohen Strömen groß ist. Dadurch ergibt sich für die erfindungsgemäße Drossel der Vorteil, daß bei kleinen asymmetrischen Strömen die Induktivität der Drossel noch nicht vermindert wird, wodurch die Entstörwirkung der verbessert wird.
  • Darüber hinaus kann die sich ändernde Impedanz auch so ausgeführt sein, daß sie sich in Abhängigkeit von der Frequenz verändert. Beispielsweise ist es möglich, eine Impedanz vorzusehen, die bei geringen Frequenzen eine kleine Impedanz und bei hohen Frequenzen eine große Impedanz hat. Dies hat den Vorteil, daß die erfindungsgemäße Drossel beziehungsweise die sich ändernde Impedanz nur dann die von Störströmen erzeugte Verlustleistung aufnehmen muß, wenn sie in einem kritischen, hohen Frequenzbereich auftreten.
  • In einer ersten Ausführungsform der Erfindung kann die sich ändernde Impedanz eine Induktivität sein. Durch die Induktivität, die an der Hilfswicklung angeschlossen ist, wird eine frequenzabhängige Impedanz in den Strompfad der Drossel eingekoppelt. Diese frequenzabhängige Impedanz unterdrückt gezielt eine Sättigung der Drossel bei niedrigen Frequenzen, da hier die Impedanz im Kreis der Hilfswicklung einen niedrigen Wert aufweist, beeinflußt die Drossel bei hohen Frequenzen jedoch nicht. Der unerwünschte Störstrom wird für hohe Frequenzen unterdrückt, da dort die Impedanz der Hilfswicklung besonders groß ist. Dann ist auch die durch die Hilfswicklung erzeugte Beeinflussung der Drossel klein. Besonders wichtig kann das bei Drosseln in Entstörfiltern sein, da diese Drosseln in einem breiten Frequenzbereich wirksam sind.
  • Des weiteren kann die sich ändernde Impedanz eine Induktivität sein, deren Wert von dem durch die Induktivität fließenden asymmetrischen Strom abhängt. Beispielsweise kommt als Induktivität eine Wicklung mit einem eigenen Kern in Betracht, der bei hohen Strömen durch die Wicklung in Sättigung geht und mithin die Induktivität der Wicklung absenkt. Sie weist ein lastabhängiges Verhalten auf.
  • Fließt ein Störstrom durch die Drossel, so wird in der Hilfswicklung ein Strom induziert, der auch durch die angeschlossene Impedanz fließt. Durch sehr hohe asymmetrische Störströme und den damit verbundenen hohen Strömen in der Hilfswicklung kann das Kernmaterial der Induktivität in der Hilfswicklung in Sättigung gehen, wodurch die Impedanz der Hilfswicklung reduziert wird. Dies bewirkt, daß die Induktivität der stromkompensierten Drossel geringer wird, was eine höhere Gegeninduktivität im Kern der Wicklungen hervorruft und diesen so weniger empfindlich gegen Sättigung macht. Im Extremfall, bei sehr hohen Strömen, kann die Hilfswicklung als Kurzschlußwindung aufgefaßt werden, wodurch die Drossel maximal unempfindlich gegen Sättigungen ist.
  • Bei einer Verringerung des asymmetrischen Störstroms wird die Impedanz der Hilfsinduktivität größer bleiben, wodurch sich der Einfluß der Hilfswicklung auf den Kern der Drossel verringert, was wiederum bewirkt, daß die Induktivität der Drossel nur sehr wenig abgesenkt wird.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die sich ändernde Impedanz eine Kapazität sein. Durch das Einbringen eines Kondensators zwischen Eingang und Ausgang der Hilfswicklung kann ebenfalls ein frequenzabhängiges Verhalten erzielt werden. Je höher die Frequenz des asymmetrischen Störstromes ist, desto geringer ist die Impedanz des Kondensators. Die Drossel reagiert demnach auf hochfrequente Ströme weniger empfindlich, da die Sättigung bei hohen Frequenzen mit Hilfe der Hilfswicklung, die eine Gegeninduktion erzeugt, verringert wird.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die veränderbare Impedanz ein Serienschwingkreis aus einer Kapazität und einer Induktivität sein. Ein Serienschwingkreis aus einer Kapazität und einer Induktivität weist bei einer durch die Werte der Kapazität bzw. der Induktivität gegebenen Frequenz f0 eine sehr geringe Impedanz auf, wodurch eine Sättigung der Drossel insbesondere bei der Frequenz f0 bzw. nahe bei der Frequenz f0 wirksam vermindert werden kann.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die sich ändernde Impedanz ein Parallelschwingkreis aus einer Kapazität und einer Induktivität sein. Ein Parallelschwingkreis aus einer Kapazität und einer Induktivität hat bei einer durch die Kapazität und die Induktivität gegebenen Frequenz f0 eine hohe Impedanz. Dadurch kann für alle Frequenzen außer im Bereich der Frequenz f0 eine Sättigung des Kerns der Drossel vermindert werden, was beispielsweise von Vorteil ist, wenn der durch die Drossel fließende erwünschte asymmetrische Strom eine Frequenz f0 aufweist, wie es bei der Signalübertragung über das Versorgungsnetz der Fall sein kann.
  • Die genannten Beispiele für Parallel- bzw. Serienschwingkreis aus Kapazität und Induktivität können zudem, falls die Induktivität eine Wicklung mit einem eigenen Kern ist, ein lastabhängiges Verhalten der an der Hilfswicklung angeschlossenen Schaltung erzeugen.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die sich ändernde Impedanz ein aktives Bauelement, das steuerbar ist. Als solches aktives Bauelement kommt beispielsweise ein Transistor in Betracht, wobei die Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors in Reihe zu einem Widerstand zwischen Eingang und Ausgang der Hilfswicklung geschaltet wird. Ein solcher Transistor kann beispielsweise basisseitig mittels einer Regelung angesteuert werden, die einen an den zur Drossel führenden Leitungen gemessenen Istwert einer asymmetrischen Störung mit einem erwünschten Sollwert vergleicht, und entsprechend die Emitter-Kollektor-Strecke des Transistors über die Basis ansteuert und somit einen durch die Regelung gesteuerten Einfluß der Hilfswicklung auf die Drossel ausübt.
  • Die Erfindung gibt darüber hinaus eine Schaltungsanordnung mit der erfindungsgemäßen Drossel an, bei der die Eingänge der Wicklungen der stromkompensierten Drossel an die Phasen bzw. den Null-Leiter eines Netzes angeschlossen sind und bei der die Ausgänge der Wicklungen mit einer Funkstörquelle verbunden sind.
  • Eine solche Schaltungsanordnung hat den Vorteil, daß aufgrund der erfindungsgemäßen stromkompensierten Drossel, deren Hilfswicklung mit einer sich verändernden Impedanz verschaltet ist, eine wirksame Entkopplung der von der Funkstörquelle erzeugten Störungen vom Netz, abhängig von beispielsweise der Frequenz, erzielt werden kann.
  • Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und den dazugehörigen Figuren näher erläutert.
  • Fig. 1 zeigt beispielhaft eine erfindungsgemäße stromkompensierte Drossel mit einer Hilfsschaltung als schematisches Schaltbild.
  • Die Fig. 2 bis 6 zeigen weitere in einer stromkompensierten Drossel gemäß Fig. 1 verwendbare Hilfsschaltungen in schematischen Schaltbildern.
  • Fig. 7 zeigt beispielhaft eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung in einem schematischen Schaltbild.
  • Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße stromkompensierte Drossel mit Wicklungen W1, W2, W3. Die Wicklungen W1, W2, W3 sind auf einem gemeinsamen Kern 1 gewickelt. Ein solcher Kern 1 kann beispielsweise ein Ringkern sein. Besonders vorteilhaft wirkt sich hier der Einsatz von Kernmaterialien mit einer hohen Permeabilität aus. Jede der Wicklungen W1, W2, W3 weist einen Eingang E1, E2, E3 und einen Ausgang A1, A2, A3 auf. Des weiteren weist die stromkompensierte Drossel eine Hilfsschaltung 7 auf, welche eine Hilfswicklung WH umfaßt. Die Hilfswicklung WH ist auf den gemeinsamen Kern 1 der Drossel gewickelt. Sie weist einen Eingang EH und einen Ausgang AH auf. Zwischen dem Eingang EH und dem Ausgang AH ist eine sich ändernde Impedanz Z geschaltet. Bei der stromkompensierten Drossel gemäß Fig. 1 sind die Wicklungen W1, W2, W3 so gewickelt, daß ein symmetrischer Strom durch die Drossel lediglich eine vernachlässigbare Induktion im Kern 1 bewirkt. Bei der Hilfswicklung WH ist es unerheblich, wie der Wickelsinn gewählt ist.
  • Fig. 2 zeigt eine Hilfsschaltung 7 zur Verwendung in einer stromkompensierten Drossel gemäß Fig. 1, wobei gleiche Bezugszeichen dieselbe Bedeutung wie in Fig. 1 haben. Dasselbe gilt auch für die folgenden Figuren. Die sich ändernde Impedanz ist bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 eine Induktivität L, die eine Wicklung mit einem innenliegenden, vom Kern 1 verschiedenen eigenen Kern 8 darstellt.
  • Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3, die eine Hilfsschaltung 7 zeigt, ist die Hilfsimpedanz eine Kapazität C.
  • Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 ist die sich ändernde Impedanz ein Parallelschwingkreis einer Induktivität L mit eigenem Kern 8 und einer Kapazität C.
  • Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 ist die sich ändernde Impedanz ein Serienschwingkreis aus einer Kapazität C und einer Induktivität L. Die Induktivität L gemäß Fig. 5 kann in einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung als Spule mit einem eigenen Kern 8 ausgeführt sein, wodurch ein vom Strom durch die Drossel abhängiges Verhalten bzw. vom Strom durch die Hilfswicklung WH abhängiges Verhalten der Hilfswicklung WH erzeugt werden kann.
  • Fig. 6 zeigt als weitere Ausführungsform der Erfindung eine Hilfsschaltung 7 zur Verwendung in einer Anordnung gemäß Fig. 1, bei der die veränderbare Impedanz eine Reihenschaltung aus einem Widerstand R und der Emitter-Kollektor-Strecke eines Transistors T ist. Der Transistor T kann basisseitig von einem Regler 4 angesteuert werden, der einen Istwert 5 mit einem Sollwert 6 vergleicht und den Widerstand der Emitter- Kollektor-Strecke des Transistors T auf einen geeigneten Wert 5 stellt. Der Istwert 5 kann beispielsweise die an der Drossel gemessene asymmetrische Störung sein. Der Sollwert 6 kann beispielsweise die optimale, mit Hilfe der Hilfswicklung WH einstellbare Sättigung der Drossel sein.
  • Fig. 7 zeigt eine Schaltungsanordnung mit einer erfindungsgemäßen stromkompensierten Drossel gemäß Fig. 1, wobei die Eingänge E1, E2, E3 der Wicklungen W1, W2, W3 mit den Phasen L1, L2, L3 eines Netzes 2 verbunden sind. Ausgangseitig ist die stromkompensierte Drossel mit einer Funkstörquelle 3 verbunden. Eine solche Funkstörquelle 3 kann beispielsweise ein Umrichter sein. Dabei sind insbesondere die Ausgänge A1, A2, A3 der Wicklungen W1, W2, W3 mit der Funkstörquelle 3 verbunden. Fig. 2 bezieht sich auf eine stromkompensierte Dreifachdrossel. Ebenso kann die Erfindung mit einer stromkompensierten Zweifachdrossel realisiert werden, wobei dann die Drossel eingangsseitig mit der Phase und dem Nulleiter eines Netzes verbunden ist. Gemäß Fig. 7 sind noch weitere Kapazitäten CW vorgesehen, die die Dämpfung der von der Funkstörquelle 3 kommenden Störströme verbessern. Die weiteren Kapazitäten CW sind mit einer Erde PE verbunden, mit der ebenfalls die Funkstörquelle 3 verbunden ist.
  • Eine stromkompensierte Dreifach-Ringkerndrossel kann beispielsweise einen ringförmigen Kern aufweisen. Auf diesem Kern sind Wicklungen W1, W2, W3 aufgebracht, die alle dieselbe Anzahl Windungen aufweisen und aus einem mit einem für den geforderten Nennstrom geeigneten Draht hergestellt sind. Des weiteren weist eine beispielhafte erfindungsgemäße stromkompensierte Drossel eine Hilfswicklung WH auf, mit einer Windung auf dem genannten Ringkern. Diese eine Windung ist aus einem Draht mit einem entsprechenden Querschnitt herstellt. Die veränderbare Impedanz ist in einem Beispiel realisiert durch eine weitere Wicklung auf einem Ringkern. Diese weitere Wicklung ist wiederum mit einem für die auftretende Strombelastung geeigneten Drahtquerschnitt realisiert.
  • Im allgemeinen kann gesagt werden, daß die erfindungsgemäße Drossel prinzipiell für jeden Strom realisiert werden kann, wobei lediglich auf den erforderlichen Drahtquerschnitt aufgrund der thermischen Auslegung zu achten wäre. Bezugszeichenliste W1. . .W3 Wicklungen
    E1. . .E3, EH Eingänge
    A1. . .A3, AH Ausgänge
    WH ;Hilfswicklung
    Z Impedanz
    L Induktivität
    C Kapazität
    R Widerstand
    T Transistor
    L1. . .L3 Phasen
    CW weitere Kondensatoren
    PE Erde
    1 Kern
    2 Netz
    3 Funkstörquelle
    4 Regler
    5 Istwert
    6 Sollwert
    7 Hilfsschaltung
    8 weiterer Kern

Claims (9)

1. Stromkompensierte Drossel
- mit wenigstens zwei auf einem gemeinsamen Kern (1) angeordneten Wicklungen (W1, W2, W3), die jeweils einen Eingang (E1, E2, E3) und einen Ausgang (A1, A2, A3) aufweisen
- und mit einer zusätzlichen Hilfswicklung (WH) auf dem Kern (1), die einen Eingang (EH)und einen Ausgang (AH) aufweist,
- bei der zwischen dem Eingang (EH) und dem Ausgang (AH) der Hilfswicklung (WH) eine sich ändernde Impedanz (Z) geschaltet ist.
2. Drossel nach Anspruch 1,
- bei der die Impedanz (Z) eine Induktivität (L) ist.
3. Drossel nach Anspruch 2,
- bei der die Induktivität (L) eine Wicklung mit einem eigenen Kern (8) ist.
4. Drossel nach Anspruch 1,
- bei der die Impedanz (Z) eine Kapazität (C) ist.
5. Drossel nach Anspruch 1,
- bei der die Impedanz (Z) ein Serienschwingkreis aus einer Kapazität (C) und einer Induktivität (L) ist.
6. Drossel nach Anspruch 1,
- bei der die Impedanz (Z) ein Parallelschwingkreis aus einer Kapazität (C) und einer Induktivität (L) ist.
7. Drossel nach Anspruch 1,
- bei der die Impedanz (Z) ein steuerbares aktives Bauelement (T) ist.
8. Drossel nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
- bei der der Kern (1) ein Ringkern ist.
9. Schaltungsanordnung mit einer stromkompensierten Drossel nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
- bei der die Eingänge (E1, E2, E3) der Wicklungen (W1, W2, W3) an die Phasen (L1, L2, L3) bzw. den Null-Leiter eines Netzes (2) angeschlossen sind
- und bei der die Ausgänge (A1, A2, A3) mit einer Funkstörquelle (3) verbunden sind.
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