DE112010005643T5

DE112010005643T5 - Integrierte magnetische Vorrichtung für ein dreiphasiges Frontend mit niedriger Oberwelligkeit

Info

Publication number: DE112010005643T5
Application number: DE112010005643T
Authority: DE
Inventors: Andrzej Pietkiewicz
Original assignee: Schaffner EMV AG
Current assignee: Schaffner EMV AG
Priority date: 2010-06-10
Filing date: 2010-06-18
Publication date: 2013-03-28
Also published as: US9153376B2; DE112011101942T5; JP2013529393A; CN102948055A; WO2011154040A1; CN102971949A; WO2011154058A1; US20130121050A1; US20130121043A1; US20130141200A1; CN102971949B; WO2011154416A1; US8698584B2; DE112010005642T5; JP2013529456A; JP2013528348A; CN102948055B; JP5631487B2; CN102948056B; CN102948056A

Abstract

Integrierte magnetische Vorrichtung für ein dreiphasiges Frontend mit niedriger Oberwelligkeit (1), mit: drei magnetischen Unterbaugruppen (30), worin jede magnetische Unterbaugruppe (30) eine geschlossene magnetische Schlaufe ohne Luftspalte, zwei Wickelschenkel und mindestens drei Windungen (22) umfasst; mindestens einem ersten gemeinsamen Joch (10; 60; 70; 50) und mindestens einem zweiten gemeinsamen Joch (10'; 60'; 70'; 50'), welche besagte drei magnetische Unterbaugruppen (30) magnetisch verkoppelt; mindestens einer Luftspalte (40; 40') zwischen den besagten drei magnetischen Unterbaugruppen (30) und dem besagten mindestens einem ersten gemeinsamen Joch (10; 60; 70; 50) oder dem besagten mindestens einem zweiten gemeinsamen Joch (10'; 60'; 70'; 50'); drei mit einem dreiphasigen Stromnetz (100) koppelbaren Stromeingängen; mindestens sechs Stromausgängen, zwei für jeden Stromeingang, wobei die besagten Stromausgänge mit den besagten drei Stromeingängen galvanisch gekoppelt und mit einer sechsphasigen linearen Last (200; 200') koppelbar sind. Die integrierte magnetische Vorrichtung ist für ein bidirektionales dreiphasiges Frontend mit niedriger Oberwelligkeit und auch für Wechselstrom-in-Gleichstrom-Wandler und Gleichstrom-in-Wechselstrom-Wandler konzipiert. Ihre Verwendung ermöglicht eine Eindämmung von Oberwellen der aus der dreiphasigen Stromleitung aufgenommenen Ströme oder der in dreiphasige Stromleitungen injizierten Ströme, indem lediglich eine Vorrichtung verwendet wird, welche die Funktion eines Splitters und eines Induktors integriert. Die integrierte magnetische Vorrichtung hat niedrigere Kosten, weniger Material und reduzierte Dimensionen im Vergleich zu Lösungen aus dem Stand der Technik.

Description

Technisches Gebiet
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen eine integrierte magnetische Vorrichtung für ein dreiphasiges Frontend mit niedriger Oberwelligkeit, das uni- oder bidirektional sein kann, sowie ein bidirektionales Frontend mit einer solchen Vorrichtung.
Stand der Technik
Die weitverbreitete Verwendung von Geräten der Leistungselektronik hat das Bedürfnis für die Minimierung von Störungen durch harmonische Oberwellen im Stromnetz ansteigen lassen. Die Hauptquelle für Stromoberwellen sind nichtlineare Stromlasten. Sechspulsgleichrichter, welche weitverbreitete Verwendung als Frontendlösung für die meisten dreiphasigen Geräte finden, stellen eine bedeutende nichtlineare Stromlast dar.
Einige Probleme können entstehen, wenn keine effiziente Minimierung der Stromoberwellen stattfindet. Erstens können harmonische Oberwellen die Qualität der öffentlichen Stromnetzversorgungspannung zerstören und eine niedrige Qualität der Versorgungspannung verursacht eine Fehlfunktion oder einen Ausfall von vielen verschiedenen Arten elektrischer Geräte, die vom öffentlichen Stromnetz versorgt werden. Zudem können harmonische Oberwellen übermässige Verluste in den Komponenten des Stromnetzes wie Transformatoren, Stromleitungen usw. verursachen. Ferner haben Oberwellen hörbare Frequenzen: Wenn sich die durch Oberwellen gestörte Versorgungsleitung in der Nähe einer akustischen Anlage befindet, kann dies eine hörbare Verzerrung auslösen.
Verschiedene Lösungen wurden im Stand der Technik angewandt, um mit der Oberwellenproblematik umzugehen.
Multipulsgleichrichter, d. h. zwölfpuls, werden weitgehend als einfache Schnittstelle mit verbesserter Stromwellenform eingesetzt. Sie verringern die harmonischen Ströme und sind sehr zuverlässig, weisen jedoch einige Nachteile auf: Erstens benötigen sie einen voluminösen und teuren Netzfrequenz-Eingangsstrom-Transformator, um galvanische Isolation zu erzeugen; zudem sind sie empfindlich auf Spannungsungleichheiten.
Die Verwendung eines Sechspulsgleichrichters mit einem Oberwellenfilter zur Unterdrückung von Oberwellen ist ebenfalls bekannt. Das Oberwellenfilter kann passiv oder aktiv sein. Passive Filter haben geringe Leistungsverluste, sind jedoch teuer und haben eine beträchtliche Grösse und ein hohes Gewicht. Aktive Filter gelten als weniger zuverlässig, weisen höhere Leistungsverluste und Schaltgeräusche auf, und sind eher teuer.
Eine andere bekannte Lösung ist das aktive Frontend, mit gesteuerten aktiven Schaltungen, Dioden und hochfrequenten Netzdrosseln. Obwohl es wegen seiner Grösse und seines Gewichts überzeugend erscheinen mag und kostengünstiger als andere Lösungen sein kann, hat es einige Nachteile, insbesondere gilt es als weniger zuverlässig und es ist schwierig, die Leistungsverluste und Schaltgeräusche eines passiven Systems zu erreichen.
Eine andere Lösung aus dem Stand der Technik und im Beispiel der 1A dargestellt umfasst einen Induktor 400, gefolgt von drei zusammengeschalteten magnetischen Vorrichtungen 300. Der Induktor 400 folgt einer dreiphasigen Stromleitung oder einem dreiphasigen Stromnetz 100 und die Vorrichtungen 300 sind mit einer Last 200 gekoppelt. Im Allgemeinen wird der Teil zwischen einem Zwölf- oder mehr Pulsgleichrichter und einer generischen Gleichstromlast, die ein Motorantrieb, beispielsweise einen Gleichstrom-in-Wechselstrom-Wandler oder einen Gleichspannungswandler, oder ein generischer Widerstand sein kann, hiernach Zwischenkreis (DC Link) genannt. Ein Zwischenkreis kann einen Kondensator oder einen Induktor umfassen. Die in 1A gezeigte Last 200 besteht aus einem Zwölfpulsgleichrichter, einem Zwischenkreis – in diesem Fall dem Kondensator C_DC – und einer nichtdargestellten generischen Last.
Die Last 200 der 1A ist nichtlinear und Oberwellen sind daher in der Stromleitung vorhanden. Um mit dem Oberwellenproblem umzugehen, werden der Induktor 400 und die drei magnetischen Vorrichtungen 300 verwendet: Die Hauptfunktion des Induktors 400 liegt darin, Ströme in Bezug auf die Spannungsphasoren der dreiphasigen Stromleitung 100 zu verzögern; die Hauptfunktion der drei magnetischen Vorrichtungen 300 ist es, die Ströme aufzuteilen.
In der 1A umfassen die Vorrichtungen 300 neun Windungen, jeweils drei für jede magnetische Vorrichtung, welche elektrisch und magnetisch miteinander gekoppelt sind. Eine andere Anzahl und Kombination von Windungen ist möglich.
Eine Draufsicht bzw. eine Seitenansicht des dreiphasigen Induktors 400 sind in den 1B und 1C dargestellt: Der Induktor umfasst zwei Joche 405, drei Wickelschenkel 403 und Luftspalten 402, sodass er Energie speichern kann.
Eine Drauf- und Seitenansicht der drei magnetischen Vorrichtungen 300 aus dem Stand der Technik sind in 1D und 1E dargestellt. Jede Vorrichtung 300A, 300B und 300C enthält keine Luftspalten und umfasst drei senkrechte Schenkel: der zentrale Schenkel ist ein Wickelschenkel mit Windungen 302.
JP2000358372A und JP2007028846A beschreiben ein System, welches die Abschaffung des Transformers ermöglicht, sowie ein Verfahren für eine geringere Grösse und weniger Gewicht durch die Verwendung von vier magnetischen Vorrichtungen, wie in 1B bis 1E gezeigt.
Die Gesamtzahl der magnetischen Vorrichtungen, welche in einem Wandler aus dem Stand der Technik, wie in der 1A dargestellt, verwendet werden, ist somit mindestens vier, d. h. die dreiphasigen Induktoren 400 plus die drei magnetischen Vorrichtungen 300.
Wie in 2 dargestellt, umfasst der Induktor 400 drei mit einem dreiphasigen Stromnetz oder einer dreiphasigen Stromleitung 100 koppelbare Stromeingänge, und die dem Induktor 400 nachfolgenden Vorrichtungen 300 umfassen sechs Stromausgänge, d. h. zwei Stromausgänge für jeden Stromeingang. In einer Ausführungsform sind mehr als zwei Stromausgänge für jeden Stromeingang vorhanden, sodass die Zahl der Stromausgänge neun, zwölf usw. betragen kann. Die Stromausgänge sind galvanisch mit den drei Stromeingängen gekoppelt und können mit einer Last 200 gekoppelt werden. In diesem Fall gibt es keine galvanische Isolation zwischen Stromeingängen und -ausgängen wie im Fall eines Transformators.
Das dreiphasige Stromnetz 100 liefert drei ungefähr sinusförmige Spannungen mit 120° Phasenverschiebungen. Die Phasenverschiebung zwischen den drei in die drei Stromeingänge fliessenden Eingangsströmen I_L1, I_L2, I_L3 ist dann gleich 120°, wie in 3A dargestellt. Die Amplitude und Frequenz der Leitungsspannungen variiert je nach u. a. örtlichen Vorschriften, jedoch ist die Frequenz in den meisten Anwendungen gleich 50 Hz oder 60 Hz und die Spannung liegt gewöhnlich zwischen 100 V und 1 kV, beispielsweise 400 V ms zwischen Phasen. Die Frequenz von 50 Hz oder 60 Hz oder die Frequenz des Stromnetzes 100 wird hiernach als Grundfrequenz des Systems bezeichnet.
Jeder der in die drei Stromeingänge fliessenden Ströme, welche mit den Referenzzeichen I_L1, I_L2, I_L3 bezeichnet werden, werden hiernach Gesamtstrom genannt. Wenn der Induktor 400 im Wandler der 2 nicht vorhanden ist, stehen die drei Gesamtströme I_L1, I_L2, I_L3 in einer Phase mit den Spannungsphasoren des Stromnetzes 100.
Wenn die Vorrichtungen 300 zwischen dem dreiphasigen Stromnetz 100 und einer Last 200 gekoppelt werden, wird jeder der Gesamtströme I_L1, I_L2, I_L3 in zwei oder mehrere Ströme, die jeweils in jeden Stromausgang fliessen, aufgeteilt. Im auf der 2 dargestellten Fall wird jeder der Ströme I_L1, I_L2, I_L3 in zwei Ströme aufgeteilt: Der Gesamtstrom I_L1 wird in die zwei Teilströme I_S1.1, I_S1.2 geteilt, der Gesamtstrom I_L2 wird in die zwei Teilströme I_S2.1, I_S2.2 geteilt, und der Gesamtstrom I_L3 wird in die zwei Teilströme I_S3.1, I_S3.2 geteilt. Die Ströme I_S1.1, I_S1.2, I_S2.1, I_S2.2, I_S3.1, I_S3.2, welche in die Stromausgänge fliessen, weisen alle die gleiche Amplitude auf und sind um einen vorbestimmten Winkel ϕ/2 in Bezug auf die entsprechende, in den Stromeingang fliessende Grundkomponente verschoben.
Der Wert des Winkels ϕ beträgt beispielsweise 30°, sodass die Phasenverschiebung zwischen den zwei Teilströmen, beispielsweise I_S1.1, I_S1.2, und dem entsprechenden Gesamtstrom, in diesem Fall I_L1, jeweils 15° und –15° beträgt.
Wie besprochen wird ein Gesamtstrom, beispielsweise I_L1, in zwei Teilströme aufgeteilt: einen ersten Teilstrom I_S1.1, welcher hiernach kapazitiver Teilstrom genannt wird, und einen zweiten Teilstrom I_S1.2, welcher hiernach induktiver Teilstrom genannt wird. Hiernach sind I_S1.1, I_S2.1, I_S3.1 kapazitive Teilströme und I_S1.2, I_S2.2, I_S3.2 induktive Teilströme.
Wenn der Wert des Winkels ϕ 30° beträgt, wie erwähnt, ist die Länge der Phasoren der 3B, welche für alle dargestellten Phasoren gleich ist, 51.76% der Länge jedes Phasors der 3A.
Das Vorhandensein des dreiphasigen Induktors 400 vor den Vorrichtungen 300 verursacht einen Nacheilwinkel oder Phasenverschiebungswinkel δ zwischen jedem der Spannungsphasoren des Stromnetzes 100, durch eine gestrichelte Linie dargestellt, und den entsprechenden Eingangsströmen I_L1, I_L2, I_L3. Wie in 3B gezeigt ist der Nacheilwinkel oder Phasenverschiebungswinkel δ im Phasorendiagramm der Ausgangsströme noch vorhanden.
In vielen praktischen Ausführungen besteht die Last 200, an welcher Vorrichtungen 300 gekoppelt sind, wie erwähnt aus einem Zwölfpulsgleichrichter, gefolgt von einem Zwischenkreis (DC Link) und einer generischen Gleichstromlast.
In einem System bestehend aus einer dreiphasigen Stromleitung 100, Vorrichtungen 300, einem Zwölfpulsgleichrichter und einem Zwischenkreis, wird ein Induktor oder eine Drossel verwendet, um einen kontinuierlichen Stromfluss (CCM – Continuous Conduction Mode) zu haben. Ein kontinuierlicher Stromfluss (CCM) bedeutet, dass der Umrichterstrom während der Stromleitungsperiode nie auf Null fällt. Im Gegensatz dazu kann im diskontinuierlichen Stromfluss (DCM – Discontinuous Conduction Mode) der Strom während Teils der Stromleitungsperiode auf Null fallen. In den besprochenen Beispielen wird ein kontinuierlicher Stromfluss (CCM) durch den dreiphasigen Induktor 400 gewährleistet.
Die im Stand der Technik beschriebenen Lösungen sind also nicht dazu optimiert, die Kosten und Grösse eines dreiphasigen Frontends mit niedriger Oberwelligkeit zu reduzieren.
Zudem werden die Funktionen der Stromverzögerung und -aufteilung durch vier separate Vorrichtungen, nämlich durch den Induktor 400 und die drei magnetischen Vorrichtungen 300, erfüllt.
Eine Lösung für einen Stromrichter mit niedriger Oberwelligkeit zu tieferen Kosten und mit einer geringeren Grösse als im Stand der Technik wird benötigt.
Eine magnetische Vorrichtung für ein Zwölfpuls-Frontend, welche eine hohe Effizienz und eine hohe Zuverlässigkeit gewährleistet, wird benötigt.
Eine Lösung für ein dreiphasiges Frontend mit niedriger Oberwelligkeit, welches auf das Ungleichgewicht des Stromnetzes unempfindlich ist, wird benötigt.
Ein dreiphasiges Frontend mit niedriger Oberwelligkeit, welches eine geringe Ausfallrate, geringe Leistungsverluste und niedrige Schaltgeräusche aufweist, wird ebenfalls benötigt.
Kurze Darstellung der Erfindung
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine integrierte magnetische Vorrichtung zu liefern, welche die Funktionen des Induktors 400 und der drei magnetischen Vorrichtungen 300 erfüllt. Das Adjektiv integriert bedeutet, dass die magnetische Vorrichtung der Erfindung tatsächlich mehr als eine Funktion ausübt. Insbesondere werden die Funktionen der Stromverzögerung und -aufteilung beide durch die gleiche magnetische Vorrichtung erfüllt, was eine geringere Grösse, ein niedrigeres Gewicht, tiefere Kosten sowie eine bessere Symmetrie der Vorrichtung als im Stand der Technik ermöglicht.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen dreiphasigen bidirektionalen Frontend-Stromrichter mit niedriger Oberwelligkeit zu liefern, welcher einfache Halbleiterschaltkreise umfasst.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine zuverlässige und effiziente magnetische Vorrichtung zu liefern.
Erreicht werden diese Ziele erfindungsgemäss mittels einer integrierten magnetischen Vorrichtung für ein dreiphasiges Frontend mit niedriger Oberwelligkeit gemäss Anspruch 1, mittels Verwendung dieser integrierten magnetischen Vorrichtung in einem Wechselstrom-in-Gleichstrom-Wandler (Anspruch 15) und in einem Gleichstrom-in-Wechselstrom-Wandler (Anspruch 16) und mittels eines bidirektionalen dreiphasigen Frontend-Stromrichters mit niedriger Oberwelligkeit gemäss Anspruch 17.
Die Vorrichtung gemäss der Erfindung umfasst drei magnetische Unterbaugruppen, worin jede magnetische Unterbaugruppe eine geschlossene magnetische Schlaufe ohne Luftspalten, zwei Wickelschenkel und mindestens drei Windungen umfasst. In einer Ausführungsform enthält jede magnetische Unterbaugruppe vier Windungen. Die Vorrichtung umfasst mindestens ein erstes gemeinsames Joch und mindestens ein zweites gemeinsames Joch, welche die drei magnetischen Unterbaugruppen magnetisch verkoppeln. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die beiden gemeinsamen Joche identisch und nebeneinandergestellt auf der Oberseite bzw. auf der Unterseite der drei magnetischen Unterbaugruppen.
Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung mindestens eine Luftspalte zwischen den drei magnetischen Unterbaugruppen und einem der beiden gemeinsamen Joche. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Vorrichtung zwei Luftspalten, d. h. eine erste bzw. eine zweite Luftspalte zwischen der Oberseite und der Unterseite der drei magnetischen Unterbaugruppen und dem ersten bzw. zweiten gemeinsamen Joch.
Die Vorrichtung besitzt drei Stromeingänge, welche mit einer dreiphasigen Stromleitung oder einem dreiphasigen Stromnetz verbunden werden können sowie mindestens zwei Stromausgänge jeweils für jeden Stromeingang. In einer bevorzugten Ausführungsform besitzt die Vorrichtung sechs Stromausgänge, d. h. jeweils zwei Stromausgänge für jeden Stromeingang. Die Stromausgänge sind galvanisch mit den drei Stromeingängen gekoppelt und können mit einer Last gekoppelt werden.
Jede der drei magnetischen Unterbaugruppen umfasst ein erstes Joch und ein zweites Joch, welche zusammen mit den zwei Wickelschenkeln eine geschlossene magnetische Schlaufe ohne Luftspalten bilden. Jede der drei magnetischen Unterbaugruppen kann zudem zwei Spulen umfassen, welche auf dieser geschlossenen magnetischen Schlaufe montiert sind, insbesondere auf zwei Schenkeln angeordnet sind. In einer Ausführungsform weisen die drei magnetischen Unterbaugruppen identische Schenkel auf. In einer anderen Ausführungsform kann der Querschnitt jedes Schenkels wie nötig ausgewählt werden, beispielsweise je nach Magnetfluss innerhalb jedes Schenkels.
Vorzugsweise ist die Nettosumme der Magnetflüsse an der in das erste oder zweite gemeinsame Joch eintretenden Grundfrequenz gleich null.
Wenn die besagte Vorrichtung zwischen dem dreiphasigen Stromnetz und der Last gekoppelt ist, sind die in jede der Stromausgänge fliessenden Grundkomponenten um einen vorbestimmten Winkel in Bezug auf die entsprechende, in den Stromeingang fliessende Grundkomponente, phasenverschoben. Der Wert des Winkels hängt wiederum vom Pulsgleichrichter ab, der mit dieser Vorrichtung gekoppelt werden kann.
In einer ersten Ausführungsform umfasst die Vorrichtung ein erstes gemeinsames Joch und ein zweites gemeinsames Joch rechteckiger Form. In diesem Fall sind die drei magnetischen Unterbaugruppen ausgerichtet.
In einer anderen Ausführungsform umfasst die Vorrichtung zwei erste gemeinsame Joche und zwei zweite gemeinsame Joche mit einer rechteckigen Form. In dieser Ausführungsform umfasst die magnetische Vorrichtung zwei Löcher, welche dazu verwendet werden können, die Vorrichtung durch Luftfluss zu kühlen.
In einer anderen Ausführungsform umfasst die Vorrichtung ein erstes und ein zweites gemeinsames Joch mit einer dreieckigen oder kreisförmigen oder polygonalen Form. In diesen Fällen werden die drei magnetischen Unterbaugruppen auf eine dreieckige bzw. kreisförmige bzw. polygonale Art angeordnet und die Vorrichtung umfasst ein zentrales Loch. Ein Luftfluss kann vorzugsweise durch dieses Loch fliessen und kühlt die Vorrichtung effizient. Diese Ausführungsform ist leicht herzustellen und weist eine bessere Symmetrie als die vorhergehenden Ausführungsformen auf, d. h. sie wird durch identische Parameter für alle drei Phasen gekennzeichnet.
Vorzugsweise können die drei magnetischen Unterbaugruppen hergestellt werden, indem verschachtelte UI-Kernbleche verwendet werden. Diese Kerne sind damit einfach herzustellen.
Falls die erfindungsgemässe Vorrichtung zwischen dem dreiphasigen Stromnetz 100 und einer Last 200 gekoppelt wird, sind die Grundkomponenten des in jeden der mindestens zwei Stromausgänge fliessenden Teilstroms um einen vorbestimmten Winkel in Bezug auf die in den Stromeingang fliessende Grundkomponente des Gesamtstroms verschoben sind. Wie erwähnt beträgt ein typischer Wert dieses Winkels für ein Zwölfpuls-Frontend 30°.
Etwas Energie wird in einem Magnetfeld innerhalb der Luftspalten gespeichert. In einem solchen Fall, kann ein Nacheilwinkel oder Phasenverschiebungswinkel δ zwischen jedem der Spannungsphasoren des Stromnetzes 100 und den entsprechenden Eingangsströmen I_L1 oder I_L2 oder I_L3 der magnetischen Vorrichtung beobachtet werden, wie in 3A gezeigt. In diesem Fall wird die Funktion des Induktors in der gleichen Vorrichtung integriert. Zudem ist es einfach, den Induktivitätswert dieser Vorrichtung zu steuern, indem die Dicke der Luftspalte geändert wird, welche in einer Ausführungsform in der Grössenordnung von einigen mm liegt.
Vorzugsweise kann die magnetische Vorrichtung der Erfindung sowohl in Gleichstromwandlern wie in Wechselstromwandlern verwendet werden. Wenn sie in einem Wechselstrom-in-Gleichstrom-Wandler verwendet wird, beispielsweise in Verbindung mit einem Zwölfpulsgleichrichter, fliesst der Stromfluss von den Stromeingängen oder gemeinsamen Pfaden der Vorrichtung zu ihren Stromausgängen oder geteilten Pfaden. In diesem Fall arbeitet die Vorrichtung als Stromaufteiler (current splitter): Der Gesamtstrom im gemeinsamen Pfad wird gezwungen, sich in zwei identische jedoch phasenverschobene Teilströme in den geteilten Pfaden aufzuteilen. In einer Ausführungsform wird der Gesamtstrom dazu gezwungen, sich in mehr als zwei identische jedoch phasenverschobene Teilströme aufzuteilen.
Wenn die Vorrichtung in einem Gleichstrom-in-Wechselstrom-Wandler verwendet wird, fliesst der Stromfluss von den zwei geteilten Pfaden zum gemeinsamen Pfad. In diesem Fall arbeitet die Vorrichtung als Stromvereiniger (current merger). In beiden Fällen reduziert die Wirkung der Vorrichtung die Oberwellenströme. In einem Gleichstromwandler oder in einem Wechselstromwandler mit dieser magnetischen Vorrichtung ist keine galvanische Isolation möglich.
Vorteile der Lösung im Vergleich zum Stand der Technik sind u. a. insbesondere die Möglichkeit, eine einzige Vorrichtung zu verwenden, welche die Funktion eines Induktors plus die Funktion eines Splitters mit drei Magnetkernen aus dem Stand der Technik sowohl in Hochimpedanz-Zwischenkreisgleichrichtern wie auch in Niederimpedanz-Zwischenkreisgleichrichtern ausübt. Die Vorrichtung umfasst eine magnetische Vorrichtung statt der vier magnetischen Vorrichtungen in der Lösung aus dem Stand der Technik (drei Vorrichtungen 300 und eine Vorrichtung für den Induktor 400). Diese magnetische Vorrichtung besteht aus den drei magnetischen Unterbaugruppen und aus den zwei gemeinsamen Jochen, welche magnetisch gekoppelt sind.
Die Lösung reduziert zudem die Grösse, das Gewicht und die Kosten eines Umrichters mit geringem Oberwellenanteil und bietet hohe Zuverlässigkeit und Effizienz sowie niedrige Funkstörungen (EMI, electromagnetic interference). Zudem werden viele mögliche Anordnungen für die Windungen der Wickelschenkel der magnetischen Unterbaugruppen ermöglicht.
Die Lösung, wie bekannte mehrphasige Gleichrichter, beseitigt einige wichtige Oberwellen, ist jedoch nicht empfindlich auf Spannungsungleichheiten des Stromnetzes.
Kurze Beschreibung der Figuren
Die Erfindung wird besser verstanden mit Hilfe der Beschreibung einer als Beispiel angegebenen Ausführungsform und anhand der beigefügten Figuren illustriert, wobei es zeigen:
1A ein Beispiel einer Lösung aus dem Stand der Technik mit einem dreiphasigen Induktor und einem Splitter mit drei magnetischen Vorrichtungen, welche zwischen einer dreiphasigen Stromleitung und einer einen Zwölfpulsgleichrichter umfassenden Last gekoppelt sind;
1B und 1C eine Draufsicht bzw. eine Seitenansicht eines dreiphasigen Induktors, welcher zu einer Lösung aus dem Stand der Technik gehört;
1D und 1E eine Draufsicht bzw. eine Seitenansicht von drei magnetischen Vorrichtungen, welche auch zu einer Lösung aus dem Stand der Technik gehören, nämlich von einem Splitter;
2 ein allgemeines Blockschema eines dreiphasigen Induktors und einer Splittervorrichtung mit drei magnetischen Vorrichtungen aus dem Stand der Technik, welche zwischen einer dreiphasigen Stromleitung und einer einen Zwölfpulsgleichrichter umfassenden Last gekoppelt sind;
3A ein Phasordiagramm der Eingangs- oder Gesamtströme einer Vorrichtung der 2 mit einem dreiphasigen Induktor und einem Splitter mit drei magnetischen Vorrichtungen aus dem Stand der Technik;
3B ein Phasordiagramm der Teilströme, mit kapazitiven Teilströmen und induktiven Teilströmen, einer Vorrichtung der 2 mit einem dreiphasigen Induktor und einem Splitter mit drei magnetischen Vorrichtungen aus dem Stand der Technik;
4A, 4B und 4C eine Draufsicht bzw. eine Seitensicht bzw. eine andere Draufsicht ohne gemeinsame Joche einer Ausführungsform der integrierten magnetischen Vorrichtung für ein dreiphasiges Frontend mit niedriger Oberwelligkeit gemäss der Erfindung;
5A, 5B und 5C eine Draufsicht bzw. eine Seitenansicht bzw. eine andere Draufsicht ohne gemeinsame Joche einer anderen Ausführungsform der integrierten magnetischen Vorrichtung für ein dreiphasiges Frontend mit niedriger Oberwelligkeit gemäss der Erfindung;
6A, 6B und 6C eine Draufsicht bzw. eine Seitenansicht bzw. eine andere Draufsicht ohne gemeinsame Joche einer anderen Ausführungsform der integrierten magnetischen Vorrichtung für ein dreiphasiges Frontend mit niedriger Oberwelligkeit gemäss der Erfindung;
7A, 8A, 9A...18A verschiedene Ausführungsformen der Windungen der Vorrichtung gemäss einem Aspekt der Erfindung;
7B, 8B, 9B...18B ein Phasordiagramm von magnetischen Durchflutungsvektoren (MMF) von einer der drei magnetischen Unterbaugruppen der Vorrichtung gemäss einem Aspekt der Erfindung;
7C, 8D, 9D...18D; 7D, 8D, 9D...18D; 7E, 8E, 9E...18E die Position der Windungen auf den Schenkeln von einer der drei magnetischen Unterbaugruppen der Vorrichtung gemäss einem Aspekt der Erfindung;
19 einen Zwölfpulsgleichrichter zur Beseitigung von Oberwellen mit einem Beispiel einer integrierten magnetischen Vorrichtung für ein dreiphasiges Frontend mit niedriger Oberwelligkeit gemäss der Erfindung;
20 ein Zwölfpuls-Frontend zur Beseitigung von Oberwellen mit bidirektionalem Stromfluss, mit einem Beispiel einer integrierten magnetischen Vorrichtung für ein dreiphasiges Frontend mit niedriger Oberwelligkeit gemäss einem Aspekt der Erfindung.
Detaillierte Beschreibung möglicher Ausführungsformen der Erfindung
Die integrierte magnetische Vorrichtung der Erfindung ist konzipiert für ein dreiphasiges Frontend mit niedriger Oberwelligkeit, das uni- oder bidirektional sein kann. Seine Verwendung ermöglicht eine Eindämmung von Oberwellen der durch den Wandler aus der dreiphasigen Stromleitung aufgenommenen Ströme oder der in dreiphasige Stromleitungen injizierten Ströme. Die Grösse ist geringer und die Kosten niedriger im Vergleich zu Lösungen aus dem Stand der Technik.
Die 4A, 4B und 4C zeigen eine Draufsicht bzw. eine Seitensicht bzw. eine andere Draufsicht ohne gemeinsames Joch einer möglichen Ausführungsform der Vorrichtung 1 gemäss der Erfindung. In dieser Ausführungsform umfasst die Vorrichtung 1 drei magnetische Unterbaugruppen 30, worin jede magnetische Unterbaugruppe 30 zwei Wickelschenkel und mindestens drei Windungen umfasst. Im dargestellten Fall, weisen die drei magnetischen Unterbaugruppen identische Schenkel auf. In einer anderen Ausführungsform kann der Querschnitt der Schenkel verschieden sein, beispielsweise je nach Magnetfluss. In Nieder- oder Mittelstromanwendungen, d. h. Anwendung mit einer Leistung tiefer als 50 kW, kann jeder Wickelschenkel eine Spule 20 umfassen. Bei Hochstromanwendungen werden die Windungen auf die magnetische Unterbaugruppen ohne Spulen gewickelt, indem vier oder mehr Kunststoffplatzhalter verwendet werden, um die Windungen in einem Abstand von der Unterbaugruppe zu halten.
Jede der drei magnetischen Unterbaugruppen 30 umfasst ein erstes Joch 35 und ein zweites Joch 35', welche zusammen mit den zwei Schenkeln die geschlossene magnetische Schlaufe ohne Luftspalten bilden. Im Vergleich zu einer herkömmlichen Drossel, beispielsweise zum dreiphasigen Induktor 400 der 1C, umfasst die erfindungsgemässe Vorrichtung drei magnetische Unterbaugruppen statt drei Schenkel.
Vorzugsweise ist die Nettosumme der Magnetflüsse von positiven und negativen Sequenzkomponenten, sowohl für die Grundfrequenz wie für die Oberwellen, welche in das erste bzw. zweite gemeinsame Joch eintreten, gleich null. Mit anderen Worten strömt kein Fluss nach ausserhalb der Vorrichtung.
In dieser Ausführungsform umfasst die Vorrichtung ein erstes gemeinsames Joch 10 und ein zweites gemeinsame Joch 10', welche identisch sind und welche die drei getrennten magnetischen Unterbaugruppen 30 magnetisch verkoppeln, d. h. die zwei gemeinsamen Joche 10 und 10' sind identisch und nebeneinandergestellt auf der Oberseite bzw. auf der Unterseite der drei getrennten magnetischen Unterbaugruppen 30.
Die Vorrichtung umfasst zwei Luftspalten 40 und 40', d. h. eine erste und eine zweite Luftspalte zwischen der Oberseite bzw. der Unterseite der drei magnetischen Unterbaugruppen 30 und dem ersten 10 bzw. zweiten 10' gemeinsamen Joch. Die Vorrichtung der Erfindung kann nur eine Luftspalte zwischen den drei magnetischen Unterbaugruppen 30 und einem der zwei gemeinsamen Joche 10 und 10' umfassen.
In dieser Ausführungsform weisen das erste gemeinsame Joch 10 und das zweite gemeinsame Joch 10' eine rechteckige Form auf. In diesem Fall sind die drei magnetischen Unterbaugruppen 30 ausgerichtet, d. h. das rechteckige Loch zwischen den zwei Wickelschenkeln von einer magnetischen Unterbaugruppe 30 ist auf die Löcher der beiden anderen magnetischen Unterbaugruppen 30 ausgerichtet. In der auf den 4A bis 4C dargestellten Ausführungsform ist die Breite W_Y des Querschnitts der gemeinsamen Joche 10, 10' gleich der Breite W_C des Querschnitts von jeder magnetischen Unterbaugruppe 30. In einer bevorzugten Ausführungsform weist jede der drei magnetischen Unterbaugruppen 30 einen rechteckigen Querschnitt auf, wobei die Länge L_C des Querschnitts grösser als dessen Breite W_C ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Länge L_Y des Querschnitts der gemeinsamen Joche 10, 10' grösser als das Dreifache der Länge L_C des Querschnitts der magnetischen Unterbaugruppen 30, d. h. L_Y > 3·L_C, wie in den 4A bis 4C gezeigt.
In der Ausführungsform der 5A bis 5C sind die drei magnetischen Unterbaugruppen 30 parallel, d. h. das rechteckige Loch zwischen den zwei Wickelschenkeln einer magnetischen Unterbaugruppe 30 befindet sich vor dem rechteckigen Loch zwischen den zwei Wickelschenkeln einer anderen magnetischen Unterbaugruppe 30.
In dieser Ausführungsform gibt es zwei erste gemeinsame Joche 60, 70 und zwei zweite gemeinsame Joche 60', 70' mit einer rechteckigen Form und einer Breite W_YS kleiner als die Hälfte der Länge L_C des Querschnitts der drei magnetischen Unterbaugruppen. Auf diese Weise umfasst die integrierte magnetische Vorrichtung 1 dieser Ausführungsform vorzugsweise zwei Löcher 90, welche dazu verwendet werden können, sie zu kühlen.
Wiederum kann die Vorrichtung 1 mindestens eine Luftspalte zwischen den drei magnetischen Unterbaugruppen 30 und den ersten gemeinsamen Jochen 60, 70 und zweiten gemeinsamen Jochen 60', 70' umfassen. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Vorrichtung zwei Luftspalten, eine erste Luftspalte 40 zwischen dem ersten Joch 35 jeder magnetischen Unterbaugruppe 30 und den ersten gemeinsamen Joche 60, 70, sowie eine zweite Luftspalte 40' zwischen dem zweiten Joch 35' jeder magnetischen Unterbaugruppe 30 und den zweiten gemeinsamen Joche 60', 70'.
In der Ausführungsform der 6A bis 6C, welche eine Draufsicht, eine andere Draufsicht ohne gemeinsame Joche und eine Seitenansicht der magnetischen Vorrichtung 1 zeigen, sind ein erstes 50 und ein zweites 50' gemeinsames Joch mit einer dreieckigen Form vorhanden. In diesem Fall werden die drei magnetischen Unterbaugruppen 30 dreieckig angeordnet. In einer anderen Ausführungsform weisen das erste 50 und zweite 50' gemeinsame Joch eine kreisförmige oder polygonale Form auf und die drei magnetischen Unterbaugruppen 30 werden auf eine kreisförmige bzw. polygonale Art angeordnet. In einer besonderen Ausführungsform ist die Breite des Querschnitts der gemeinsamen Joche 50, 50' gleich der Breite des Querschnitts einer magnetischen Unterbaugruppe 30.
Die Vorrichtung umfasst ein zentrales Loch 80. In der dargestellten Ausführungsform ist das Loch 80 dreieckig. Ein Luftfluss kann vorzugsweise durch dieses Loch fliessen und kühlt die Vorrichtung effizient. Zudem ist diese Ausführungsform leicht herzustellen und weist eine bessere Symmetrie als die vorhergehenden Ausführungsformen auf, d. h. sie wird durch identische Parameter für alle drei Phasen gekennzeichnet. Mit anderen Worten gewährleistet die Ausführungsform der 6A bis 6C eine volle Symmetrie der Vorrichtung und schafft identische Voraussetzungen für die Windungen um die Wickelschenkeln.
Auch wenn die in 6C dargestellte Vorrichtung 1 zwei Luftspalten umfasst, wobei sich eine erste Luftspalte 40 zwischen den drei magnetischen Unterbaugruppen 30 und dem ersten gemeinsame Joch 50 und eine zweite Luftspalte 40' zwischen den drei magnetischen Unterbaugruppen 30 und dem zweiten gemeinsam Joch 50' befindet, kann sie nur eine Luftspalte 40 oder 40' aufweisen.
Vorzugsweise können die drei magnetischen Unterbaugruppen 30 unter Verwendung von verschachtelten UI-Kernblechen hergestellt werden.
Die Vorrichtung 1 besitzt drei Stromeingänge, welche mit einer dreiphasigen Stromleitung oder einem dreiphasigen Stromnetz 100 gekoppelt werden können, und mindestens zwei Stromausgänge für jeden Stromeingang. In einer bevorzugten Ausführungsform besitzt die Vorrichtung sechs Stromausgänge, d. h. zwei Stromausgänge für jeden Stromeingang. Im Allgemeinen gehören die Stromeingänge zur dreiphasigen Seite des Wandlers und die Stromausgänge zur sechs- oder multiphasigen Seite des gleichen Wandlers.
Die Stromausgänge sind mit den drei Stromeingängen galvanisch gekoppelt und sind mit einer Last 200 koppelbar. Die Vorrichtung wandelt dreiphasige Eingänge in sechsphasige Ausgänge.
Wird die besagte Vorrichtung zwischen dem dreiphasigen Stromnetz 100 und einer Last gekoppelt, beispielsweise einer nichtlinearen Last 200 mit einem Zwölfpulsgleichrichter, gefolgt von einem Zwischenkreis und einer generischen Gleichstromlast, sind die Grundkomponenten der in jeden der Stromausgänge fliessenden Teilströme um einen vorbestimmten Winkel φ/2 in Bezug auf die entsprechende Grundkomponente des in den Stromeingang fliessenden Stroms verschoben.
Die Nebeneinanderstellung des ersten und zweiten gemeinsamen Jochs auf den drei magnetischen Unterbaugruppen erzeugt eine magnetische Koppelung zwischen diesen drei magnetischen Unterbaugruppen 30, und das Vorhandensein von mindestens einer Luftspalte ermöglicht es der Vorrichtung, auch die Funktion eines Induktors zu erfüllen.
Die Vorrichtung 1 erlaubt es, Material zu sparen, und hat eine geringere Grösse und ein niedrigeres Gewicht im Vergleich zu einem herkömmlichen Transformator. Die Dimensionen der Vorrichtung 1 in der Ausführungsform der 4A bis 4C hängen vom Strom ab, der vom System umgewandelt wird. Die Vorrichtung gemäss der Erfindung verwendet ca. ein Viertel des in einem Transformator für den gleichen Stromwandler verwendeten Materials. Die Materialreduktion im Vergleich zu den oben beschriebenen Lösungen aus dem Stand der Technik beträgt in der Grössenordnung von ca. 20%. Zudem sind die Dimensionen und die Masse der Vorrichtung 1 gemäss der Erfindung kleiner als die Dimensionen und die Masse eines herkömmlichen Transformators für einen Zwölfpulsgleichrichter bei gleicher Leistung und als die Lösungen aus dem Stand der Technik.
In einer Ausführungsform ist jede der drei magnetischen Unterbaugruppen 30 ein geblechter Eisenunterkern oder, für höhere Frequenzen, ein ferromagnetischer Unterkern. Der Magnetunterkern kann ein gestapelter Kern sein, d. h. ein durch das schichtweise Stapeln von dünnen Si-Fe-Kernblechen gebildeter Kern. Jedes Kernblech ist von seinen Nachbarn durch eine dünne nichtleitfähige Isolationsschicht isoliert. Die Wirkung von Kernblechen besteht darin, Wirbelströme zu drosseln und deren Ausmass zu reduzieren. Dünnere Kernbleche reduzieren Verluste, sind jedoch schwieriger und teurer herzustellen.
Schnittkerne, wie die C-Kerne, sind Ringbandkerne, welche nach der Glühbehandlung imprägniert, dann in Teile geschnitten und gewickelt werden. Da diese Kerne innert kürzester Zeit um die Spulen montiert werden, benötigt die Vorrichtung 1 dieser Ausführungsform weniger Zeit für die Herstellung der Vorrichtung.
7A, 8A, 9A...18A zeigen verschiedene Ausführungsformen der Windungen der Vorrichtung gemäss einem Aspekt der Erfindung.
7B, 8B, 9B...18B zeigen ein Phasordiagramm von magnetischen Durchflutungsvektoren (MMF vectors) von einer der drei magnetischen Unterbaugruppen der Vorrichtung gemäss einem Aspekt der Erfindung.
7C, 8D, 9D...18D; 7D, 8D, 9D...18D; 7E, 8E, 9E...18E zeigen die Position der Windungen auf den Schenkeln von einer der drei magnetischen Unterbaugruppen der Vorrichtung gemäss einem Aspekt der Erfindung.
In der Ausführungsform der 7C und 7D umfasst jede magnetische Unterbaugruppe 30 zwei Windungen 22 für jeden Wickelschenkel: Insbesondere umfasst jeder Schenkel eine Teilwindung S und eine Verteilwindung V. Der Name für die Windungen wird mit Bezug auf 7B erklärt, welche magnetische Durchflutungsvektoren (Magneto-Motive Force vectors/MMF vectors) darstellt.
Um eine Splittervorrichtung wie beschrieben zu beschaffen, muss die folgende Bedingung für jeden geschlossenen Magnetkreis erfüllt werden: Die Summe der magnetischen Spannungen (MMF) dieses Magnetkreises muss gleich null sein. Eine mit einer Windung in Verbindung stehende magnetische Spannung wird durch den Momentanwert des in diese Windung fliessenden Stroms mal deren Anzahl von Umdrehungen realisiert. Mit anderen Worten bedeutet es, dass die Durchflutungsvektoren eines Magnetkreises eine geschlossene Bahn bilden müssen.
In der Ausführungsform der 7B ist eine magnetische Schaltung für die betrachtete magnetische Untergruppe 30 vorhanden, mit einem geschlossenen vierseitigen Pfad. Im durch die Durchflutungsvektoren S1.2, S1.1, V3.2 und V2.1 gebildeten Pfad funktionieren S1.2 und S1.1 als induktiver Teilvektor (induktiv, da er dem induktiven Strom I_1.2 entspricht, der im auf der 7A dargestellten elektrischen Stromkreis fliesst) bzw. als kapazitiver Teilvektor (kapazitiv, da er dem kapazitiven Strom I_1.1 entspricht).
In diesem Fall sind V3.2 und V2.1 Verteiler, da sie den durch diese vier Vektoren gebildeten vierseitigen Pfad schliessen. Insbesondere arbeitet V3.2 als induktiver Verteilervektor (induktiv, da er dem induktiven Strom I_3.2 entspricht, der im auf der 7A dargestellten elektrischen Stromkreis fliesst) und V2.1 als kapazitiver Verteilervektor (kapazitiv, da er dem kapazitiven Strom I_2.1 entspricht).
Im Allgemeinen leitet jede Teilwindung einen Teilstrom und jede Verteilwindung leitet einen Phasenstrom, d. h. I_L1 oder I_L2 oder I_L3 oder einen Teilstrom I_S1.1, I_S1.2, I_S2.1, I_S2.2, I_S3.1, I_S3.2. Eine Verteilwindung V kann jede Art von Strom leiten. In einer Ausführungsform kann die Verteilwindung V eines Schenkels der Vorrichtung einen Teil- oder Gesamtstrom eines anderen Schenkels der gleichen Vorrichtung leiten. In einer anderen Ausführungsform kann die Vektorverteilwindung V einen externen und regelbaren Strom leiten.
In der Ausführungsform der 7C enthält jeder Wickelschenkel eine kapazitive/induktive Teilwindung 22 und eine induktive/kapazitive Verteilwindung 22. In der Ausführungsform von 7D umfasst ein Wickelschenkel zwei kapazitive/induktive Verteilwindungen 22 und der andere Wickelschenkel umfasst zwei induktive/kapazitive Teilwindungen 22. In beiden Fällen umfasst die Vorrichtung 1 dann zwölf Windungen. Die Verteilwindungen V eines Schenkels einer magnetischen Unterbaugruppe 30 sind in diesem Fall Teilwindungen S von einem der anderen beiden magnetischen Unterbaugruppen 30 der gleichen Vorrichtung. Wie in 7A gezeigt, enthält in diesem Fall jeder der drei gemeinsamen Pfade im elektrischen Stromkreis der Vorrichtung keine Windungen. Jeder geteilte Pfad enthält zwei Windungen.
Die 8A bis 8D zeigen eine andere Ausführungsform, worin jede magnetische Unterbaugruppe 30 zwei Windungen 22 für jeden Wickelschenkel umfasst. In der Ausführungsform der 8C enthält jeder Wickelschenkel eine kapazitive/induktive Teilwindung 22 und eine kapazitive/induktive Verteilwindung 22. In der Ausführungsform von 8D umfasst ein Wickelschenkel zwei kapazitive/induktive Verteilwindungen 22 und der andere Wickelschenkel umfasst zwei kapazitive/induktive Teilwindungen 22. Wiederum umfasst dann die Vorrichtung 1 in beiden Fällen zwölf Windungen. Wiederum sind die Verteilwindungen V eines Schenkels einer magnetischen Unterbaugruppe 30 Teilwindungen S von einem der anderen beiden magnetischen Unterbaugruppen 30 der gleichen Vorrichtung. Wie in 8A gezeigt, enthält wiederum jeder der drei gemeinsamen Pfade im elektrischen Stromkreis der Vorrichtung keine Windungen.
Die 9A bis 9D zeigen eine andere Ausführungsform, worin jede magnetische Unterbaugruppe 30 zwei Windungen 22 für jeden Wickelschenkel umfasst. In der Ausführungsform der 9C enthält jeder Wickelschenkel eine Teilwindung 22 und eine Verteilwindung 22. In der Ausführungsform der 9D umfasst ein Wickelschenkel zwei kapazitive/induktive Verteilwindungen 22 und der andere Wickelschenkel umfasst zwei induktive/kapazitive Teilwindungen 22. Wiederum umfasst dann die Vorrichtung 1 in beiden Fällen zwölf Windungen. Wiederum sind die Verteilwindungen V eines Schenkels einer magnetischen Unterbaugruppe 30 Teilwindungen S von einem der anderen beiden magnetischen Unterbaugruppen 30 der gleichen Vorrichtung. Wie in 9A gezeigt, enthält in diesem Fall wiederum jeder der drei gemeinsamen Pfade im elektrischen Stromkreis der Vorrichtung keine Windungen.
Die 10A bis 10D zeigen eine andere Ausführungsform der Erfindung, für welche die gleichen in Bezug auf die 9A bis 9D gemachten Überlegungen nach wie vor Gültigkeit haben.
Die 11A bis 11D zeigen eine andere Ausführungsform, worin jede magnetische Unterbaugruppe 30 zwei Windungen 22 für jeden Wickelschenkel umfasst. In der Ausführungsform der 11C enthält jeder Wickelschenkel eine kapazitive Teilwindung 22 und eine gemeinsame Verteilwindung 22. In der Ausführungsform von 11D umfasst ein Wickelschenkel zwei gemeinsame Verteilwindungen 22 und der andere Wickelschenkel umfasst zwei induktive/kapazitive Teilwindungen 22. In beiden Fällen umfasst dann die Vorrichtung 1 zwölf Windungen. In diesem Fall, wie in 9A dargestellt, umfasst jeder der drei gemeinsamen Pfade im elektrischen Stromkreis der Vorrichtung zwei gemeinsame Verteilwindungen und jeder geteilte Pfad enthält eine (kapazitive oder induktive) Teilwindung.
Die 12A bis 12D zeigen eine andere Ausführungsform der Erfindung, für welche die gleichen in Bezug auf die 11A bis 11D gemachten Überlegungen nach wie vor Gültigkeit haben.
Die 13A bis 13E zeigen eine andere Ausführungsform, worin jede magnetische Unterbaugruppe 30 drei Windungen 22 umfasst, insbesondere enthält ein Wickelschenkel eine Windung und der zweite Schenkel zwei Windungen. Zwei der drei Windungen sind Teilwindungen und die übrige Windung ist eine Verteilwindung. Die 13C bis 13E zeigen mögliche Kombinationen der drei Windungen. In diesem Fall umfasst die Vorrichtung 1 neun Windungen. Wiederum sind die Verteilwindungen V eines Schenkels einer magnetischen Unterbaugruppe 30 Teilwindungen S von einem der anderen zwei magnetischen Unterbaugruppen 30 der gleichen Vorrichtung. Wie in 13A dargestellt, umfasst in diesem Fall jeder der drei gemeinsamen Pfade im elektrischen Stromkreis der Vorrichtung keine Windung.
Die 14A bis 16E zeigen andere Ausführungsformen der Erfindung, für welche die gleichen in Bezug auf die 13A bis 13E gemachten Überlegungen nach wie vor Gültigkeit haben.
Die 17A bis 17E zeigen eine andere Ausführungsform, worin wiederum die Vorrichtung 1 neun Windungen umfasst. In diesem Fall, wie in 17A dargestellt, enthält jeder der drei gemeinsamen Pfade im elektrischen Stromkreis der Vorrichtung eine gemeinsame Verteilwindung und jeder geteilter Pfad umfasst eine (kapazitive oder induktive) Teilwindung.
Die 18A bis 18E zeigen eine andere Ausführungsform der Erfindung, für welche die gleichen in Bezug auf die 17A bis 17E gemachten Überlegungen nach wie vor Gültigkeit haben.
Mit anderen Worten umfasst die Vorrichtung 1 zwei Klassen, je nach Gesamtanzahl von Windungen: Die erste Klasse besteht aus Vorrichtungen mit neun Windungen, d. h. drei Windungen für jede magnetische Unterbaugruppe 30, eine Windung auf einem Wickelschenkel und zwei Windungen auf dem anderen Wickelschenkel, wie in 13A bis 18E dargestellt, welche alle mögliche Kombinationen für die drei Windungen auf einer magnetischen Unterbaugruppe 30 darstellen; die zweite Klasse besteht aus Vorrichtungen mit zwölf Windungen, d. h. vier Windungen für jede magnetische Unterbaugruppe 30, zwei Windungen für jeden Wickelschenkel wie in 7A bis 12D dargestellt, welche alle mögliche Kombinationen für die vier Windungen auf einer magnetischen Unterbaugruppe 30 darstellen.
Da etwas Energie in einem Magnetfeld innerhalb der mindestens einen Luftspalte der Vorrichtung gespeichert werden kann, kann ein in 3A dargestellter Nacheilwinkel oder ein Phasenverschiebungswinkel δ zwischen jedem der Spannungsphasoren des Stromnetzes 100 und dem entsprechenden Eingangsstrom I_L1 oder I_L2 oder I_L3 der magnetischen Vorrichtung beobachtet werden. In diesem Fall ist die Funktion des Induktors in der Vorrichtung integriert. Zudem ist der Induktivitätswert leicht zu steuern.
Die Verwendung der magnetischen Vorrichtung 1 in einem Stromrichter erlaubt es, einen Zwölfdiodengleichrichter zu benützen und somit die 5. und 7., 17. und 19., 29. und 31. Oberwellen zu beseitigen. Untersuchungen haben gezeigt, dass der Klirrfaktor (THD, Total Harmonic Distortion) bei weniger als ca. 13% liegen kann. Im Fall eines Sechsdiodengleichrichters mit einer Zwischenkreisdrossel beispielsweise, werden die Oberwellen nicht beseitigt und der Klirrfaktor liegt bei nicht weniger als 40%.
Wie in den Stromkreisen der 7A, 8A, ... 17A und 18A gezeigt, umfasst die Vorrichtung 1 gemäss der Erfindung drei gemeinsame Pfade, welche zu den Phasen L1, L2, L3, und sechs geteilte Pfade, welche zu einer Phase 1 (L1.1 und L1.2), zu einer Phase 2 (L2.1 und L2.2) und zur Phase 3 (L3.1 und 3.2) gehören. In einer anderen Ausführungsform kann die Anzahl der geteilten Pfade mehr als zwei pro Phase sein. Wenn diese Vorrichtung in einem Wechselstrom-in-Gleichstrom-Umrichters verwendet wird und dann der Strom von einem Wechselstromeingang zu einem Gleichstromausgang fliesst, wie oben beschrieben, funktioniert die Vorrichtung 1 als phasenverschiebender Stromteiler. Tatsächlich funktioniert die Vorrichtung 1 als phasenschiebender Stromteiler. Tatsächlich wird der auf dem gemeinsamen Pfad fliessende Strom in zwei oder mehr identische jedoch phasenverschobene Komponenten, die in den geteilten Pfaden fliessen, geteilt. In einer anderen Ausführungsform kann die Anzahl der geteilten Pfade drei oder mehr sein.
Vorzugsweise kann die Vorrichtung 1 in einem Gleichstrom-in-Wechselstrom-Wandler verwendet werden. In einem solchen Fall fliesst der Strom von einem Gleichstromeingang zu einem Wechselstromausgang und die Vorrichtung 1 arbeitet als phasenverschiebender Stromvereiniger. Tatsächlich wird der in den geteilten Pfaden fliessende Strom in einen gemeinsamen Pfad vereint. Auch in diesem Fall kann die Anzahl der geteilten Pfade drei oder mehr sein.
Mit anderen Worten, für jede Phase der drei mit einem dreiphasigen Stromnetz 100 koppelbaren Eingangsleitungen kann eine phasenverschiebende Stromteiler/-vereiniger-Vorrichtung 1 verwendet werden. Arbeitet diese Vorrichtung als Splitter, teilt sie einen Eingangsstrom in zwei oder mehr Teilströme mit steuerbarer Phasenverschiebung und Amplitude; wenn sie als Vereiniger funktioniert, kombiniert sie zwei oder mehr Teilströme mit steuerbarer Phasenverschiebung und Amplitude zu einem Ausgangsstrom.
Der gemeinsame Pfad der erfindungsgemässen Vorrichtung 1 kann null (7A bis 10A und 13A bis 16A), eine (17A und 18A) oder zwei Verteilwindungen (11A und 12A) umfassen. Jeder geteilter Pfad kann eine Teilwindung (11A bis 12A und 17A bis 18A) oder eine Teilwindung und eine Verteilwindung (7A bis 10A und 13A bis 16A) umfassen. Je nach Anzahl und Position der Windungen in den gemeinsamen und geteilten Pfaden kann eine Klassifizierung der verschiedenen Arten von Vorrichtungen vorgenommen werden.
Die Anzahl Windungen wird so gewählt, dass die Amplitude der Grundfrequenzkomponente der in den geteilten Pfaden fliessenden Teilströme identisch ist und dass die Phasenverschiebung zwischen den Grundfrequenzkomponenten der Teilströme gleich einem vorbestimmten Winkel ist. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Wert dieses Winkels 30°.
Die 19 zeigt einen Wechselstrom-in-Gleichstrom-Wandler mit einer magnetischen Komponente oder Vorrichtung 1 gemäss einigen Ausführungsformen der Erfindung. Der Zwischenkreis weist eine niedrige Impedanz auf, wie schematisch durch das Vorhandensein des Kondensators C_DC dargestellt. Vorzugsweise kann die Vorrichtung 1 auch in Kombination mit einem Hochimpedanz-Zwischenkreis verwendet werden.
Auch wenn der Zwischenkreis eine niedrige Impedanz hat, wie schematisch durch das Vorhandensein des Kondensators C_DC dargestellt, wird in einem solchen Fall kein zusätzlicher Induktor 400 benötigt, weil wie beschrieben die integrierte Vorrichtung auch die Funktion eines Induktors einschliesst. Im Vergleich zur in 1A dargestellten Lösung aus dem Stand der Technik wird in diesem Fall lediglich eine Vorrichtung gebraucht statt vier (Induktor 400 und drei magnetische Vorrichtungen 300) und nur eine magnetische Vorrichtung mit drei magnetischen Unterbaugruppen und zwei gemeinsamen Jochen statt vier magnetische Vorrichtungen. Die Vorrichtung 1 erlaubt es somit, Material zu sparen sowie die Kosten und das Volumen zu reduzieren im Vergleich zum Stand der Technik.
Die Vorrichtung 1 hat sechs Ausgänge, weil sie jeden der drei Gesamtströme in zwei Teilströme teilt. Sechs dieser Ausgänge werden zum Zwölfpulsgleichrichter gesandt. Die Ausgänge dieser Dioden werden kombiniert, wie in 19 gezeigt, um einen Gleichstromausgang zu bilden. In diesem Fall ist der Wert der Phasendifferenz zwischen den beiden in den geteilten Pfaden fliessenden Strömen gleich 30° und die 5. und 7., 17. und 19., 29. und 31. Oberwellen werden dann beseitigt.
Jede magnetische Unterbaugruppe 30 kann einer Phase zugeordnet werden: Im auf der 19 dargestellten Beispiel kann die erste magnetische Unterbaugruppe 30 der Phase von L1 zugeordnet werden, da in den Stromausgängen dieser magnetischen Unterbaugruppe ein Teilstrom von L1 fliesst.
Wie durch den Pfeil über der Vorrichtung 1 in 19 angegeben, ist der Stromfluss unidirektional und fliesst insbesondere vom Wechselstrom zum Gleichstrom.
Wie besprochen, kann die Vorrichtung 1 auch als Vereiniger in einem Gleichstrom-in-Wechselstrom-Umrichter verwendet werden. Wie beschrieben arbeitet die Vorrichtung 1 in diesem Fall als Stromvereiniger. Der Gleichstrom-in-Wechselstrom-Wandler umfasst eine Zwölf- oder mehr Pulsbrücke von gesteuerten Schaltungen, welche parallel zu den 12 Dioden geschaltet werden. In einer Ausführungsform sind diese aktive Schaltungen Transistoren oder Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT – Insulated Gate Bipolar Transistor). Eine Steuerschaltung wird angeordnet, um den Zustand der aktiven Schaltungen zu ändern.
Wenn die Vorrichtung 1 in einem Gleichstrom-in-Wechselstrom-Wandler verwendet wird, vereint sie jedes Paar von Teilströmen in einen Gesamtstrom. In einer anderen Ausführungsform ist die Anzahl der zu vereinenden Teilströme neun oder mehr.
Die zwischen dem dreiphasigen Stromnetz 100 und einem Zwölfpulsgleichrichter gekoppelte Vorrichtung 1 erzeugt einen Gleichstrom mit einer vorbestimmten Richtung und eine Gleichspannung mit einer vorbestimmten Polarität. Falls Thyristoren statt Dioden im Zwölfpulsgleichrichter verwendet werden, kann die Gleichspannung ihren Wert und ihre Polarität ändern. Der resultierende phasengesteuerte Wandler kann als Wechselstromgleichrichter oder als Gleichstromumrichter (Zweiquadranten-Umrichter) funktionieren.
Gemäss einem unabhängigen Aspekt der Erfindung, wie durch den Pfeil über der Vorrichtung 1 in 20 angegeben, kann der Stromfluss zwischen dem Wechselstrom- und Gleichstromteil in einem Wandler bidirektional sein. Die Referenz 700 bezeichnet in der Tat sowohl Stromlast wie Stromquelle. In einem solchen Fall besitzt jede der Dioden des Zwölfpulsgleichrichters eine gesteuerte parallelgeschaltete Schaltung, um ein bidirektionales Frontend zu bilden. Die Steuerschaltung dieser Schaltungen ist nicht dargestellt.
Ein solcher bidirektionaler Frontendstromumrichter kann für den Motor eines Zuges, eines elektrischen Fahrzeugs oder eines Lifts mit einer regenerativen Bremse verwendet werden: ein Teil der kinetischen Energie eines Fahrzeugs und/oder die (höhenbedingte) potentielle Energie kann in eine nutzbare Form von Energie gewandelt werden, anstatt sie als Wärme wie mit einer herkömmlichen Widerstandsbremse abzugeben, und die umgewandelte Energie kann zurück in ein Stromnetz eingespeist werden zur Benutzung durch andere Fahrzeuge.
Der bidirektionale Frontend-Stromrichter mit niedriger Oberwelligkeit umfasst:

– eine dreiphasige Stromleitung 100
– eine integrierte magnetische Vorrichtung 1 wie beschrieben
– einen Satz von 12 aktiven oder gesteuerten Schaltungen mit antiparallelen Dioden
– einen Zwischenkreis (DC Link)
– eine Gleichstromquelle oder eine generische Gleichstromlast 700.

Die integrierte magnetische Vorrichtung gemäss der Erfindung kann vorzugsweise für das Laden von Batterien oder in Kombination mit Solarenergiepaneelen oder im Rahmen der öffentlichen Beleuchtung verwendet werden.
Die Vorteile der Benutzung einer solchen integrierten Vorrichtung sind:

– eingedämmte Oberwellen
– hohe Zuverlässigkeit
– niedrige Geräusche, d. h. niedrige Funkstörungen (EMI)
– hohe Effizienz.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2000358372 A [0013]
JP 2007028846 A [0013]

Claims

Integrierte magnetische Vorrichtung für ein dreiphasiges Frontend mit niedriger Oberwelligkeit (1), mit: – drei magnetischen Unterbaugruppen (30), worin jede magnetische Unterbaugruppe (30) eine geschlossene magnetische Schlaufe ohne Luftspalte, zwei Wickelschenkel und mindestens drei Windungen (22) umfasst, – mindestens einem ersten gemeinsamen Joch (10; 60; 70; 50) und mindestens einem zweiten gemeinsamen Joch (10'; 60'; 70'; 50'), welche besagte drei magnetische Unterbaugruppen (30) magnetisch verkoppelt, – mindestens einer Luftspalte (40; 40') zwischen den besagten drei magnetischen Unterbaugruppen (30) und dem besagten mindestens einem ersten gemeinsamen Joch (10; 60; 70; 50) oder dem besagten mindestens einem zweiten gemeinsamen Joch (10'; 60'; 70'; 50'), – drei mit einem dreiphasigen Stromnetz (100) koppelbaren Stromeingängen, – mindestens sechs Stromausgängen, zwei für jeden Stromeingang, wobei die besagten Stromausgänge mit den besagten drei Stromeingängen galvanisch gekoppelt und mit einer sechsphasigen linearen Last (200; 200') koppelbar sind.
Integrierte magnetische Vorrichtung (1) gemäss Anspruch 1, worin jede der drei magnetischen Unterbaugruppen (30) ein erstes Joch (35) und ein zweites Joch (35') umfasst, und worin die besagte magnetische Schlaufe ohne Luftspalten die besagten zwei Wickelschenkel, das besagte erste Joch (35) und das besagte zweite Joch (35') umfasst.
Integrierte magnetische Vorrichtung (1) gemäss einem der Ansprüche 1 oder 2, worin jede der besagten drei magnetischen Unterbaugruppen (30) zwei auf der besagten magnetischen Schlaufe ohne Luftspalten montierte Spulen (20) umfasst.
Integrierte magnetische Vorrichtung (1) gemäss einem der Ansprüche 1 bis 3, worin jede der besagten drei magnetischen Unterbaugruppen (30) identische Schenkel aufweist.
Integrierte magnetische Vorrichtung (1) gemäss einem der Ansprüche 1 bis 3, worin die Summe der Magnetflüsse, welche in das besagte erste oder zweite gemeinsame Joch eintreten, gleich null ist.
Integrierte magnetische Vorrichtung (1) gemäss einem der Ansprüche 1 bis 5, mit zwei Luftspalten, einer ersten Luftspalte (40) zwischen den besagten drei magnetischen Unterbaugruppen (30) und dem besagten mindestens einem ersten gemeinsamen Joch (10; 60, 70; 50) und einer zweiten Luftspalte (40') zwischen den besagten drei magnetischen Unterbaugruppen (30) und dem besagten mindestens einem zweiten gemeinsamen Joch (10'; 60', 70'; 50').
Integrierte magnetische Vorrichtung (1) gemäss einem der Ansprüche 1 bis 6, mit einem ersten gemeinsamen Joch (10; 50) und einem zweiten gemeinsamen Joch (10'; 50').
Integrierte magnetische Vorrichtung (1) gemäss Anspruch 7, worin das besagte erste gemeinsame Joch (50) und das besagte zweite gemeinsame Joch (50') eine dreieckige oder kreisförmige oder polygonale Form aufweisen, worin die besagten drei magnetischen Unterbaugruppen (30) auf eine dreieckige bzw. kreisförmige bzw. polygonale Art angeordnet sind und worin die besagte Vorrichtung (1) ein Loch (80) umfasst.
Integrierte magnetische Vorrichtung (1) gemäss einem der Ansprüche 1 bis 8, worin das besagte erste gemeinsame Joch (10) und das besagte zweite gemeinsame Joch (10') eine rechteckige Form aufweisen und worin die besagten drei magnetischen Unterbaugruppen (30) ausgerichtet sind.
Integrierte magnetische Vorrichtung (1) gemäss einem der Ansprüche 1 bis 6, mit zwei ersten gemeinsamen Jochen (60, 70) und zwei zweiten gemeinsamen Jochen (60', 70').
Integrierte magnetische Vorrichtung (1) gemäss Anspruch 10, mit zwei Löchern (90).
Integrierte magnetische Vorrichtung (1) gemäss irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, worin die besagten mindestens drei Windungen (22) zwei Teilwindungen (S) und eine Verteilwindung (V) umfassen.
Integrierte magnetische Vorrichtung (1) gemäss irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, mit vier Windungen (22) für jede magnetische Unterbaugruppe (30), wobei die besagten vier Windungen zwei Teilwindungen (S) und zwei Verteilwindungen (V) umfassen.
Integrierte magnetische Vorrichtung (1) gemäss irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, worin die besagte Vorrichtung (1) zwischen dem besagten dreiphasigen Stromnetz (100) und der besagten Last (200) gekoppelt ist, wobei jede Grundkomponente der in jeden der besagten Stromeingänge fliessenden Gesamtströme (I_L1, I_L2, I_L3) mit einem vorbestimmten Phasenwinkel (ϕ) in zwei Teilströme (I_S1.1, I_S1.2; I_S2.1, I_S2.2; I_S3.1, I_S3.2) geteilt wird, die in jedem der besagten Stromausgänge fliessen, und worin jede der besagten Grundkomponenten der Gesamtströme (I_L1, I_L2, I_L3) um einen Nacheilwinkel (δ) von jedem der Spannungsphasoren des besagten dreiphasigen Stromnetzes (100) verschoben wird.
Verwendung der integrierten magnetischen Vorrichtung (1) gemäss irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche in einem Wechselstrom-in-Gleichstrom-Wandler, mit: – einem Stromnetz (100), – einem Zwölfpulsumrichter, – einem Zwischenkreis (C_DC), – einer generischen Zwischenkreislast (17).
Verwendung der integrierten magnetischen Vorrichtung (1) gemäss irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche in einem Gleichstrom-in-Wechselstrom-Wandler, mit 12 gesteuerten Schaltungen.
Bidirektionaler dreiphasiger Frontend-Stromrichter mit niedriger Oberwelligkeit, mit: – einer dreiphasigen Stromleitung (100), – einer integrierten magnetischen Vorrichtung (1) gemäss einem der Ansprüche 1 bis 14, – einem Satz von 12 gesteuerten Schaltungen mit antiparallelen Dioden – einem Zwischenkreis (C_DC) – einer Gleichstromquelle oder einer generischen Gleichstromlast (700).