DE112011101942T5

DE112011101942T5 - Integrierte magnetische Vorrichtung für ein dreiphasiges Frontend mit niedriger Oberwelligkeit

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Publication number: DE112011101942T5
Application number: DE112011101942T
Authority: DE
Inventors: Andrzej Pietkiewicz
Original assignee: Schaffner EMV AG
Current assignee: Schaffner EMV AG
Priority date: 2010-06-10
Filing date: 2011-06-07
Publication date: 2013-07-18
Also published as: US8698584B2; US20130121043A1; CN102948056B; JP5631487B2; US9153376B2; JP2013528348A; DE112010005642T5; JP2013529393A; CN102971949A; CN102948055A; US8890642B2; DE112010005643T5; JP5507007B2; WO2011154040A1; JP5701380B2; CN102948055B; US20130121050A1; CN102971949B; WO2011154058A1; WO2011154416A1

Abstract

Integrierte magnetische Vorrichtung für ein dreiphasiges Frontend mit niedriger Oberwelligkeit (1), mit: – drei magnetischen Unterbaugruppen (30), worin jede magnetische Unterbaugruppe (3) einen Magnetkern ohne Luftspalten, drei oder mehr Wickelschenkel und mindestens fünf Windungen (22) umfasst, – drei mit einem dreiphasigen Stromnetz (100) koppelbaren Stromeingängen, – mindestens neun Stromausgängen, drei für jeden Stromeingang, wobei die besagten Stromausgänge mit den besagten drei Stromeingängen galvanisch gekoppelt und mit einer Last (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. Seine 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 führt zu ungewünschten Schaltgeräuschen.
Im Allgemeinen erlaubt es das Zuführen von mehr Pulsen zum Stromrichter, die Oberwellen höherer Ordnung zu beseitigen. Zwölfpulsgleichrichter ermöglichen die Beseitigung der 5. und 7. Oberwellen, welche einfache Sechspulsbrücken nicht zu beseitigen vermögen, sind jedoch unwirksam gegen 11. und 13. Oberwellen, welche sich mit 18-Pulsgleichrichtern beseitigen lassen. Die Aufstockung der Anzahl Pulse erhöht jedoch die Komplexität und die Kosten der Vorrichtung.
Die in 1A schematisch dargestellte bekannte Schaltung umfasst einen Induktor 400, gefolgt von einem ersten Splitter, oder Vorsplitter, 310, der mit einem zweiten, aus drei Vorrichtungen bestehenden Splitter, oder Nachsplitter, 320 hintereinander geschaltet wird. Der Induktor 400 folgt einer dreiphasigen Stromleitung oder einem dreiphasigen Stromnetz 100 und die Vorrichtungen 310, 320 sind mit einem eine generische Gleichstromlast liefernden 18-Pulsgleichrichter gekoppelt, die ein Motorantrieb, beispielsweise ein Gleichstrom-in-Wechselstrom-Wandler oder ein Gleichspannungswandler, oder ein generischer Widerstand sein kann, hiernach Gleichstromlast genannt. Die Last 200 der 1A, mit dem 18-Pulsgleichrichter und einer nichtdargestellten Gleichstromlast, ist nichtlinear und Oberwellen sind daher in der Stromleitung vorhanden. Um mit dem Oberwellenproblem umzugehen, werden der in 1B sichtbare Induktor 400 und die vier magnetischen Vorrichtungen 310, 320 verwendet: Die Hauptfunktion des Induktors 400 liegt darin, die höheren (z. B. 17. und höher) Oberwellen zu beseitigen; die Hauptfunktion der vier magnetischen Vorrichtungen 310, 320A–C (sichtbar in 1C und 1D) ist es, die Ströme aufzuteilen.
In 1A umfassen die Vorrichtungen 320 drei Splitter mit je drei Windungen, welche elektrisch miteinander gekoppelt sind. Eine andere Anzahl und Kombination von Windungen sind möglich.
Der dreiphasige Induktor 400 und Vorsplitter 310 sind in einer Seitenansicht in den 1B und 1C dargestellt: Der Induktor 400 umfasst zwei Joche 405, drei Wickelschenkel 403 und Luftspalten 402, 404, sodass er Energie speichern kann; der Vorsplitter 310 umfasst einen Magnetkern ohne Luftspalten und drei Wickelschenkel.
Seitenansichten der drei magnetischen Vorrichtungen 320 aus dem Stand der Technik sind in 3D dargestellt. Jede Vorrichtung 320A, 320B und 320C enthält keine Luftspalte und umfasst drei senkrechte Schenkel: der zentrale Schenkel ist ein Wickelschenkel, der Windungen 302 enthält.
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, welche sich vorwiegend mit Zwölfpulsgleichrichtern beschäftigen.
US-Patente 6335872 , 6249443 , 6198647 , 4876634 , 5619407 , 5124904 und 4779181 beschreiben Beispiele von bekannten Multiphasensystemen mit niedriger Oberwelligkeit.
Die Gesamtzahl der magnetischen Vorrichtungen, welche in einem Wandler aus dem Stand der Technik, wie in der 1A dargestellt, verwendet werden, ist somit mindestens fünf, d. h. der dreiphasige Induktor 400 plus die vier magnetischen Vorrichtungen 310, 320.
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 nachfolgende Vorrichtung 310 umfasst sechs Stromausgänge, d. h. zwei Stromausgänge für jeden Stromeingang. Die Stromausgänge sind galvanisch mit den drei Stromeingängen gekoppelt und können mit einer Last 200 gekoppelt werden. Falls die Last 200 eine Widerstandslast ist, kann die Schaltung genau hinsichtlich der Grundfrequenzphasoren analysiert werden.
Das dreiphasige Stromnetz 100 liefert drei ungefähr sinusförmige Spannungen mit 120° Phasenverschiebung. 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 k V, 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, ansonsten ist ein Nacheilwinkel δ vorhanden.
Mit Bezug nun auf die 3B, wenn die Vorrichtungen 310, 320 zwischen dem dreiphasigen Stromnetz 100 und der Widerstandslast 200 gekoppelt werden, wird jeder der Gesamtströme I_L1, I_L2, I_L3 in drei 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 drei Ströme aufgeteilt: Der Gesamtstrom I_L1 wird in die drei Teilströme I_S1.1, I_S1.2, I_S1.3 geteilt, der Gesamtstrom I_L2 wird in die drei Teilströme I_S2.1, I_S2.2, I_S2.3 geteilt, und der Gesamtstrom I₁₃ wird in die drei Teilströme I_S3.1, I_S3.2, I_S3.3 geteilt. Die Ströme I_1.1, ... I_3.3, welche in die Stromausgänge fliessen, weisen alle die gleiche Amplitude auf und sind um einen vorbestimmten Winkel in Bezug auf die entsprechende, in den Stromeingang fliessende Grundkomponente verschoben. Der Strom I_1.2 steht in einer Phase mit I₁, der Strom I_2.2 steht in einer Phase mit I₂, und der Strom I_3.2 steht in einer Phase mit I₃.
Der Wert des Winkels hängt von der gewünschten Anzahl von Richtpulsen ab. Er beträgt, im Fall eines wie in 2 dargestellten 18-pulssystem, 0° und ±20.
Wie besprochen wird ein Gesamtstrom, beispielsweise I₁, in drei Teilströme aufgeteilt: einen ersten Teilstrom I_1.1, welcher hiernach kapazitiver Teilstrom genannt wird, einen zweiten Teilstrom I_1.2, welcher hiernach phasenrichtiger Teilstrom genannt wird, und einen dritten Teilstrom I_1.3, welcher hiernach induktiver Teilstrom genannt wird. Die anderen Phasen sind ähnlich angeordnet.
Wenn der Wert des Winkels ϕ 20° beträgt, wie erwähnt, ist die ideale Länge der Phasoren der 3B, welche für alle dargestellten Phasoren gleich ist, 33.67% der Länge jedes Phasors der 3A.
Das Vorhandensein des dreiphasigen Induktors 400 vor den Vorrichtungen 310, 320 verursacht einen in 3A gezeigten Nacheilwinkel oder Phasenverschiebungswinkel δ zwischen jedem der Spannungsphasoren des Stromnetzes 100, durch gestrichelte Linien dargestellt, und den entsprechenden Eingangsströmen I₁, I₂, I₃. 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 310, 320 gekoppelt sind, wie erwähnt aus einem Gleichrichter, gefolgt von einer Gleichstromlast.
Die im Stand der Technik beschriebenen Lösungen sind nicht dazu optimiert, die Kosten und Grösse eines dreiphasigen Frontends mit niedriger Oberwelligkeit zu reduzieren.
Zudem werden die Funktionen der Stromverzögerung und -aufteilung durch fünf separate Vorrichtungen, nämlich durch den Induktor 400 und die vier magnetischen Vorrichtungen 310, 320A–C, erfüllt. Der Splitter 310 führt keine Phasenverschiebung und die Vorrichtungen 320A–C führen eine Phasenverschiebung von ±20° herbei.
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 18-Pulsfrontend, 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 weniger empfindlich 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 magnetischen Vorsplitter- und Nachsplittervorrichtungen 310, 320 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 14) und in einem Gleichstrom-in-Wechselstrom-Wandler (Anspruch 15) und mittels eines bidirektionalen dreiphasigen Frontend-Stromrichters mit niedriger Oberwelligkeit gemäss Anspruch 16.
Die Vorrichtung gemäss der Erfindung umfasst drei magnetische Unterbaugruppen, worin jede magnetische Unterbaugruppe einen Magnetkern ohne Luftspalten, drei Wickelschenkel und mindestens fünf Windungen umfasst. Mit anderen Worten umfasst die erfindungsgemässe Vorrichtung drei magnetische Unterbaugruppen, welche magnetisch verkoppelt sind. In einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung mindestens ein erstes gemeinsames Joch und mindestens ein zweites gemeinsames Joch, um die drei magnetischen Unterbaugruppen zu verkoppeln. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform sind die beiden gemeinsamen Joche identisch und nebeneinandergestellt auf der Oberseite bzw. auf der Unterseite der drei magnetischen Unterbaugruppen. In einer anderen Ausführungsform werden die drei Unterbaugruppen genügend nah an einander angeordnet, sodass sie ohne gemeinsame Joche magnetisch verkoppelt sind.
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 drei Stromausgänge jeweils für jeden Stromeingang. In einer bevorzugten Ausführungsform besitzt die Vorrichtung neun Stromausgänge, d. h. jeweils drei 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 drei Wickelschenkeln einen magnetischen Kern ohne Luftspalten bilden. Jede der drei magnetischen Unterbaugruppen kann zudem drei Spulen umfassen, welche auf diesem magnetischen Kern montiert sind, insbesondere auf drei Schenkeln angeordnet sind.
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 von den Drehungsverhältnissen der Windungen ab, wie hiernach klar wird.
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 vier Durchlüftungskanäle, 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.
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 Vorrichtung gemäss der Erfindung integriert. Zudem ist es einfach, den Induktivitätswert dieser Vorrichtung zu steuern, indem die Dicke der Luftspalte geändert wird, welche in der Grössenordnung von einigen mm liegt.
Wie erwähnt, könnte einer varianten Ausführungsform der Vorrichtung gemäss der Erfindung drei Unterbaugruppen enthalten, welche magnetisch ohne gemeinsame Joche gekoppelt sind. In diesem Fall wird Energie im Magnetfeld gespeichert, welches den Raum um die Unterbaugruppen besetzt.
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 18-Pulsgleichrichter, 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 drei identische jedoch phasenverschobene Teilströme in den geteilten Pfaden aufzuteilen. In einer Ausführungsform wird der Gesamtstrom dazu gezwungen, sich in mehr als drei identische jedoch phasenverschobene Teilströme aufzuteilen.
Wenn die Vorrichtung in einem Gleichstrom-in-Wechselstrom-Wandler verwendet wird, fliesst der Stromfluss von den drei 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 mehreren separaten magnetischen Vorrichtungen aus dem Stand der Technik ausübt. Die Vorrichtung umfasst eine magnetische Vorrichtung statt der mehreren magnetischen Vorrichtungen in der Lösung aus dem Stand der Technik (ein Vorsplitter, drei Nachsplitter 320A–C und eine Vorrichtung für den Induktor 400). Diese magnetische Vorrichtung besteht aus den drei magnetischen Unterbaugruppen und, in einer bevorzugten Ausführungsform, auch aus den zwei gemeinsamen Jochen.
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, electro-magnetic 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 weniger 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 einen bekannten Induktivstromsplitter mit einem dreiphasigen Induktor, einer ersten magnetischen Vorsplittervorrichtung und drei Nachsplittervorrichtungen, welche zwischen einer dreiphasigen Stromleitung und einer einen 18-Pulsgleichrichter umfassenden Last gekoppelt sind;
1B eine Seitenansicht eines dreiphasigen Induktors, welcher Teil der Vorrichtung der 1A ist;
1C die magnetische Vorsplittervorrichtung der 1A;
1D eine Seitenansicht der drei in 1A dargestellten Nachsplitter;
2 ein allgemeines Blockschema eines dreiphasigen Induktors und einer Splittervorrichtung mit einem Vorsplitter und mit drei Splittervorrichtungen aus dem Stand der Technik, welche zwischen einer dreiphasigen Stromleitung und einer einen 18-Pulsgleichrichter umfassenden und als Widerstandslast dargestellten Last gekoppelt sind;
3A ein Phasordiagramm der Eingangs- oder Gesamtströme einer Vorrichtung der 2;
3B ein Phasordiagramm der Ausgangs- oder Teilströme, mit: kapazitiven Teilströmen, phasenrichtigen Teilströmen und induktiven Teilströmen, einer Vorrichtung der 2;
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 ... 16A verschiedene mögliche Anordnungen der Windungen der Vorrichtung gemäss alternativen Ausführungsformen der Erfindung;
7B, 8B, 9B ... 16B für die in den entsprechenden 7A, ..., 16A dargestellten Windungsanordnungen, mögliche Anordnungen der Windungen auf den Schenkel einer der drei magnetischen Unterbaugruppen der magnetischen Vorrichtung gemäss der Erfindung und das entsprechende Phasordiagramm von magnetischen Durchflutungsvektoren (MMF) von einer der drei magnetischen Unterbaugruppen;
17A, ... 17D ein Klassifizierungsschema von verschiedenen Anordnungen der Windungen im Rahmen der Erfindung;
18A einen 18-Pulsgleichrichter zur Beseitigung von Oberwellen, mit einem Beispiel einer integrierten magnetischen Vorrichtung für ein dreiphasiges Frontend mit niedriger Oberwelligkeit gemäss der Erfindung;
18B und 18C das Phasordiagramm und die Windungsanordnung der in 18A dargestellten Vorrichtung;
19 einen 18-Pulsgleichrichter 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;
20 eine 24-Puls-Variante 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 drei Wickelschenkel und mindestens fünf Windungen umfasst. 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 drei Schenkeln eine geschlossene magnetische Schlaufe ohne Luftspalten bilden.
Vorzugsweise ist die Nettosumme der Magnetflüsse 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'. Die drei getrennten magnetischen Unterbaugruppen 30 und die zwei gemeinsamen Joche 10 und 10' sind 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 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 Fünffache der Länge L_C des Querschnitts der magnetischen Unterbaugruppen 30, d. h. L_Y > 5·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 umfasst die Vorrichtung 1 zwei erste gemeinsame Joche 60, 70 und zwei zweite gemeinsame Joche 60', 70' mit einer rechteckigen Form. Auf diese Weise umfasst die integrierte magnetische Vorrichtung 1 dieser Ausführungsform vorzugsweise vier senkrechte Durchlüftungskanäle 90, welche dazu verwendet werden können, sie zu kühlen. Die Anzahl von gemeinsamen Jochen ist nicht auf zwei oder vier beschränkt, sondern die Erfindung umfasst Varianten mit einer beliebigen Anzahl von gemeinsamen Jochen. Tatsächlich können die gemeinsamen Joche, wenn die Unterbaugruppen genügen nah an einander sind, in einigen Fällen gänzlich wegfallen.
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 entlang den Seiten eines Dreiecks 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.
Die Vorrichtung umfasst ein zentrales Loch oder einen senkrechten Kanal 80. In der dargestellten Ausführungsform ist das Loch 80 dreieckig. Ein Luftfluss kann vorzugsweise durch dieses Loch 80 fliessen und kühlt die Vorrichtung effizient. Zudem weist diese Ausführungsform 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 jede Phase.
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.
Die Vorrichtung 1 besitzt drei Stromeingänge, welche mit einer dreiphasigen Stromleitung oder einem dreiphasigen Stromnetz 100 gekoppelt werden können, und mindestens drei Stromausgänge für jeden Stromeingang, d. h. mindestens neun Stromausgänge.
Die Stromausgänge sind mit den drei Stromeingängen galvanisch gekoppelt und sind mit einer Last 200 koppelbar. Die Vorrichtung 1 wandelt dreiphasige Eingänge in neunphasige Ausgänge um.
Wird die besagte Vorrichtung zwischen dem dreiphasigen Stromnetz 100 und einer Last gekoppelt, beispielsweise einer nichtlinearen Last 200 mit einem 18-Pulsgleichrichter, gefolgt von einer Gleichstromlast, sind die Grundkomponenten der in jeden der Stromausgänge fliessenden Teilströme um einen vorbestimmten Winkel –20°, 0° und +20° 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. In einer anderen Ausführungsform werden die drei Unterbaugruppen genügend nah an einander angeordnet, sodass die gemeinsamen Joche abgeschafft werden können.
Die Vorrichtung 1 erlaubt es, Material zu sparen, und hat eine um 20% geringere Grösse und ein niedrigeres Gewicht im Vergleich zu den 18-Pulslösungen aus dem Stand der Technik mit der gleichen Nennleistung. Die Vorrichtung der Erfindung braucht ca. ein Viertel der Materialien eines Stromtransformers mit der gleichen Nennleistung.
In einer Ausführungsform ist jede der drei magnetischen Unterbaugruppen 30 ein geblechter Eisenunterkern oder, für höhere Frequenzen, ein ferromagnetischer Unterkern.
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. Auch können die in 6B dargestellten dreieckigen Joche 50 und 50' effektiv mit Ringbandtechnologie hergestellt werden.
7A, 8A, 9A ... 15A zeigen verschiedene Anordnungen der Windungen in einer Unterbaugruppe der magnetischen Vorrichtung 1 in Bezug auf verschiedene Alternativausführungsformen der Erfindung.
7B, 8B, 9B ... 15B zeigen alternative Windungsschemas der drei magnetischen Unterbaugruppen der Vorrichtung 1 in Bezug auf die Anordnungen der 7A, ..., 15A, zusammen mit den entsprechenden Phasordiagrammen von magnetischen Durchflutungsvektoren (MMF vectors). Obwohl das Phasordiagramm alle Durchflutungsvektoren von allen Windungen in der Vorrichtung 1 darstellt, bezieht sich das Windungsschema, der Einfachheit halber, auf eine einzige magnetische Unterbaugruppe, allgemein in der niedrigsten Position im Phasordiagramm dargestellt. Es soll hier in Erinnerung gebracht werden, dass die Phasordiagramme der 7B, ..., 15B Durchflutungsvektoren und nicht Ströme darstellen und dass daher die verschiedenen Phasoren unterschiedliche Längen aufweisen können, da die Windungen eine verschiedene Anzahl Umdrehungen haben. Die am Ausgang der erfindungsgemässen Vorrichtung vorhandenen Ströme weisen jedoch alle die gleiche Amplitude auf und würden mit neun Phasoren gleicher Länge dargestellt werden.
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 7A und 7B umfasst jede magnetische Unterbaugruppe 30 fünf Windungen: Zwei Schenkel umfassen eine Teilwindung S und eine Verteilwindung V, während der übrige Schenkel nur eine Teilwindung umfasst. Der Name für die Windungen wird mit Bezug auf 7B erklärt, welche magnetische Durchflutungsvektoren (Magneto-Motive Force vectors/MMF vectors) darstellt.
Wenn der Einfachheit halber die Anordnung in der oberen linken Ecke der 7B betrachtet wird, ist eine magnetische Schaltung für die betrachtete magnetische Untergruppe 30 vorhanden. In dieser Schaltung arbeitet S1.3 als kapazitive Teilwindung, während S1.1 eine induktive Teilwindung ist (da sie den kapazitiven bzw. induktiven Strömen entsprechen), und S1.2 ist ein phasenrichtiger Teilstrom.
In diesem Fall sind V3.1 und V2 Verteilwindungen, da sie die durch diese fünf Phasoren gebildeten dreieckigen Schlaufen schliessen. Insbesondere arbeiten V3.1 als Verteilervektor für den induktiven Strom und V2 als Verteilervektor für den kapazitiven Strom.
Im Allgemeinen leitet jede Teilwindung einen Teilstrom und jede Verteilwindung leitet einen Phasenstrom, d. h. I_L1, 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. Die 7A, 7B, 8A, 8B, 9A, 9B beziehen sich auf Ausführungsformen, worin eine Verteilwindung einen Phasenstrom leitet, während eine andere Verteilwindung einen Teilstrom leitet.
Die 10A bis 14B zeigen eine andere Ausführungsform der Erfindung, bei welcher beide Verteilwindungen einen Teilstrom leiten.
Die 15A bis 15B zeigen eine andere Ausführungsform, worin beide Verteilwindungen einen Phasenstrom leiten, und 16A und 16B zeigen das Gleiche, jedoch worin beide Verteilwindungen einen Teilstrom leiten.
Es scheint somit, dass es mehrere Möglichkeiten gibt, um die Windungen in der magnetischen Vorrichtung der Erfindung anzuordnen und miteinander zu verbinden, welche nicht durch die vorgestellten Figuren erschöpft sind, und welche es erreichen, neun gleiche Ströme zu liefern, welche die gewünschten Phasen aufweisen, um in einen 18-Pulsgleichrichter gespeist zu werden. Es muss verstanden werden, dass die vorliegende Erfindung nicht auf eine besondere Anordnung eingeschränkt ist, sondern alle im Rahmen der beigelegten Ansprüche eingeschlossenen Vorrichtungen umfasst.
Die Vorrichtung 1 umfasst Vorrichtungen mit fünfzehn Windungen, d. h. fünf Windungen für jede magnetische Unterbaugruppe 30, wobei zwei Wickelschenkel zwei Windungen aufweisen, und die übrige eine Windung für jeden Wickelschenkel, wie in den 7A bis 16B dargestellt, welche alle mögliche Kombinationen für die fünf Windungen auf eine magnetische Unterbaugruppe 30 darstellt.
Da etwas Energie in einem Magnetfeld innerhalb der mindestens einen Luftspalte der Vorrichtung oder im Raum um die 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 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 18-Diodengleichrichter zu benützen und somit die 5. und 7., 11. und 13., 23. und 25., 29. und 31. Oberwellen zu beseitigen. Untersuchungen haben gezeigt, dass der Klirrfaktor (THD, Total Harmonic Distortion) bei weniger als ca. 5% liegen kann. Im Fall eines Sechsdiodengleichrichters mit einer Zwischenkreisdrossel beispielsweise, werden die Oberwellen nicht beseitigt und der Klirrfaktor liegt bei nicht weniger als 35%.
Wie in den Stromkreisen der 7A, 8A, ... 15A und 16A gezeigt, umfasst die Vorrichtung 1 gemäss der Erfindung drei gemeinsame Pfade, welche zu den Phasen L1, L2, L3 gehören, und neun geteilte Pfade. 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 wird der auf dem gemeinsamen Pfad fliessende Strom in drei oder mehr identische jedoch phasenverschobene Komponenten, die in den geteilten Pfaden fliessen, geteilt. In einer anderen Ausführungsform kann die Anzahl der geteilten Pfade höher 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 drei oder mehr Teilströme mit steuerbarer Phasenverschiebung und Amplitude; wenn sie als Vereiniger funktioniert, kombiniert sie drei oder mehr Teilströme mit steuerbarer Phasenverschiebung und Amplitude zu einem Ausgangsstrom.
Der gemeinsame Pfad der erfindungsgemässen Vorrichtung 1 kann Null (10A bis 14A und 16A), eins (7A bis 9A) oder zwei Verteilwindungen (15A) aufweisen. Jeder geteilte Pfad kann eine Teilwindung (11A bis 12A und 17A bis 18A) oder eine Teilwindung und eine oder zwei Verteilwindung (7A bis 10A und 13A bis 16A). Je nach Anzahl und Position der Windungen in den gemeinsamen und geteilten Pfaden kann eine Klassifizierung der verschiedenen Arten von Vorrichtungen vorgenommen werden. In einigen Anordnungen, nämlich denjenigen der 15A und 1B sowie 17A, leiten zwei Verteilwindungen den gleichen Gesamtstrom. In einer anderen Klasse, durch die Beispiele der 7A bis 9A und 17B dargestellt, leitet ein Verteiler einen Phasenstrom, und ein anderer Verteiler leitet einen Teilstrom. Eine andere Kategorie, wie in 10A bis 12A und 17C sichtbar, gruppiert die Anordnungen, worin der Verteiler zwei verschiedene Teilströme leitet. Schlussendlich fallen Vorrichtungen, in welchen zwei Verteiler den gleichen Teilstrom leiten, in die letzte Kategorie, welche in 17D und 16A dargestellt ist.
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 0° und ±20°.
Die 18A zeigt einen Wechselstrom-in-Gleichstrom-Wandler mit einer magnetischen Komponente oder Vorrichtung 1 gemäss einer Ausführungsform der Erfindung.
Da die integrierte Vorrichtung wesentlich induktiv ist, ist es möglich, den separaten Induktor 400 der 1A wegzulassen, was somit Material, Kosten und Umfang im Vergleich zum Stand der Technik einspart.
Die Vorrichtung 1 hat neun Ausgänge, weil sie jeden der drei Gesamtströme in drei Teilströme teilt. Diese Ausgänge werden zum 18-Pulsgleichrichter gesandt. Die Ausgänge dieser Dioden werden kombiniert, wie in 18A gezeigt, um einen Gleichstromausgang zu bilden. In diesem Fall ist der Wert der Phasendifferenz zwischen den drei in den geteilten Pfaden fliessenden Strömen gleich 0° und ±20° und die 5. und 7., 11., 13., 23., 25., 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 I_1.1, I_1.2, I₁ _. ₃ dieser magnetischen Unterbaugruppe ein Teilstrom von L1 fliesst.
Wie durch den Pfeil über der Vorrichtung 1 in 18A angegeben, ist der Stromfluss unidirektional und fliesst insbesondere vom Wechselstrom zum Gleichstrom.
Die 18C und 18B zeigen die Windungsanordnung und das resultierende Phasordiagramm der in 18A dargestellten Vorrichtung 1. Man kann einsehen, dass diese Struktur die gleiche ist als in 15B, ganz rechts, mit dem Unterschied, dass die gesamte Vorrichtung 1 statt lediglich einer einzigen Unterbaugruppe, in 18C dargestellt ist.
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 18- oder mehr Pulsbrücke von gesteuerten Schaltungen, welche parallel zu den 18 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 drei oder mehr Teilströme in einen Gesamtphasenstrom.
Die zwischen dem dreiphasigen Stromnetz 100 und einem 18-Pulsgleichrichter gekoppelte Vorrichtung 1 erzeugt einen Gleichstrom mit einer vorbestimmten Richtung und eine Gleichspannung mit einer vorbestimmten Polarität. Falls Thyristoren statt Dioden im 18-Pulsgleichrichter 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 19 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 18-Pulsgleichrichters 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.
Schlussendlich wurde die Erfindung mit Bezug nur auf ein 18-Pulssystems beschrieben, der Einfachheit halber, sie kann sich jedoch auf eine beliebige Anzahl von Phasen erstrecken, indem die Anzahl von Windungen und von Wickelschenkeln entsprechend angepasst werden. Die 20 zeigt eine variante Ausführungsform der erfinderischen Ausführungsform mit drei Unterbaugruppen, wobei jede acht Windungen in vier Wickelschenkeln aufweist.
Der bidirektionale Frontend-Stromrichter mit niedriger Oberwelligkeit umfasst:

– eine dreiphasige Stromleitung 100
– eine integrierte magnetische Vorrichtung 1 wie beschrieben
– einen Satz von 18 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
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Zitierte Patentliteratur

JP 2000358372 A [0012]
JP 2007028846 A [0012]
US 6335872 [0013]
US 6249443 [0013]
US 6198647 [0013]
US 4876634 [0013]
US 5619407 [0013]
US 5124904 [0013]
US 4779181 [0013]

Claims

Integrierte magnetische Vorrichtung für ein dreiphasiges Frontend mit niedriger Oberwelligkeit (1), mit: – drei magnetischen Unterbaugruppen (30), worin jede magnetische Unterbaugruppe (3) einen Magnetkern ohne Luftspalten, drei oder mehr Wickelschenkel und mindestens fünf Windungen (22) umfasst, – drei mit einem dreiphasigen Stromnetz (100) koppelbaren Stromeingängen, – mindestens neun Stromausgängen, drei für jeden Stromeingang, wobei die besagten Stromausgänge mit den besagten drei Stromeingängen galvanisch gekoppelt und mit einer Last (200) koppelbar sind.
Integrierte magnetische Vorrichtung (1) gemäss Anspruch 1, mit mindestens einem gemeinsamen Joch (10; 60, 70; 50) und/oder zweiten gemeinsamen Joch (10'; 60', 70'; 50'), welche die besagten drei magnetischen Unterbaugruppen (30) magnetische verkoppeln, mindestens einer Luftspalte (40; 40') zwischen den besagten magnetischen Unterbaugruppen (30) und dem besagten ersten gemeinsamen Joch (10; 60, 70; 50) oder dem besagten zweiten gemeinsamen Joch (10'; 60', 70'; 50').
Integrierte magnetische Vorrichtung (1) gemäss Anspruch 1 oder 2, worin jede der besagten drei magnetischen Unterbaugruppen (30) ein erstes Joch (35) und ein zweites Joch (35') umfasst, und worin der besagte Magnetkern ohne Luftspalten die besagte drei Wickelschenkel, das besagte erste Joch (35) und das besagte zweite Joch (35') umfasst.
Integrierte magnetische Vorrichtung (1) gemäss irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, worin jede der besagten drei magnetischen Unterbaugruppen (30) drei auf den besagten magnetischen Magnetkern ohne Luftspalten montierte Spulen umfasst.
Integrierte magnetische Vorrichtung (1) gemäss einem der Ansprüche 2 bis 4, 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 2 bis 5, mit zwei Luftspalten, eine erste Luftspalte (40) zwischen den besagten drei magnetischen Unterbaugruppen (30) und dem besagten mindestens einem ersten gemeinsamen Joch (10; 60, 70; 50) und eine zweite 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 magnetische 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 2 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 magnetische Unterbaugruppen (30) ausgerichtet sind.
integrierte magnetische Vorrichtung (1) gemäss einem der Ansprüche 1 bis 6, mit mindestens zwei ersten gemeinsamen Jochen (60, 70) und mindestens zwei zweiten gemeinsamen Jochen (60', 70').
integrierte magnetische Vorrichtung (1) gemäss Anspruch 10, mit vier Durchlüftungskanälen (90).
integrierte magnetische Vorrichtung (1) gemäss irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, worin die besagten mindestens drei Windungen (20) mindestens drei Teilwindungen (S) und mindestens 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 Stromausgänge fliessenden Gesamtströme (I_L1, I_L2, I_L3) mit einem vorbestimmten Phasenwinkel (ϕ) in drei Teilströme (I_S1.1, I_S1.2, I_S1.3; I_S2.1, I_S2.2, I_S2.3; I_S3.1, I_S3.2, I_S3.3) 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, der zwischen einem Stromnetz (100) und einer generischen Gleichstromlast (700) mit einem 18-Pulsgleichrichter koppelbar ist.
Verwendung der magnetischen Vorrichtung (1) gemäss irgendeinem der Ansprüche 1 bis 13 in einem Gleichstrom-in-Wechselstrom-Wandler, mit 18 gesteuerten Schaltungen.
Bidirektionaler dreiphasiger Frontend-Stromrichter mit niedriger Oberwelligkeit, der zwischen einer dreiphasigen Stromleitung (100) und einer Gleichstromquelle oder einer generischen Gleichstromlast (700) koppelbar ist, mit einer integrierten magnetischen Vorrichtung (1) gemäss irgendeinem der Ansprüche 1 bis 13 und mit einem Satz von 18 gesteuerten Schaltungen mit antiparallelen Dioden.