DE19848827A1

DE19848827A1 - Vorrichtung zur Dämpfung von Störspannungen

Info

Publication number: DE19848827A1
Application number: DE19848827A
Authority: DE
Inventors: Hans-Joachim Poess; Franz Wagner
Original assignee: Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Current assignee: Vacuumschmelze GmbH and Co KG
Priority date: 1998-10-22
Filing date: 1998-10-22
Publication date: 2000-05-04
Also published as: DE59912992D1; ATE314724T1; EP1123550B1; WO2000025329A1; US6483279B1; EP1123550A1

Abstract

Eine Drossel (1) weist einen Ringkern (2) auf, auf den Drosselspulen aufgewickelt sind. Die Drosselspulen (3) sind in Spulensektoren (4) eingeteilt, die untereinander durch Wicklungslücken (5) getrennt sind. Durch die Wicklungslücken (5) wird die Kapazität der Drosselspulen (3) verringert und die Drosselspulen (3) weisen Resonanzen mit größeren Maximalwerten für die Impedanz und mit größeren Bandbreiten auf.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Dämpfung von Störspannungen mit einem Magnetkern und wenigstens einer um den Magnetkern gewickelten Drosselspule mit einer Vielzahl von Windungen.

Derartige Vorrichtungen sind allgemein bekannt und werden beispielsweise dazu verwendet, das Einspeisen von Störspan nungen durch Netzverbraucher ins Netz zu unterdrücken. Für eine gute Dämpfungswirkung ist es erforderlich, eine mög lichst hohe Impedanz der Drossel in einem möglichst breiten Frequenzbereich zu erzielen.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Dämpfung von Stör spannungen zu schaffen, die eine hohe Impedanz in einem brei ten definierten Frequenzbereich aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß sich entlang jeder Drosselspule eng gewickelte Wicklungsabschnitte mit weit gewickelten Wicklungsabschnitten abwechseln.

Da jede Drosselspule eng gewickelte Wicklungsabschnitt um faßt, ist die Zahl der Windungen insgesamt hoch, so daß sich ein hoher Wert für die Induktivität der Vorrichtung ergibt. Andererseits wird die Kapazität der Drosselspule durch die weit gewickelten Wicklungsabschnitte bestimmt, so daß sich insgesamt ein kleiner Kapazitätswert für jede Drosselspule ergibt. Beides hat zur Folge, daß die aufgrund der Induktivi tät und der Kapazität auftretenden Resonanzen eine große Bandbreite und einen großen Maximalwert für die Impedanz auf weisen. Durch eine geeignete Dimensionierung ist es dabei möglich, die Resonanzfrequenzen der Vorrichtung auf Werte zu legen, bei denen das Spektrum der Störsignale Maxima auf- weist, und auf diese Weise die Unterdrückung der Störungs signale zu optimieren.

Weitere Ausführungsbeispiele und vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung im einzelnen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf eine stromkompensierte Drossel;

Fig. 2 den Impedanzverlauf der Drossel aus Fig. 1, aufge tragen über die Frequenz;

Fig. 3 ein Ersatzschaltbild für eine der Drosselspulen der Drossel aus Fig. 1;

Fig. 4 ein Prinzipschaltbild für die Drossel aus Fig. 1; und

Fig. 5 eine Darstellung des Verlaufs des Verhältnisses von Induktivität zur Kapazität in Abhängigkeit von der Resonanzfrequenz für eine ideelle und eine reelle Drossel.

Fig. 1 zeigt eine stromkompensierte Drossel 1, die einen Ringkern 2 aufweist. Auf den Ringkern 2 sind Drosselspulen 3 aufgewickelt, die über eng gewickelte Spulensektoren 4 sowie über Wicklungslücken 5 verfügen.

Die stromkompensierte Drossel 1 dient dazu, auf Netzleitungen entstehende asymmetrische Störspannungen zu unterdrücken. Da bei soll der Nennstrom die Drossel 1 nicht in Sättigung trei ben. Zu diesem Zweck wird die Drossel 1 über Anschlußleitun gen 6 so an Netzleitungen angeschlossen, daß sich der vom Nennstrom in den beiden Drosselspulen 3 erzeugte Fluß im Ringkern 2 zu Null kompensiert.

Zur Unterdrückung asymmetrischer Störspannungen ist es nun erforderlich, daß die Drossel 1 in einem möglichst weiten Frequenzbereich eine möglichst hohe Impedanz aufweist.

Fig. 2 stellt mit einer gestrichelten Linie 7 den Verlauf der Impedanz einer in der Zeichnung nicht dargestellten Dros sel ohne Wicklungslücke 5 dar. Im Vergleich dazu ist in Fig. 2 mit einer durchgezogenen Kurve 8 der Impedanzverlauf der Drossel 1 dargestellt. Aus Fig. 2 wird deutlich, daß die Im pedanzkurve 8 ein größeres Impedanzmaximum aufweist als die Impedanzkurve 7. Auch die Halbwertsbreiten der Resonanzen sind bei der Impedanzkurve 8 größer als bei der Impedanzkurve 7. Im Vergleich zu einer Drossel ohne Wicklungslücke weist somit die Drossel 1 mit der Wicklungslücke 5 bei gleicher Windungszahl und gleichem Ringkern höhere Werte für die Impe danz in einem größeren Frequenzbereich auf.

Dieser Effekt soll nun anhand Fig. 3 bis 5 weiter erläutert werden.

Fig. 3 zeigt ein Ersatzschaltbild für die Drosselspule 3. Die Induktivitäten L1 bis L3 sowie L5 bis L7 veranschaulichen die Induktivität der Windungen in den Spulensektoren 4, wo hingegen die Induktivität L4 die Induktivität der Wicklungs lücke 5 darstellt. Die Widerstände R1 bis R7 stehen für die Leitungswiderstände der Windungen. In gleicher Weise stellen die Kapazitäten Cw1 bis Cw3 sowie Cw5 bis Cw7 die Kapazitäten zwischen nebeneinanderliegenden Windungen in den Spulensekto ren 4 dar. Die Kapazität Cw4 schließlich deutet die Kapazität der Wicklungslücke 5 an. Ferner ist in Fig. 3 berücksich tigt, daß der Ringkern 2 kein Isolator ist, was in Fig. 3 durch die Widerstände R12 bis R78 angedeutet ist. Insbesonde re hochfrequente Spannungskomponenten koppeln über Kondensa toren Ck1 bis Ck8 in den Ringkern 2 ein.

Da die Kapazität Cw4 der Drosselspule 3 im Bereich der Wick lungslücke 5 wesentlich kleiner als die Kapazitäten Cw1 bis Cw3 sowie Cw5 bis Cw7 ist, ist die Kapazität der Drosselspule 3 im wesentlichen gleich der Kapazität Cw4 der Drosselspule 3 in der Wicklungslücke 5. Die Induktivität der Drosselspule 3 ist jedoch gleich der Summe der Induktivitäten L1 bis L7.

Der sich aufgrund der Verkleinerung der Kapazität Cw4 erge bende Effekt läßt sich nun anhand des in der Fig. 4 darge stellten Prinzipschaltbildes erklären.

In Fig. 4 steht die Induktivität L für die Summe der Induk tivitäten L1 bis L7 in Fig. 3. Vor der Induktivität L ist in Fig. 4 ein Leitungswiderstand R_L eingezeichnet, zu dem eine Kapazität C parallel geschaltet ist. Der Wert der Kapazität C entspricht im wesentlichen dem Wert der Kapazität Cw4 aus Fig. 3. Außerdem ist zum Widerstand R_L und der Induktivität L der Drosselspule 3 eine Impedanz R_P parallel geschaltet, die den über den Ringkern 2 führenden Strompfad verdeutlicht.

Das in Fig. 4 dargestellte Prinzipschaltbild ist das Prin zipschaltbild eines verlustbehafteten Parallelschwingkreises. Für den Fall, daß R_P wesentlich größer als R_L ist, gilt für die Bandbreite

wobei Δf die Bandbreite und f₀ die Resonanzfrequenz ist. Dar aus ergibt sich, daß die Bandbreite zumindest bei verschwin dendem Leitungswiderstand R_L und endlichem Parallelwiderstand R_P mit zunehmendem Verhältnis von Induktivität L zu Kapazität C wächst. Demnach ist es für eine große Bandbreite erforder lich, die Induktivität der Drosselspule 3 möglichst groß und die Kapazität C der Drosselspule 3 möglichst klein zu machen.

Für die Impendanz bei der Resonanzfrequenz ergibt sich unter der Bedingung, daß R_P sehr viel größer als R_L ist, die For mel

Anhand dieser Formel wird deutlich, daß der Resonanzwider stand ebenfalls mit wachsendem Verhältnis von Induktivität L zu Kapazität C zunimmt. Um große Maximalwerte bei den Reso nanzfrequenzen für die Impendanz zu erzielen, ist es demnach wiederum erforderlich, die Induktivität L möglichst groß und die Kapazität C möglichst klein werden zu lassen.

Anhand der beiden Formeln wird auch deutlich, daß der be schriebene Effekt von gleichzeitiger Erhöhung von Bandbreite und Resonanzwiderstand nur auftritt, wenn der Parallelwider stand R_P nicht allzu hohe Werte annimmt. Da die spezifischen Widerstände von Ferriten wesentlich größer als die spezifi schen Widerstände von weichmagnetischen nanokristallinen Le gierungen sind, sind die beschriebenen Effekte bei mit Fer ritkernen ausgestatteten Drosselspulen wesentlich schwächer. Unter einer weichmagnetischen nanokristallinen Legierung wer den dabei beispielsweise die aus der EP 0 271 657 B1 bekann ten Legierungen verstanden.

Fig. 5 schließlich zeigt, wie sich das Verhältnis von L zu C entwickelt, wenn bei einer gegebenen Drosselspule durch Ver ringern der Kapazität C die Resonanzfrequenz f₀ erhöht wird, wobei in Fig. 5 eine gestrichelte Linie 9 den idealen Fall einer von der Frequenz unabhängigen Induktivität darstellt, während die durchgezogene Kurve 10 aufgrund von Meßwerten für die Induktivität einer Drosselspule berechnet wurde. Man er kennt in Fig. 5 den in der doppellogarithmischen Darstellung geradlinigen Anstieg des Verhältnisses der idealen frequenz unabhängigen Induktivität L zur Kapazität C. Die aus Meßwer ten errechnete Kurve verläuft zwischen 100 Hz und 30 kHz im wesentlichen parallel zur idealen Kurve 9, um dann aufgrund der bei hohen Frequenzen kleiner werdenden Induktivitäten oberhalb von 30 kHz abzuflachen und schließlich für Frequen zen über 10 MHz abzufallen. Bis zu diesem oberen Grenzwert ist es somit bei der vermessenen Drosselspule 3 möglich, durch Ausbilden einer Wicklungslücke 5 die Kapazität der Drosselspule 3 zu verringern und dadurch den Maximalwert und die Bandbreite der Resonanzen zu erhöhen.

Durch eine geeignete Dimensionierung von Windungszahlen und Abmessungen von Spulensektoren 4 ist es dabei möglich, in Frequenzbereichen, in denen die Störsignale starke Frequenz komponenten aufweisen, Resonanzen der Drosselspule 3 zu legen und auf diese Weise die in diesem Frequenzbereich auftreten den Störsignale auf wirksame Weise zu unterdrücken.

Dabei ist jedoch zu beachten, daß insbesondere bei hohen Fre quenzen die Drosselspule 3 über den Ringkern 2 kurzgeschlos sen wird. Dies läßt sich vermeiden, indem die Spulensekto ren 4 mehrlagig ausgeführt werden und im äußersten Fall durch Haufenwicklungen ersetzt werden. Aufgrund des größeren Ab stands zum Kern koppeln die äußeren Lagen der Haufenwicklung nicht mehr kapazitiv mit dem Ringskern 2, so daß die Drossel spule 3 auch bei hohen Frequenzen nicht über den Ringkern 2 kurzgeschlossen wird. Durch die Haufenwicklung ergibt sich außerdem eine Drosselspule mit großer Induktivität bei gleichzeitig sehr kleiner Kapazität.

Es sei angemerkt, daß die ausgeführten Erläuterungen nicht nur für stromkompensierte Drosseln mit zwei Phasen gelten, sondern auch für Drosseln mit drei oder mehr Phasen uneinge schränkt gültig sind.

Claims

1. Vorrichtung zur Dämpfung von Störspannungen mit einem Magnetkern (2) und wenigstens einer um den Magnetkern gewickelten Drosselspule (3) mit einer Vielzahl von Windungen, dadurch gekennzeichnet, daß sich entlang jeder Drosselspule (3) eng gewickelte Wick lungsabschnitte (4) mit weit gewickeltem Wicklungsabschnitten (5) abwechseln.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetkern (2) aus einer weichmagnetischen nanokri stallinen Legierung gefertigt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetkern ein Ringkern (2) ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Drosselspulen (3) auf den Magnetkern (2) aufgebracht sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß drei Drosselspulen (3) auf den Magnetkern (2) aufgebracht sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselspulen (3) sektoriert auf den Magnetkern (2) aufgewickelt sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß jede Drosselspule (3) mehrlagig um den Magnetkern (2) ge wickelt ist.