DE19918322A1 - Phasenbaustein für verstimmte und unverstimmte Filterkreise - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Phasenbaustein für verstimmte und unverstimmte Filterkreise, bei dem ein Magnetkreis (1, 2, 2', 3) rotationssymmetrisch zu einer Längsachse (AA) aufgebaut ist und eine zu dieser Längsachse (AA) ebenfalls rotationssymmetrische Spule (4) bzw. einen LC-Wickel umgibt. Auf der Außenfläche des Magnetkreises ist eine ebenfalls zur Längsachse (AA) rotationssymmetrisch angeordnete Filterkapazität (5) oder Lastkapazität vorgesehen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Phasenbaustein für verstimmte und unverstimmte Filterkreise, mit einer Spule, einem Magnetkreis und einer Filterkapazität. Bei einem sol­ chen Phasenbaustein handelt es sich um ein LC-Bauelement, das insbesondere zur Niederspannungs-Blindstromkompensation ein­ gesetzt werden kann.

Schon vor über 70 Jahren wurde bereits in der DE-PS 60 99 80 die bauliche Vereinigung von Kondensatoren und Transformato­ ren zur Leistungsfaktorregulierung vorgeschlagen. Bei einer solchen baulichen Vereinigung ist die Sekundärwicklung eines Transformators als Kondensatorbelegung ausgebildet. Damit ist es möglich, zur Herstellung einer solchen baulichen Vereini­ gung von einem nichtselbstheilenden Aluminiumfolien-Wickel­ kondensator auszugehen und das bis dahin übliche Konzept ei­ ner Bauform eines Kondensators mit. Eisenkern zu verlassen. Im einzelnen wird bei dieser baulichen Vereinigung die Serien­ schaltung von einem Kondensator mit zwei Induktivitäten da­ durch realisiert, daß bei einer der metallischen Belegungen zunächst eine Anzahl von Windungen allein gewickelt wird und daß sodann hierauf die andere metallische Belegung mit einge­ wickelt wird.

Weiterhin ist aus der DE-PS 61 65 29 ein Serienresonanzkreis als Wickelkondensator bekannt, dessen induktive Leiter gleichzeitig die Belegung seiner Kapazität bilden. Die Funk­ tion des beschriebenen Bauteiles entspricht speziell einem Saugkreis. Außerdem wird in dieser Druckschrift darauf hinge­ wiesen, daß ein Wickelkondensator als Induktivität nur dann wirksam ist, wenn der Ladestrom alle Belegungen des Wickel­ kondensators in gleicher Richtung, also in der Wickelrich­ tung, durchfließt, wobei der Maximalwert der realisierbaren Induktivität eines Wickelkondensators von gegebener Geometrie nur durch Herausführen der Belegungen am Anfang und am Ende des Bauteiles zu erreichen ist.

Aus der CH-PS 282 205 ist ein Wickelkondensator mit großer Selbstinduktivität bekannt, der speziell als Kompensations­ kondensator in Netzen mit Zentralsteuerungsanlagen anwendbar ist. "Normale" Kondensatoren haben nämlich für diesen Fall eine zu niedrige Induktivität, so daß diesen gegebenenfalls zusätzliche Drosselspulen vorgeschaltet werden könnten. Die in der CH-PS 282 205 beschriebenen Wickelkondensatoren sind aber als nichtselbstheilende Folienkondensatoren ausgebildet und weisen für die bereits erwähnte Steigerung der Induktivi­ tät einen offenen bzw. geschlossenen Eisenkern auf. Die Pro­ blematik der Justierung der Selbstinduktivität wurde erkannt: so wird in der CH-PS 282 205 nämlich vorgeschlagen, verschie­ dene Einlegebändchen zu verwenden und messend abzugreifen, was aber in der Praxis äußerst aufwendig ist. Weiterhin soll­ te der Wärmehaushalt bei diesem bekannten Wickelkondensator durch geeignete Dimensionierung der Folien sichergestellt werden, wobei unter anderem auch auf die Möglichkeit hinge­ wiesen wird, eine bestimmte Anzahl von Belegungen parallel zu schalten.

Auch weitere Druckschriften beschäftigen sich mit Kondensato­ ren mit vergleichsweise hohen Resonanzfrequenzen im Bereich deutlich über kHz, wobei jedoch die Leistungen gering sind. 50 wird beispielsweise in der DD 247 552 A1 eine Einrichtung zur Beherrschung von Strom- und Spannungsharmonischen in Wechsel-/Drehstromsystemen beschrieben. Bei dieser Einrich­ tung werden mehrere Folienwickel von üblicher Gestaltung fol­ gerichtig zu einem Wickelpaket zusammengeschaltet, um die verstärkt zum Einsatz kommenden Saugkreisanlagen für höhere Harmonische kostengünstig an die technischen Erfordernisse anpassen zu können und so einen modularen Aufbau zu erzielen.

Weiterhin wird in der DD 263 867 A1 eine Einrichtung zur Fil­ terung und Kompensation von Wechsel-/Drehstromsystemen be­ schrieben, bei der Kondensatorbeläge in üblicher Weise ge­ meinsam auf einen rohrförmigen Trägerkörper gewickelt und die Anfänge der geradzahligen sowie die Enden der ungeradzahligen Kondensatorbeläge über Anschlußelektroden parallelgeschaltet werden. Der Trägerkörper kann dabei einen runden, ovalen oder vieleckigen Querschnitt aufweisen.

Speziell die beiden zuletzt genannten Druckschriften konzen­ trieren sich hauptsächlich auf das Ziel, den Materialaufwand von Filter- und Kompensationseinrichtungen in Wechsel-/Dreh­ stromanlagen zu vermindern. Es läßt sich aber zeigen, daß die kostenrelevante, blindleistungsbezogene Masse, gemessen bei­ spielsweise in kg/kVAr, auch unter günstigen Annahmen eine wirtschaftliche Herstellung der vorgeschlagenen Ausführungs­ form nicht für alle praktisch relevanten Frequenzen erwarten läßt. Außerdem zeigt ein für den Wärmehaushalt wesentlicher Kennwert, nämlich der blindleistungsbezogene Wirkverlust (W/kVAr), daß auch eine wirtschaftliche Herstellung der vor­ geschlagenen Ausführungsform nicht für alle praktisch rele­ vanten Frequenzen möglich ist.

Aus den oben aufgezeigten Gründen und insbesondere wegen der hohen Materialkosten ist daher ein den beiden zuletzt genann­ ten Druckschriften entsprechendes Bauelement bisher in tech­ nischem Maßstab nicht realisiert worden. Vielmehr werden für Phasenbausteine insbesondere zur Niederspannungs-Blindstrom­ kompensation immer noch diskrete Bauelemente, also Drehstrom­ drosseln und -kondensatoren, eingesetzt.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen opti­ mal wirtschaftlich herstellbaren Phasenbaustein für verstimm­ te und unverstimmte Filterkreise insbesondere zur Niederspan­ nungs-Blindstromkompensation mit einer Blindleistung im Be­ reich von insbesondere 1 bis 100 kVAr zu schaffen.

Diese Aufgabe wird bei einem Phasenbaustein für verstimmte und unverstimmte Filterkreise, mit einer Spule, einem Magnet­ kreis und einer Filterkapazität, erfindungsgemäß dadurch ge­ löst, daß ein radialsymmetrisch zu einer Längsachse angeord­ neter Magnetkreis aus einem von der Längsachse durchsetzten Kernbereich, einem diesen im Abstand umgebenden rohrförmigen Mantelbereich und zwei jeweils in Richtung der Längsachse an den Enden des Kernbereiches und des Mantelbereiches angeord­ neten Scheiben die rotationssymmetrisch zur Längsachse ange­ ordnete Spule so umgibt, daß der Kernbereich innerhalb der Spule, der Mantelbereich auf deren Umfangsfläche und die bei­ den Scheiben an deren Stirnseite gelegen sind, und daß die Filterkapazität rotationssymmetrisch zur Längsachse auf der Umfangsfläche des Mantelbereiches angeordnet ist.

Der erfindungsgemäße Phasenbaustein zeichnet sich so durch einen radialsymmetrisch angeordneten Magnetkreis aus, der in seinen einzelnen geometrischen Bereichen im Hinblick auf mi­ nimale Gesamtkosten optimiert ist. So wird beispielsweise die aus einem oder mehreren Metallbändern und einer Isolierung bestehende Spule allseitig von dem. Magnetkreis umschlossen, wobei insgesamt eine zylinderförmige Gestalt vorliegt. Im Au­ ßenbereich dieses Magnetkreises ist ein selbstheilender Kon­ densator angeordnet, der die Filterkapazität bildet und die radiale Gestaltung von der Längsachse aus gesehen fortsetzt. Spule und Filterkapazität können ohne weiteres in der kosten­ günstigen Stern-Dreieck-Schaltungsanordnung miteinander ver­ bunden werden. Als Gehäuse bzw. Montagekonzept kann dann der erprobte und vorteilhafte Standard der MKK-AC-Phasenschieber­ baureihe verwendet werden. Ein hierbei verwendeter Standard­ becher kann bei Bedarf gegebenenfalls eloxiert werden, um bessere EMV-Eigenschaften zu erzielen.

Versuche haben gezeigt, daß mittels des erfindungsgemäßen Phasenbausteines gegenüber bestehenden, diskreten LC-Bau­ elementen der Leistungselektronik Einsparungen hinsichtlich Gewicht, Volumen und Kosten erzielt werden können, wobei hierfür sogar Werte bis zu 30% zu erwarten sind.

Anstelle der Spule kann in dem Phasenbaustein gegebenenfalls auch ein LC-Wickel bzw. ein IKE-Funktionselement verwendet werden, wie diese beispielsweise in den bereits genannten DD 247 552 A1 und DD 263 867 A1 beschrieben sind. In diesem Fall kann auch die L-C-Dreieckschaltung realisiert werden. Infolge des dann kleineren Dreieckstromes wird für den so gestalteten Phasenbaustein die Anwendung eines noch kostengünstigeren MKKAC-Standarddeckels möglich und gleichzeitig der erforder­ liche Anteil des Magnetkreis-Materials vermindert. Der ko­ stengünstige, selbstheilende Kondensator übernimmt dann die Funktion einer Lastkapazität zum LC-Wickel bzw. IKE-Funk­ tionselement. Der Kapazitätswert der Lastkapazität liegt da­ bei in der Größenordnung der Filterkapazität.

Durch den radialsymmetrisch angeordneten und im Kernbereich mit Magnetmaterial optimal gefüllten Magnetkreis wird eine aus wenigstens einem Magnetband und Isolierung bestehende Spule allseitig umschlossen, so daß insgesamt eine kompakte und kosteneffiziente Anordnung vorliegt. Ein wenig aufwendi­ ger selbstheilender Kondensator stellt die Filterkapazität dar. Die Spule und der Kondensator werden so verschaltet, daß die gewünschte Funktion entsteht. Die gesamte Anordnung wird dann in einem becherförmigen Gehäuse, beispielsweise einem fallweise eloxierten Aluminiumbecher dicht eingebaut.

Wie bereits oben erwähnt wurde, kann anstelle der Spule gege­ benenfalls ein LC-Wickel bzw. ein IKE-Funktionselement (vgl. DD 247 552 A1 bzw. DD 263 867 A1) eingesetzt werden. Der selbstheilende Kondensator erfüllt dann die Funktion der Lastkapazität zum LC-Wickel bzw. IKE-Funktionselement.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Figuren näher er­ läutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schnittdarstellung eines Phasenbausteines nach einem ersten Ausführungsbeispiel,

Fig. 2 eine Schnittdarstellung eines Phasenbausteines in einem MKKAC-Standardgehäuse, und

Fig. 3 und 4 zwei verschiedene Varianten für die Gestaltung von Scheiben.

In den Figuren werden für einander entsprechende Bauteile je­ weils die gleichen Bezugszeichen verwendet.

Fig. 1 zeigt einen Phasenbaustein mit einem radialsymmetrisch zu einer Achse AA angeordneten Magnetkreis aus einem Kernbe­ reich 1, einem diesen Kernbereich 1 im Abstand umgebenden rohrförmigen Mantelbereich 3 und zwei jeweils in Richtung der Längsachse AA an den Enden des Kernbereiches 1 und des Man­ telbereiches 3 angeordneten und diese miteinander magnetisch verbindenden Scheiben 2 und 2'. Dieser Magnetkreis um­ schließt, gegebenenfalls mit definiertem Luftspalt, eine Spu­ le 4.

Die Spule 4 besteht in vorteilhafter Weise aus Metallbändern, wie Metallstreifen, für die beispielsweise Kupfer oder - ko­ stengünstiger - Aluminium verwendet werden kann. Außerdem hat die Spule 4 in üblicher Weise Isoliermaterial zwischen den einzelnen Streifen.

Für die Herstellung der Spule 4 sind alle üblichen Verfahren möglich.

Anstelle der Spule 4 kann gegebenenfalls auch ein LC-Wickel bzw. ein IKE-Funktionselement eingesetzt werden, wie dies be­ reits oben erwähnt wurde. In diesem Fall kann beispielsweise eine sequentielle Wickeltechnik im Bereich der L-Spule und des ein magnetisches Rückleiterrohr bildenden Mantelbereiches 3 eingesetzt werden.

Der Kernbereich 1 kann vorzugsweise aus kostengünstigen Ma­ gneteisen-Blechstreifen aufgebaut werden, wobei darauf geach­ tet werden sollte, daß die zur Verfügung stehende Kreisfläche möglichst hoch ausgenutzt wird. Alternativ sind aber auch an­ dere geometrische Abmessungen in axialer magnetischer Vor­ zugsrichtung möglich.

Die Scheiben 2 und 2' bestehen vorzugsweise aus isotropem Ma­ gneteisenblech oder aus gesintertem Eisenmagnetmaterial oder aus Ferritematerial. Auch Verbunde aus Ferritematerial und Magneteisenblech sind möglich. Der rohrförmige Mantelbereich 3 ist aus Blechstreifen bzw. Magneteisenblech mit axialer ma­ gnetischer Vorzugsrichtung und/oder Würfelstruktur herge­ stellt.

Zwischen der Scheibe 2' (oder der Scheibe 2) und dem Kernbe­ reich 1 ist beispielsweise ein dünnes Kunststoff-Distanz­ plättchen 10 als Luftspalt vorgesehen, das zur Einstellung der Induktivität dient.

Auf der äußeren Umfangsfläche des rohrförmigen Mantelberei­ ches 3 ist, von diesem durch eine Kunststoffschicht 9 ge­ trennt, eine Filterkapazität 5 vorgesehen, die als selbsthei­ lender Kondensator aufgebaut ist. Dabei wird vorzugsweise ei­ ne trockene Technologie verwendet. Gegebenenfalls kann aber auch eine naßimprägnierte MKV-Bauform angewandt werden.

Verbindungsleitungen 11 sind schematisch dargestellt, wobei deren Führung abhängig von den jeweiligen Schaltungsvarianten zu wählen ist.

Schließlich ist die gesamte Anordnung in einem becherförmigen Gehäuse 12 untergebracht, das gegebenenfalls eloxiert sein kann.

Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem MKKAC-Standardgehäuse 6, das mit einem Schnappdeckel 7 und einem Anschlußelement 8 mit beispielsweise sechs Klemmöglichkeiten (sogenannter SIGUT-Blockkörper bzw. soge­ nannte SIGUT-Anschlußklemme) versehen ist.

Die Fig. 3 und 4 zeigen zwei Varianten für die Scheiben 2, 2': Diese können, wie bereits erläutert wurde, beispielsweise aus einer Scheibe 13 aus Ferritematerial (Fig. 3) oder aus einem Verbund aus einer Scheibe 14 aus Ferritematerial, einer Eisenringscheibe 15 und einem Ring 16 aus Ferritematerial (Fig. 4) bestehen.

Claims (12)

1. Phasenbaustein für verstimmte und unverstimmte Filterkrei­ se, mit einer Spule (4), einem Macrnetkreis (1, 2, 2', 3) und einer Filterkapazität (5), dadurch gekennzeichnet, daß

• - der radialsymmetrisch zu einer Längsachse (AA) angeordnete Magnetkreis (1, 2, 2', 3) aus einem von der Längsachse (AA) durchsetzten Kernbereich (1), einem diesen im Abstand umge­ benden rohrförmigen Mantelbereich (3) und zwei jeweils in Richtung der Längsachse (AA) an den Enden des Kernbereiches (1) und des Mantelbereiches (3) angeordneten Scheiben (2, 2') die rotationssymmetrisch zur Längsachse (AA) angeordne­ te Spule (4) so umgibt, daß der Kernbereich (1) innerhalb der Spule (4), der Mantelbereich (3) auf deren Umfangsflä­ che und die beiden Scheiben (2, 2') an deren Stirnseiten gelegen sind, und
• - die Filterkapazität (5) rotationssymmetrisch zur Längsachse (AA) auf der Umfangsfläche des Mantelbereiches (3) angeord­ net ist.

2. Phasenbaustein nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein becherförmiges Gehäuse (12; 6).

3. Phasenbaustein nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse aus Aluminium besteht.

4. Phasenbaustein nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (12; 6) eloxiert ist.

5. Phasenbaustein nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (4) als LC-Wickel oder IKE-Funktionselement mit ei­ ner Lastkapazität in der Größenordnung der Filterkapazität (5) gestaltet ist.

6. Phasenbaustein nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Spule (4) aus wenigstens einem Metallband mit Isolierung besteht.

7. Phasenbaustein nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kernbereich (1) aus Magneteisen-Blechstreifen aufgebaut ist.

8. Phasenbaustein nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheiben (2, 2') aus einem isotropen Magneteisenblech oder gesintertem Eisenmagnetmaterial oder Ferritematerial (13) oder einem Verbund aus Ferritematerial (14, 16) und Ma­ gneteisenblech (15) bestehen.

9. Phasenbaustein nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der rohrförmige Mantelbereich (3) aus Blechstreifen bzw. Ma­ gneteisenblech mit axialer Vorzugsrichtung und/oder Würfel­ struktur hergestellt ist.

10. Phasenbaustein nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß durch geeignet dimensionierte Luftspalte die Induktivität einstellbar ist.

11. Phasenbaustein nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftspalt durch ein Distanzplättchen (10) zwischen einer der Scheiben (2') und dem Kernbereich (1) gebildet ist.

12. Phasenbaustein nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallband aus Kupfer oder Aluminium besteht.