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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung bezieht sich auf Wechselrichter und insbesondere auf mit
Ausgangsdrosselmitteln versehene Wechselrichter.
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Es
ist bekannt, bei einem Wechselrichter, wie zum Beispiel bei einem
Wechselrichter eines Frequenzumrichters, eine sog. Ausgangsdrossel
zu verwenden. Die Ausgangsdrossel des Frequenzumrichters beschränkt die
Ableitung du/dt der Ausgangsspannung des Umrichters und schützt somit
eine Vorrichtung, die der Frequenzumrichter speist. Wenn die zu
speisende Vorrichtung ein Motor ist, schützt die Ausgangsdrossel Motorwicklungen
vor Teilentladungen und beschränkt
Lagerströme,
die eine durch eine impulsförmige
Dreiphasenspannung des Umrichters gebildete Gleichtaktspannung im
Motor verursacht.
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Je
nach der Konstruktion des Wechselrichters können seine Ausgangsdrosselmittel
eine oder mehrere einzelne Drosselspulen pro Phase aufweisen. Zum
Beispiel in Wechselrichterbaugruppen mit großem Strom ist es bekannt, mehrere
Schalterkomponenten zum Erreichen der erforderlichen Strombelastbarkeit
parallel zu schalten, wobei der Wechselrichter für jede Phase mehrere Ausgangszweige
aufweist, von denen jeder mit einer Ausgangsdrossel versehen werden
kann.
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In
der Offenlegungsschrift WO 2004/019475 A1 "Output choke arrangement for inverter,
and method in conjunction therewith" ist eine Ausgangsdrosselbaugruppe eines
Wechselrichters dargestellt, in der für jeden Zweig einer Phase eines
Wechselrichterausgangs eine entsprechende Drosselspule bewirkt worden
ist. In der Veröffentlichung
wird eine Baugruppe dargestellt, in der jede Phase drei Drosselspulen
aufweist, die symmetrisch in die Form eines Dreiecks gesetzt sind,
wobei eine magnetische Kupplung zwischen parallelen Zweigen jeder
Phase klein und symmetrisch ist. Mit einer Konstruktion, in der
für jeden
Zweig des Ausgangs eine entsprechende Drosselspule bewirkt worden
ist, können
Ströme der
Schalterkomponenten verschiedener Zweige des Ausgangs ausgeglichen
werden, und die Überwachung
der Durchzündung
der Schalterkomponenten kann damit erleichtert werden.
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Die üblichste
Ausgangsdrossel weist mehrere Windungen auf, die um einen Eisenkern
gewickelt sind. Probleme bei einer derartigen Ausgangsdrosselkonstruktion
sind u. a. das große
Gewicht und das Heißlaufen
insbesondere bei den größten Ausgangsfrequenzen
des Wechselrichters. Es sind auch Ausgangsdrosselkonstruktionen
bekannt, die ausschließlich
bei großen
Frequenzkomponenten effektiv sind. Im Gebrauch sind zum Beispiel
Ringe aus einem Material mit sehr großer relativer Permeabilität, die Spannungsübergangszustände dämpfen, wenn sie
um Ausgangsphasenschienen oder -leiter gesteckt sind. Ein Nachteil
bei diesen Komponenten liegt darin, dass sie sehr teuer sind. Ein
Problem bei solchen Ringen ist auch ihre relativ große Dimension.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine mit Ausgangsdrosselmitteln
versehene Wechselrichterbaugruppe zu entwickeln, mit der die oben erwähnten Probleme
gelöst
werden können.
Die Aufgabe der Erfindung wird mit einer Wechselrichterbaugruppe
gelöst,
die durch das gekennzeichnet ist, was im unabhängigen Schutzanspruch gesagt
wird. Die vorteilhaften Ausführungsformen
der Erfindung sind als Gegenstand der abhängigen Schutzansprüche.
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Die
Erfindung beruht darauf, dass als Ausgangsdrossel eines Wechselrichters
eine Drossel mit einem Luftkern verwendet wird. Hier wird mit dem Luftkern
ein Kern gemeint, der sehr kleine elektrische und magnetische Leitfähigkeit
hat.
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Vorteile
der erfindungsgemäßen Wechselrichterbaugruppe
gegenüber
den mit Ausgangsdrosseln mit einem Eisenkern versehenen Wechselrichtern
sind die Leichtigkeit, der geringere Raumbedarf und der günstigere
Preis sowie der umfangreiche ver wendbare Frequenzbereich. Der durch
die Ausgangsdrosselmittel der erfindungsgemäßen Wechselrichterbaugruppe
verursachte Spannungsverlust bei Basisstromfrequenzen ist auch kleiner,
ebenso wie das Heißlaufen
der Ausgangsdrosselmittel bei großen Ausgangsfrequenzen.
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Ein
Vorteil der erfindungsgemäßen Wechselrichterbaugruppe,
deren jede Ausgangsphase mehrere Ausgangszweige aufweist, von denen
jeder mit einer Drosselspule versehen ist, ist zusätzlich das geringe Übersprechen
zwischen verschiedenen Drosselspulen derselben Ausgangsphase, obwohl die
Drosselspulen physisch nahe beieinander liegen würden. Die Überwachung der Durchzündung von Halbleiterschaltern
des Wechselrichters, der Stromausgleich zwischen den Halbleiterschaltern
und die Beschränkung
der Spannungsableitungen sowie der Lagerströme funktionieren auch gut bei
der erfindungsgemäßen Wechselrichterbaugruppe.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER FIGUREN
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Die
Erfindung wird jetzt im Zusammenhang mit vorteilhaften Ausführungsformen
unter Hinweis auf die beigefügten
Zeichnungen näher
erläutert,
von denen:
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1 zeigt
Schalterbaugruppen und Ausgangsdrosseln einer Wechselrichterbaugruppe
nach einer Ausführungsform
der Erfindung;
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2 zeigt
den Schaltplan einer Schalterbaugruppe der 1 und
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3 zeigt
ein vereinfachtes Ersatzschaltbild einer Ausgangsdrossel.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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1 zeigt
Schalterbaugruppen S1–S3
eines dreiphasigen Wechselrichters und mit ihnen verbundene Drosselspulen
L1–L9.
Jede Ausgangsphase des Wechselrichters weist eine Schalterbaugruppe
auf, die drei Ausgangszweige umfasst. An jeden Ausgangszweig ist
eine Drosselspule angeschlossen, weshalb insgesamt neun Drosselspulen
vorhanden sind. Jede Drosselspule ist eine Drossel mit einem Luftkern.
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Jede
Drosselspule L1–L9
mit einem Luftkern weist mehrere Windungen auf, die um den Luftkern gewickelt
sind. Mit dem Luftkern wird hier ein Kern einer Spule gemeint, der
sehr kleine elektrische und magnetische Leitfähigkeit hat. Der Luftkern kann
Luft und/oder andere Stoffe aufweisen, die diamagnetisch oder paramagnetisch
sein können.
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Ein
erstes Ende jeder Drosselspule ist an einen entsprechenden Ausgangszweig
einer entsprechenden Schalterbaugruppe des Wechselrichters angeschlossen.
Ein erstes Ende einer ersten Drosselspule L1 einer ersten Phase
U ist somit an einen ersten Ausgangszweig U1 einer ersten Schalterbaugruppe
S1 des Wechselrichters angeschlossen, ein erstes Ende einer Drosselspule
L4 ist an einen zweiten Ausgangszweig U2 der Schalterbaugruppe S1 angeschlossen
und ein erstes Ende einer Drosselspule L7 ist an einen dritten Ausgangszweig
U3 der Schalterbaugruppe S1 angeschlossen. Drosselspulen L2, L5
und L8 einer zweiten Phase V sind auf entsprechende Weise an ihren
ersten Enden an einen ersten V1, einen zweiten V2 und einen dritten
V3 Ausgangszweig einer zweiten Schalterbaugruppe S2 des Wechselrichters
angeschlossen und Drosselspulen L3, L6 und L9 einer dritten Phase
W sind entsprechend an ihren ersten Enden an einen ersten W1, einen
zweiten W2 und einen dritten W3 Ausgangszweig einer dritten Schalterbaugruppe
S3 des Wechselrichters angeschlossen. Die zweiten Enden der Drosselspulen
jeder Phase sind verbunden, wobei die Wechselrichterbaugruppe nur
einen Ausgang für jede
Phase aufweist. Die zweiten Enden der Drosselspulen L1, L4 und L7
der ersten Phase U sind somit zum Ausgang der Phase U verbunden,
die zweiten Enden der Drosselspulen L2, L5 und L8 der zweiten Phase
V sind zum Ausgang der Phase V verbunden und die zweiten Enden der
Drosselspulen L3, L6 und L9 der dritten Phase W sind zum Ausgang
der Phase W verbunden.
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In 1 sind
die Drosselspulen jeder Phase symmetrisch in die Form eines Dreiecks
so gesetzt, dass die Mittellinien der Drosselspulen miteinander parallel
sind und sich an den Spitzen eines gleichseitigen Dreiecks befinden.
Alternativ können
die Drosselspulen zum Beispiel im Wesentlichen in die L-Form so
gesetzt werden, dass sich ihre Mittelpunkte an den Spitzen eines
solchen gleichseitigen Dreiecks befinden, dessen Winkelspitze 80°–105° beträgt.
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In 1 sind
die Drosselspulen von ihrem Querschnitt her rund, wobei ihre Mittellinien
auch ihre Symmetrieachsen sind. Die Drosselspulen können von
ihrem Querschnitt her auch eine andere Form, wie zum Beispiel die
Form einer Ellipse, so haben, dass die Halbachsen jeder Ellipse
im Mittelpunkt einer entsprechenden Drosselspule beginnen.
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In
der erfindungsgemäßen Wechselrichterbaugruppe
kann in jede Drosselspule mit einem Luftkern ein Kühlelement
zustande gebracht werden. In 1 werden
die Drosselspulen mit einem ersten Kühlelement 11, mit
einem zweiten Kühlelement 12 und
mit einem dritten Kühlelement 13 gekühlt. Jedes Kühlelement
erstreckt sich linear, und sie sind miteinander parallel. Um jedes
Kühlelement
sind drei Drosselspulen angebracht. Die Windungen jeder Drosselspule
definieren in die Drosselspule einen röhrenartigen Gang, in dem sich
ein entsprechendes Kühlelement
erstreckt. Um das erste Kühlelement 11 sind
die erste Spule L1 der ersten Phase U, die erste Spule L2 der zweiten
Phase V und die erste Spule L3 der dritten Phase W gesetzt. Um das
zweite Kühlelement 12 sind
die zweite Spule L4 der ersten Phase U, die zweite Spule L5 der
zweiten Phase V und die zweite Spule L6 der dritten Phase W gesetzt.
Um das dritte Kühlelement 13 sind
die dritte Spule L7 der ersten Phase U, die dritte Spule L8 der
zweiten Phase V und die dritte Spule L9 der dritten Phase W gesetzt.
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Jedes
Kühlelement 11, 12 und 13 weist
einen Kühlmittelkanal
auf, in dem beim Verwenden der Drosselbaugruppe Kühlmittel
fließt.
Das Kühlmittel kann
flüssig
oder gasförmig
sein.
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In
der Wahl des Materials der in die Drosselspulen mit einem Luftkern
zu montierenden Kühlelemente
sollen die elektromagnetischen Eigenschaften des Materials berücksichtigt
werden. Zum Material der Kühlelemente
kann ein Material gewählt werden, dessen
magnetischer Widerstand sowie elektrischer Widerstand groß sind.
Das Material der Kühlelemente
kann zum Beispiel Kunststoff sein.
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Auch
in der Wahl des in den Kühlelementen eventuell
fließenden
Kühlmittels
sollen die magnetischen und die elektrischen Eigenschaften des Kühlmittels
berücksichtigt
werden.
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2 zeigt
den Schaltplan einer Schalterbaugruppe S1 der 1.
Die Schalterbaugruppe S1 weist drei parallele Schalterpaare auf,
die gleichzeitig zum Erreichen des erforderlichen Ausgangsstroms gesteuert
werden. Ein erstes Schalterpaar bilden Schalter T1 und T2, ein zweites
Schalterpaar bilden Schalter T3 und T4 und ein drittes Schalterpaar
bilden Schalter T5 und T6.
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Neben
jeden Schalter ist eine entsprechende Nulldiode angeschlossen. Dem
Schalter T1 entspricht eine Nulldiode D1, dem Schalter T2 entspricht eine
Nulldiode D2 und so weiter. Der Ausgang jedes Schalterpaares, der
sich im Punkt zwischen den Schaltern des betreffenden Schalterpaares
befindet, ist an einen entsprechenden Ausgangszweig der Schalterbaugruppe
angeschlossen. Zum Beispiel ist der Punkt zwischen den Schaltern
T1 und T2 an einen Ausgangszweig U1 angeschlossen.
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In
einen Eingang der Schalterbaugruppe S1 wird eine Gleichspannung
Udc gebracht, die mittels der Schalterkomponenten T1–T6 auf
eine Weise wechselgerichtet wird, die auf dem Gebiet völlig bekannt
ist. Die Schalterkomponenten T1–T6
sind Halbleiterschalter. Vorzugsweise sind die Schalterkomponenten
schnelle Halbleiterschalter, wie IGBT-Transistoren. Schalterbaugruppen
S2 und S3 sind von ihrer Konstruktion her ähnlich wie die Schalterbaugruppe
S1.
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In 3 wird
ein vereinfachtes Ersatzschaltbild einer Ausgangsdrossel dargestellt.
Einzelne Windungen einer Drosselspule werden mit einer Induktanz
Lwt, mit einer von der Frequenz abhängigen Resistanz
Rwt (Widerstand) und mit einer Kapazitanz Cwt modelliert. Die Induktanz Lwt und
die von der Frequenz abhängige
Resistanz Rwt sind in Serie geschaltet und
die Kapazitanz Cwt ist mit der Serienschaltung
der Induktanz Lwt und der von der Frequenz
abhängigen
Resistanz Rwt parallel geschaltet.
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Der
Kern der Drosselspule wird windungsbezogen mit einer Induktanz Lco und mit einer von der Frequenz abhängigen Resistanz
Rco modelliert. Die Induktanz Lco und
die von der Frequenz abhängige Resistanz
Rco sind in Serie geschaltet. Die die Windungen
modellierenden Komponenten befinden sich in einem Oberzweig des
Ersatzschaltbildes und die den Kern der Drosselspule modellierenden
Komponenten befinden sich in einem Unterzweig des Ersatzschaltbildes.
Eine zwischen dem Oberzweig und dem Unterzweig angebrachte Spannungsquelle
Uvs stellt einen Wechselrichter dar. Zwischen
dem Oberzweig und dem Unterzweig sind windungsbezogene Kapazitanzen
Cp angebracht, um die Kapazitanz des Kerns
gegenüber
der Erde darzustellen.
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Die
Kapazitanzen Cp des Kerns der Drosselspule
der erfindungsgemäßen Wechselrichterbaugruppe
gegenüber
der Erde sind im Vergleich zu entsprechenden Kapazitanzen der Drosselspule
mit einem Eisenkern sehr klein. Die kleinen Kapazitanzen Cp sind für
die Beschränkung
der Wellenspannung und der Lagerströme vorteilhaft.
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Die
von der Frequenz des Kerns der Drosselspule der erfindungsgemäßen Wechselrichterbaugruppe
abhängigen
Resistanzen Rco sind wesentlich größer als
in einer entsprechenden Drosselspule mit einem Eisenkern. Somit
entstehen in der erfindungsgemäßen Baugruppe
weniger Verluste im Kern. Der Unterschied ist bei hohen Ausgangsfrequenzen
des Wechselrichters am größten. Die
hohe Ausgangsfrequenz kann zum Beispiel 350 Hz–450 Hz betragen.
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Eine
Drosselspule mit einem Luftkern kann angeordnet sein, bei den Frequenzen
10 kHz–10 MHz
zu funktionieren. Die Induktanz der Drosselspule mit einem Luftkern
kann bei Ausgangsfrequenzen des Wechselrichters, zum Beispiel im
Frequenzbereich 0–450
Hz, im Vergleich zur Induktanz einer entsprechenden Drosselspule
mit einem Eisenkern sehr klein sein.
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Die
Erfindung ist oben betreffend eine dreiphasige Wechselrichterbaugruppe
erläutert,
die drei Drosselspulen für
jede Ausgangsphase aufweist. Es ist jedoch klar, dass die Erfindung
auch in solchen Wechselrichterbaugruppen angewandt werden kann, deren
Ausgangsphasenanzahl und/oder Drosselspulenzahl pro Ausgangsphase
von der Anzahl drei abweicht.
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Es
ist für
einen Fachmann offenbar, dass der Grundgedanke der Erfindung auf
viele verschiedene Weisen verwirklicht werden kann. Die Erfindung
und ihre Ausführungsformen
beschränken
sich somit nicht auf die oben beschriebenen Beispiele, sondern sie
können
im Rahmen der Schutzansprüche
variieren.