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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Oberschwingungskompensation
für nichtlineare
Verbraucher, insbesondere Gleichrichter oder Wechselrichter, an
wenigstens zweiphasigen, insbesondere dreiphasigen, Versorgungsnetzen
mit sinusförmiger
Netzspannung, wobei jede Phase mit einer ersten Induktivität verbunden
ist, wobei jede erste Induktivität
mit ihrem von der jeweiligen Phase abgewandten Ende wiederum mit
wenigstens einer ersten Kapazität
verbunden ist, wobei die ersten Induktivitäten jeweils von einer ersten
und einer zweiten Drosselspule ausgebildet sind, die in Reihe geschaltet
sind, wobei zwischen erster und zweiter Drosselspule jeder Phase
jeweils wenigstens eine zweite Kapazität angeschlossen ist, wobei
in jeder Phase eine dritte Drosselspule vor dem Verbraucher eingeschleift
ist, wobei jeweils die erste Drosselspule der ersten Induktivitäten zwischen
der dritten Drosselspule und dem Verbraucher mit der jeweiligen Phase
verbunden ist und jeweils die zweite Drosselspule der ersten Induktivitäten mit
dem jeweils von der ersten Drosselspule dieser ersten Induktivität abgewandten
Ende mit wenigstens einer der ersten Kapazitäten verbunden ist, gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Nichtlineare
Verbraucher beziehen aus einem Versorgungsnetz mit sinusförmigen Versorgungsspannungen
bzw. -strömen
nichtsinusförmige
Verbraucherspannungen bzw. -ströme.
Diese Abweichungen des Stromes von der Sinusform führen in Versorgungsnetzen
zu Verzerrungen der Netzspannung. Die Verzerrungen der Netzspannung
verursachen zusätzliche
Verluste und Funktionsstörungen
bei anderen Verbrauchern, die an diesem Versorgungsnetz betrieben
werden. Einen hohen Anteil an nichtlinearen Verbrauchern in den Versorgungsnetzen
stellen dreiphasige Gleichrichter- und Wechselrichterschaltungen
dar. Die am häufigsten eingesetzte
Gleichrichterschaltung ist der ungesteuerte Gleichrichter in B6-Schaltung.
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Die
nicht sinusförmigen
Spannungen bzw. Ströme
können
mittels Fourier-Reihen in sinusförmige
Größen zerlegt
werden, die aus einer Grundschwingung, wie z.B. f = 50 Hz, und Oberschwingungen
der Frequenz n·f
bestehen. Ein Bewertungskriterium für die Abweichungen einer verzerrten
Stromform von der Sinusform stellt der "THD" dar.
Der Wert THD (Total Hannonic Distortion) beschreibt ein Gesamt-Oberschwingungsverhältnis v
und ist definiert als
ist, mit
- Un
- = Effektivwert jeder
Oberschwingung n und
- U1
- = Effektivwert der
Grundschwingung.
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Die
durch die Stromoberschwingungen der Verbraucherspannung bzw. des
Verbraucherstroms verursachten Auswirkungen auf das speisende Netz
werden als Netzrückwirkungen
bezeichnet. Typische Netzrückwirkungen
sind: Erhöhung
der Verlustleistung im Versorgungsnetz und bei anderen Verbrauchern;
Spannungsabfälle
und Kommutierungseinbrüche;
Verformung der Netzspannung; Resonanzerscheinungen im Netz; Störungen bei
benachbarten Baugruppen und Verbrauchern, ggf. durch die vorgenannten
Resonanzerscheinungen.
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Zu
den nichtlinearen Verbrauchern zählen
z.B. Drosseln, Transformatoren und leistungselektronische Baugruppen,
wie Gleichrichter, Wechselrichter, Drehstromsteller usw. Der vermehrte
Einsatz und die immer größeren Leistungen
von leistungselektronischen Baugruppen haben dazu geführt, dass
Normen erarbeitet wurden oder in Vorbereitung sind, die die zulässigen Stromoberschwingungen
in Bezug auf bestimmte Versorgungsnetze spezifizieren, mit dem Ziel,
die Netzrückwirkungen
zu begrenzen.
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Bei
der Reduzierung von Stromoberschwingungen unterscheidet man prinzipiell
netzseitige und gerätetechnische
Maßnahmen.
Zu den netzseitigen Maßnahmen
zählen
z.B. Saugdrosselkreise und aktive Oberschwingungskompensation. Bei
den gerätetechnischen
Maßnahmen
ist beispielsweise die Erhöhung
der Pulszahl von Gleich- und Wechselrichterschaltungen bekannt (12-pulsige
Gleichrichterschaltungen).
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WO-A-0062396
offenbart eine Vorrichtung zum Vermindern von harmonischen Schwingungen,
welches zwischen ein Energieversorgungssystem und einen Verbraucher
geschaltet ist. Die Vorrichtung umfasst eine den Fluss umschaltende
Drosselspule mit mehreren Leitungswicklungen, wobei eine Kondensatorbank zwischen
den Leitungswicklungen der Drosselspule vorgesehen ist. Wenigstens
eine Leitungswicklung ist auf einem Kern in eine erste Polarität orientiert
und wenigstens eine Kompensationswicklung ist auf dem Kern in die
entgegengesetzte Polarität
orientiert und zwischen den Ausgang der ersten Wicklung und der
Last geschaltet. Die von der Leitungswicklung und der Kompensationswicklung
erzeugten entgegengesetzten Flüsse heben
sich auf und vermindern dadurch die Durchgangsreaktanz der Vorrichtung
zwischen der Last und dem Versorgungssystem. Der Eingang einer querverbindenen
Schaltung mit einem Kondensator ist zwischen die Leitungswicklung
und die Kompensationswicklung geschaltet. Die Reaktanz über die
querverbindende Schaltung zum Mittelleiter (oder einer Phase) ist
niedriger als die Reaktanz über
die Leitungswicklung. Ströme
von harmonischen Schwingungen fließen daher über die querverbindende Schaltung
ab und sind in erhöhtem Maße daran
gehindert, in das Energieversorgungssystem einzudringen.
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DE 42 19 214 A1 offenbart
eine Schaltung zur Oberschwingungskompensation, welche zwischen
einen Stromrichter und ein Wechselspannungsnetz geschaltet ist.
Diese Schaltung umfasst eine Duplexdrossel, die eine an den Stromrichter
angeschlossene Primärwicklung
und eine an das Wechselspannungsnetz angeschlossene, antiparallel
zur Primärwicklung
geschaltete Sekundärwicklung
aufweist. Dabei sind die beiden Wicklungen der Duplexdrossel an
einem Anzapfungspunkt zusammengeschaltet, an dem ein auf die zu
dämpfende
Oberwellen im Wesentlichen abgestimmter L-C-Filter angeschlossen
ist, das im einphasigen System gegen Masse, im mehrphasigen System
gegen dessen Mittelpunkt oder im dreiphasigen System im Dreieck
geschaltet ist.
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Beide
vorgenannten System beruhen in erster Linie auf dem Effekt von einer
in die Leitung einer Phase eingeschleiften Spule mit zwei entgegengesetzten
Wicklungen die in Serie geschaltet auf einem gemeinsamen Kern angeordnet
entgegengesetzte, einander aufhebende Flüsse erzeugen, so dass es jeweils
zu einer Verminderung der Reaktanz kommt. Ausgehend von dieser reaktanzvermindernden
Spule werden über
einen L-C-Filter in jeder Phase jeweilige Ströme von Oberschwingungen abgeleitet.
Die Leistungsfähigkeit
dieser Systeme ist jedoch nicht für alle Anwendungen ausreichend.
Außerdem
ist die Spule mit entgegengesetzten, in Serie geschalteten Wicklungen
kostenintensiv und aufwändig
in der Herstellung.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Oberschwingungskompensation
zur Verfügung
zu stellen, welche hinsichtlich Bauraumbedarf und Herstellungskosten
optimiert ist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch
eine Schaltungsanordnung der o.g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten
Merkmalen gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren
Ansprüchen
beschrieben.
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Bei
einer Schaltungsanordnung der o.g. Art ist es erfindungsgemäß vorgesehen,
dass die ersten und zweiten Drosselspulen sowie die dritten Drosselspulen
auf einem mechanisch gemeinsamen Kernbauteil derart angeordnet sind,
dass die dritten Drosselspulen magnetisch von den ersten und zweiten
Drosselspulen entkoppelt sind, wobei jeweils die erste und zweite
Drosselspule einer ersten Induktivität einer Phase aus einer einzigen
Wicklung mit einer mittleren Anzapfung auf einem Abschnitt des Kernbauteils
derart ausgebildet sind, dass diese erste und zweite Drosselspule
magnetisch miteinander gekoppelt sind.
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Dies
hat den Vorteil, dass ein wesentlich geringerer Materialaufwand
erforderlich ist, wobei insbesondere weniger Trafoblech erforderlich
ist. Weiterhin ergibt sich ein stark reduziertes Bauvolumen. Die
Kapazitätswerte
der Kapazitäten
können
gegenüber
herkömmlichen
Ausführungsformen
halbiert werden, wodurch sich eine Reduzierung der kapazitiven Netzbelastung
im Teillastbetrieb ergibt. Insgesamt führen die vorgenannten Vorteile
auch zu geringeren Herstellungskosten.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
weist die Schaltungsanordnung drei dritte Drosselspulen auf, die
jeweils auf einem Schenkel eines E-förmigen ersten Teiles des Kernbauteils
angeordnet sind.
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In
vorteilhafter Weise weist die Schaltungsanordnung drei erste Induktivitäten auf,
wobei die jeweiligen einzigen Wicklungen der ersten und zweiten
Drosselspulen einer ersten Induktivität jeweils auf einem Schenkel
eines E-förmigen
zweiten Teiles des Kernbauteils angeordnet sind.
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Das
erste und zweite E-förmige
Teil des Kernbauteils sind bevorzugt über ein gemeinsames Joch miteinander
verbunden, welches alle freie Enden der Schenkel der E-förmigen Teile
des Kernbauteils miteinander verbindet.
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In
einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind entweder alle
ersten Kapazitäten
an ihren jeweiligen von der zweiten Drosselspule abgewandten Enden
miteinander verbunden. Alternativ sind drei erste Kapazitäten vorgesehen,
wobei eine der ersten Kapazitäten
eine zweite Drosselspule einer ersten Phase mit einer zweiten Drosselspule
einer dritten Phase, eine der ersten Kapazitäten eine zweite Drosselspule
der ersten Phase mit einer zweiten Drosselspule einer zweiten Phase
und eine der ersten Kapazitäten
eine zweite Drosselspule der dritten Phase mit einer zweiten Drosselspule
der zweiten Phase verbindet.
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In
besonders vorteilhafte Weise sind alle zweiten Kapazitäten an ihren
jeweils von den ersten und zweiten Drosselspulen abgewandten Enden
miteinander verbunden. Alternativ sind drei zweite Kapazitäten vorgesehen,
wobei eine der zweiten Kapazitäten
erste und zweite Drosselspule einer ersten Phase mit erster und
zweiter Drosselspule einer dritten Phase, eine der zweiten Kapazitäten erste
und zweite Drosselspule der ersten Phase mit erster und zweiter
Drosselspule einer zweiten Phase und eine der zweiten Kapazitäten erste und
zweite Drosselspule der dritten Phase mit erster und zweiter Drosselspule
der zweiten Phase verbindet.
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Der
Verbraucher ist beispielsweise ein gesteuerter oder ungesteuerte
Wechselrichter oder ein gesteuerter oder ungesteuerte einphasiger
Gleichrichter, insbesondere ein B2-Gleichrichter, ein gesteuerter
oder ungesteuerte dreiphasiger Gleichrichter, insbesondere ein M6-,
M3- oder B6-Gleichrichter, ein gesteuerter oder ungesteuerte höherphasiger
Gleichrichter, insbesondere ein M12-, M18-, B12-Gleichrichter, oder
ein Wechselrichter.
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Dem
Verbraucher ist in besonders vorteilhafter Weise ein Siebkondensator
nachgeschaltet.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese
zeigt in:
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1 ein
schematisches Schaltbild einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
und
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2 eine
schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform eines Kernbauteils
mit den darauf angeordneten Drosselspulen für die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
gemäß 1.
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Die
in der 1 beispielhaft dargestellte bevorzugte Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung
für einen
nichtlinearen Verbraucher 12 an einem Versorgungsnetz 14 mit
drei Phasen 16, 18, 20 umfasst für jede Phase 16, 18, 20 eine
erste Induktivität 24 und
eine erste Kapazität 26.
Die erste Induktivität 24 umfasst
jeweils für
jede Phase 16, 18, 20 eine erste Drosselspule 28 und
eine zweite Drosselspule 30. Die Drosselspulen 28, 30 sind
in Reihe geschaltet. Die jeweilige erste Drosselspule 28 ist
mit der jeweiligen Phase 16, 18, 20 verbunden,
die jeweilige zweite Drosselspule 30 ist an einer Seite
mit der jeweiligen ersten Drosselspule 28 und an der anderen
Seite mit der jeweiligen ersten Kapazität 26 verbunden. Es sind
in der dargestellten Ausführungsform
drei erste Kapazitäten 26 vorgesehen,
wobei eine der ersten Kapazitäten 26 eine
zweite Drosselspule 30 einer ersten Phase mit einer zweiten
Drosselspule 30 einer dritten Phase, eine andere der ersten
Kapazitäten 26 die
zweite Drosselspule 30 der ersten Phase mit einer zweiten
Drosselspule 30 einer zweiten Phase und eine weitere der
ersten Kapazitäten 26 die
zweite Drosselspule 30 der dritten Phase mit der zweiten
Drosselspule 30 der zweiten Phase verbindet. Auf diese
Weise sind die ersten Kapazitäten 26 deltaförmig angeordnet.
Alternativ sind gemäß einer
nicht dargestellten Ausführungsform
alle ersten Kapazitäten 26 an
ihren jeweiligen von der zweiten Drosselspule 30 abgewandten
Enden miteinander verbunden.
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Zwischen
den ersten und zweiten Drosselspulen 28, 30 ist
jeweils eine zweite Kapazität 34 angeschlossen.
Es sind in der dargestellten Ausführungsform drei zweite Kapazitäten 34 vorgesehen,
wobei eine der zweiten Kapazitäten 34 erste
und zweite Drosselspule 28, 30 einer ersten Phase
mit erster und zweiter Drosselspule 28, 30 einer
dritten Phase, eine andere der zweiten Kapazitäten 34 erste und zweite
Drosselspule 30 der ersten Phase mit erster und zweiter
Drosselspule 30 einer zweiten Phase und eine weitere der
zweiten Kapazitäten 34 erste
und zweite Drosselspule 30 der dritten Phase mit erster
und zweiter Drosselspule 30 der zweiten Phase verbindet.
Auf diese Weise sind die zweiten Kapazitäten 34 deltaförmig angeordnet.
Alternativ sind gemäß einer
nicht dargestellten Ausführungsform
die zweiten Kapazitäten 34 an
ihren jeweiligen von den Drosselspulen 28, 30 abgewandten
Enden an einem Punkt miteinander verbunden.
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Eingeschleift
in jede Phase 16, 18, 20 sind dritte
Drosselspulen 38 zwischen dem Versorgungsnetz 14 und
den Anschlusspunkten 40 der ersten Drosselspulen 28.
Diese leisten ebenfalls einen Beitrag zur Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.
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Aus
dem Versorgungsnetz fließt
der Netzstrom IO und an den Verbraucher
fließt
der Verbraucherstrom IV. Diese Schaltungsanordnung
bewirkt, dass den oberschwingungsbehafteten Strömen IV des
nichtlinearen Verbrauchers 12 je Phase ein Kompensationsstrom
bzw. Reaktanzzweipolstrom I1 addiert und
subtrahiert wird. Dies führt
dazu, dass die dem Versorgungsnetz 14 entnommenen Ströme IV nur noch einen geringen Oberschwingungsanteil
aufweisen.
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In
der Ausführungsform
von 1 ist beispielhaft als nichtlinearer Verbraucher
eine ungesteuerte B6-Gleichrichterschaltung mit einem Phasennennstrom
von 35A vorgesehen, wobei die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung dementsprechend
dimensioniert ist. Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung umfasst
einen Reaktanz-Zweipol, der pro Phase 16, 18, 20 aus
drei Induktivitäten 28, 30, 38 und
zwei Kapazitäten 30, 34 besteht.
Daraus folgt, dass die Funktion des Blindwiderstandes in Abhängigkeit
von der Frequenz sechs Pole und Nullstellen aufweist und dass der
Blindwiderstand positive und negative Werte annimmt, was einer Energieaufnahme
und einer Energieabgabe entspricht.
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Die
Kapazitätswerte
der ersten und zweiten Kapazitäten
26,
34 sowie
die Induktivitätswerte
der ersten, zweiten und dritten Drosselspulen
28,
30,
38 sind
derart dimensioniert, dass die Nullstellen und Pole der Funktion
des Blindwiderstands auf das jeweilige Oberschwingungsspektrum des
Verbraucherstromes I
V abgestimmt sind. Nachfolgend
sind lediglich beispielhaft konkrete Zahlenwerte für Induktivitäten und
Kapazitäten angeben.
Diese lediglich beispielhafte Dimensionierung gilt für einen
Verbraucherstrom I
V = 35A.
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2 zeigt
ein erfindungsgemäß ausgebildetes
Kernbauteil 50, welches als mechanisch gemeinsamer Kern
für alle
Drosselspulen 28, 30 und 38 vorgesehen
ist. Dieses Kernbauteil 50 umfasst ein erstes E-förmiges Teil 52,
wobei jeweils eine der dritten Drosselspulen 38 an einem
der Schenkel 54 des ersten E-förmigen Teils 52 angeordnet
ist, ein zweites E-förmiges
Teil 56, wobei jeweils eine erste und zweite Drosselspule 28, 30 einer
Phase 16, 18, 20 an einem der Schenkel 58 des
zweiten E-förmigen
Teils 56 angeordnet ist, und ein Joch 60, welches
alle freie Enden der Schenkel 54, 58 der E-förmigen Teile 52, 56 des
Kernbauteils 50 miteinander verbindet. Auf diese Weise
sind die ersten und zweiten Drosselspulen 28, 30 sowie
die dritten Drosselspulen 38 aller Phasen 16, 19, 20 auf
einem mechanisch gemeinsamen Kernbauteil 50 derart angeordnet, dass
die dritten Drosselspulen 38 magnetisch von den ersten
und zweiten Drosselspulen 28, 30 entkoppelt sind.
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Die
erste und zweite Drosselspule 28, 30 jeweils einer
ersten Induktivität 24 einer
Phase 16 bzw. 18 bzw. 20 sind aus einer
einzigen, in sich gleichgerichteten Wicklung mit einer mittleren
Anzapfung auf einem Schenkel 58 des zweiten E-förmigen Teils 56 des
Kernbauteils 50 derart ausgebildet, dass diese erste und zweite
Drosselspule 28, 30 einer ersten Induktivität 24 einer
Phase 16 bzw. 18 bzw. 20 magnetisch miteinander gekoppelt
sind.
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Die
eingangs genannten Gleichrichter und Wechselrichter werden beispielsweise
in Frequenzumrichtern, USV-Anlagen, Batterieladegeräten, Netzteilen,
Gleichspannungsversorgungen, Stromrichtern, Gleichstromantrieben,
Servoantrieben u.v.m. eingesetzt.
ist, mit
