-
Bereich der Erfindung
-
Die Erfindung bezieht sich auf eine Filteranordnung.
-
Hintergrund der Erfindung
-
Ein Wechselrichter ist ein elektrisches Gerät, das Gleichspannung in Wechselspannung mit einer variablen Frequenz umwandeln kann. Wechselrichter können bei Motoren oder ähnlichen Lasten für deren Steuerung mit einer veränderlichen Frequenz verwendet werden. Ein solcher einen Motor speisender Wechselrichter wird im Allgemeinen als Motorrichter bezeichnet. Wechselrichter können beispielsweise in der Übertragung von elektrischer Leistung in ein Wechselstromnetz verwendet werden, wobei der Wechselrichter eine Spannung, deren Frequenz der des Netzes entspricht, erzeugen muss. Ein solcher in ein Netz einspeisender Wechselrichter wird im Allgemeinen als Netzwechselrichter bezeichnet. Ein Wechselrichter kann auch ein Teil eines Frequenzumrichters sein, der zum Beispiel für die Steuerung eines Motors oder einer anderen Last verwendet wird.
-
1 zeigt ein Beispiel für einen dreiphasigen Wechselrichter 10, der einen positiven Gleichspannungsanschluss DC+, einen negativen Gleichspannungsanschluss DC– und Ausgangsanschlüsse ACa, ACb, ACc der drei Phasen aufweist. Der Hauptstromkreis des Wechselrichters 10 kann eine Halbleiterschalterbrücke und einen Gleichspannungsteil aufweisen, das eine Kapazität C aufweist, die zwischen dem positiven Gleichspannungsanschluss DC+ und dem negativen Gleichspannungsanschluss DC– geschaltet ist. Die Kapazität C des Gleichspannungsteils des Wechselrichters 10 kann aus einem oder mehreren Kondensatoren bestehen. Ein dreistufiger Wechselrichter hat im Gleichspannungsteil auch einen neutralen Gleichspannungspol, der die Kapazität C des Gleichspannungsteils des Wechselrichters 10 in zwei Teile unterteilt.
-
Ein mit der Verwendung eines Wechselrichters zusammenhängendes Problem sind Störungen, die er in einem mit dem Wechselrichter verbundenen elektrischen System verursacht. Die im Wechselrichter stattfindende Modulation erzeugt typisch eine Hochfrequenz-Gleichtaktspannung (common mode), d. h. eine als Summe der Phasen gegen Erde befindliche Spannung, und eine Gegentaktspannung (differential mode), d. h. eine zwischen den Phasen befindliche Spannung, am Ausgang des Wechselrichters.
-
Durch die Spannungen verursachte modulationsfrequente Ströme können das restliche mit dem Wechselrichter verbundene elektrische System stören.
-
Kurze Beschreibung der Erfindung
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anlage derart zu entwickeln, dass das oben erwähnte Problem gelöst oder wenigstens gemildert werden kann. Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine Filteranordnung und eine Wechselrichteranordnung erreicht, die dadurch gekennzeichnet sind, was in den unabhängigen Schutzansprüchen angegeben wird. Die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung sind der Gegenstand der abhängigen Schutzansprüche.
-
Die Erfindung basiert darauf, dass die Filteranordnung eine Filterkopplung von sowohl Gleichtakt- als auch Gegentaktstörungen aufweist.
-
Die erfindungsgemäße Lösung weist den Vorteil auf, dass sie, wenn sie mit einem Wechselrichter verbunden ist, die Filterung von sowohl Gleichtakt- als auch Gegentaktstörungen mit einer einfachen Struktur ermöglicht. Die Lösung der Erfindung weist weiterhin den Vorteil auf, dass sie auch nachträglich mit dem Wechselrichter verbunden werden kann, was den Anwendungsbereich/die Anwendbarkeit und die Lebensdauer des existierenden Wechselrichters erweitert, ohne dass Änderungen im Wechselrichter selbst gemacht werden müssen.
-
Kurze Beschreibung der Figuren
-
Die Erfindung wird jetzt in Zusammenhang mit bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlicher erläutert, von denen:
-
1 ein Beispiel für einen Wechselrichter gemäß einer Ausführungsform zeigt;
-
2 ein Beispiel für eine Filteranordnung gemäß einer Ausführungsform zeigt;
-
3 ein Beispiel für eine Filteranordnung gemäß einer Ausführungsform zeigt;
-
4 ein Beispiel für eine Filteranordnung gemäß einer Ausführungsform zeigt;
-
5 ein Beispiel für eine Filteranordnung gemäß einer Ausführungsform zeigt;
-
6 ein Beispiel für eine Filteranordnung gemäß einer Ausführungsform zeigt; und
-
7 ein Beispiel für eine Wechselrichteranordnung gemäß einer Ausführungsform zeigt.
-
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
-
Das Anwenden der Erfindung ist auf kein bestimmtes System beschränkt, sondern die Erfindung kann in Verbindung mit verschiedenen elektrischen Systemen angewandt werden, in denen Wechselrichter eingesetzt werden. Außerdem ist die Verwendung der Erfindung nicht auf eine bestimmte Grundfrequenz ausnutzende Systeme oder auf einen bestimmten Spannungspegel beschränkt.
-
2 zeigt ein Beispiel für eine Filteranordnung 20 gemäß einer Ausführungsform. Die Filteranordnung nach dem Beispiel weist einen Eingangsanschluss AC1a einer ersten Phase, einen Eingangsanschluss AC1b einer zweiten Phase und einen Eingangsanschluss AC1c einer dritten Phase auf. Diese Eingangsanschlüsse AC1a, AC1b, AC1c der Filteranordnung 20 sind vorzugsweise angeordnet, mit Ausgangsanschlüssen eines Wechselrichters verbunden zu werden. Weiterhin weist die Filteranordnung nach dem Beispiel einen Ausgangsanschluss AC2a der ersten Phase, einen Ausgangsanschluss AC2b der zweiten Phase und einen Ausgangsanschluss AC2c der dritten Phase auf. Diese Ausgangsanschlüsse AC2a, AC2b, AC2c der Filteranordnung 20 sind vorzugsweise angeordnet, mit einer Last verbunden zu werden. Somit kann die Last mit dem Wechselrichter über die Filteranordnung 20 gespeist werden. Die Filteranordnung des Beispiels weist auch noch einen positiven Gleichspannungsanschluss DC1 und einen negativen Gleichspannungsanschluss DC2 auf. Diese Gleichspannungsanschlüsse DC1, DC2 der Filteranordnung 20 sind vorzugsweise angeordnet, mit den Gleichspannungsanschlüssen des Wechselrichters verbunden zu werden.
-
3 bis 6 zeigen Beispiele für eine Filteranordnung 20 gemäß einigen Ausführungsformen. Wie die Beispiele zeigen, weist gemäß einer Ausführungsform der Erfindung die Filteranordnung eine erste Induktanz L1a und eine erste Kapazität Ca auf, die zwischen dem Eingangsanschluss AC1a der ersten Phase und einem ersten Schaltpunkt A in Serie geschaltet sind, wo der Anschlusspunkt zwischen der ersten Induktanz L1a und der ersten Kapazität Ca mit dem Ausgangsanschluss AC2a der ersten Phase verbunden ist. Die Filteranordnung weist ferner eine zweite Induktanz L1b und eine zweite Kapazität Cb auf, die zwischen dem Eingangsanschluss AC1b der zweiten Phase und dem ersten Schaltpunkt A in Serie geschaltet sind, wo der Anschlusspunkt zwischen der zweiten Induktanz L1b und der zweiten Kapazität Cb mit dem Ausgangsanschluss AC2b der zweiten Phase verbunden ist. Die Filteranordnung weist ferner eine dritte Induktanz L1c und eine dritte Kapazität Cc auf, die zwischen dem Eingangsanschluss AC1c der dritten Phase und dem ersten Schaltpunkt A in Serie geschaltet sind, wo der Anschlusspunkt zwischen der dritten Induktanz L1c und der dritten Kapazität Cc mit dem Ausgangsanschluss AC2c der dritten Phase verbunden ist. Die Filteranordnung weist noch eine vierte Kapazität Cdc1 und eine fünfte Kapazität Cdc2 auf, die zwischen einem positiven (+) Gleichspannungsanschluss DC1 und einem negativen (–) Gleichspannungsanschluss DC2 in Serie geschaltet sind, wo der Anschlusspunkt zwischen der vierten Kapazität Cdc1 und der fünften Kapazität Cdc2 mit dem ersten Schaltpunkt A verbunden ist.
-
Gemäß einer Ausführungsform ist der Anschlusspunkt zwischen der ersten Induktanz L1a und der ersten Kapazität Ca direkt mit dem Ausgangsanschluss AC2c der ersten Phase verbunden, der Anschlusspunkt zwischen der zweiten Induktanz L1b und der zweiten Kapazität Cb ist direkt mit dem Ausgangsanschluss AC2b der zweiten Phase verbunden und der Anschlusspunkt zwischen der dritten Induktanz L1c und der dritten Kapazität Cc ist direkt mit dem Ausgangsanschluss AC2c der dritten Phase verbunden. 3 und 4 veranschaulichen eine solche Ausführungsform.
-
Gemäß einer Ausführungsform, wie in 5 und 6 veranschaulicht wird, weist die Filteranordnung eine vierte Induktanz L2a, eine fünfte Induktanz L2b und eine sechste Induktanz L2c in der Weise auf, dass der Anschlusspunkt zwischen der ersten Induktanz L1a und der ersten Kapazität Ca über die vierte Induktanz L2a mit dem Ausgangsanschluss AC2c der ersten Phase verbunden ist, der Anschlusspunkt zwischen der zweiten Induktanz L1b und der zweiten Kapazität Cb über die fünfte Induktanz L2b mit dem Ausgangsanschluss AC2b der zweiten Phase verbunden ist und der Anschlusspunkt zwischen der dritten Induktanz L1c und der dritten Kapazität Cc über die sechste Induktanz L2c mit dem Ausgangsanschluss AC2c der dritten Phase verbunden ist.
-
Gemäß einer Ausführungsform ist der Anschlusspunkt zwischen der vierten Kapazität Cdc1 und der fünften Kapazität Cdc2 direkt mit dem ersten Schaltpunkt A verbunden. 3 und 5 veranschaulichen eine solche Ausführungsform.
-
Gemäß einer Ausführungsform, wie in 4 und 6 veranschaulicht wird, weist die Filteranordnung eine erste Impedanz Z in der Weise auf, dass der Anschlusspunkt zwischen der vierten Kapazität Cdc1 und der fünften Kapazität Cdc2 über die erste Impedanz Z mit dem ersten Schaltpunkt A verbunden ist. Die erste Impedanz Z kann induktiv, ohmsch, kapazitiv oder eine Kombination von diesen sein.
-
Gemäß einer Ausführungsform weist jede Induktanz der Filteranordnung eine oder mehrere Spulen (Drosseln) auf. Weiterhin weist gemäß einer Ausführungsform jede Kapazität der Filteranordnung einen oder mehrere Kondensatoren auf. Die mögliche erste Impedanz Z kann ihrerseits eine oder mehrere Spulen und/oder einen oder mehrerer Widerstände und/oder einen oder mehrere Kondensatoren aufweisen.
-
Durch die in den Ausführungsformen der 3 bis 6 dargestellte Filteranordnung können eine zwischen den Phasen befindliche Gegentakt-Wellenform und eine als Summe der Phasen gegen Erde befindliche Gleichtakt-Wellenform einer pulsbreitenmodulierten Spannung des Wechselrichters gefiltert werden. Das Objekt der Filterung ist vorzugsweise der modulationsfrequente Spannungsrippel.
-
Die Idee ist, Spannungen der phasenspezifischen Kondensatoren der Filteranordnung so sinusförmig wie möglich auszubilden, wobei auch die Gegentaktspannung, der die Last ausgesetzt ist, sinusförmig ist. Das passiert vorzugsweise in Zusammenhang mit AC-Induktanzen L1a, L1b, L1c und AC-Kapazitäten Ca, Cb, Cc der Filteranordnung. Je nach dem Lasttyp können der Lastseite der Filteranordnung noch Filterinduktanzen L2a, L2b, L2c (5 und 6) hinzugefügt werden, um Lastströme zu filtern. Weil es gewünscht ist, dass die Filteranordnung auch die von der Modulation verursachte hochfrequente Gleichtaktspannung gegen Erde eliminiert, hat die Filteranordnung auch einen Gleichtakt-Strompfad. Er besteht vorzugsweise aus den AC-Induktanzen L1a, L1b, L1c, den AC-Kapazitäten Ca, Cb, Cc und den Kreis schließenden DC-Kapazitäten Cdc1, Cdc2. Zwischen den AC- und DC-Kapazitäten kann auch die Impedanz Z (4 und 6) hinzugefügt werden, mit der die Filterung des Gleichtaktsignals ohne Wirkung auf die Gegentaktfilterung geändert werden kann. Die DC-Kapazitäten Cdc1, Cdc2 teilen den Rückweg des Gleichtaktsignals unter dem positiven und dem negativen DC-Pol. Die Spannungsunterteilung der DC-Kapazitäten der Filteranordnung folgt direkt der Nullkomponente der modulierten Dreiphasen-Spannung, was sie im Gleichgewicht hält. Falls stabiles Ungleichgewicht vorkommen sollte, kann es durch die Modulation korrigiert werden.
-
Vorzugsweise zirkuliert die Filteranordnung also modulationsfrequente Ströme, so dass sie das restliche elektrische System nicht stören. Gegentaktströme kreisen über die AC-Induktanzen L1a, L1b, L1c und die AC-Kapazitäten Ca, Cb, Cc. Gleichtaktströme kreisen über die AC-Induktanzen L1a, L1b, L1c, die AC-Kapazitäten Ca, Cb, Cc und die DC-Kapazitäten Cdc1, Cdc2. Die Filterung des Gleichtakt-Spannungsrippels entfernt die gegen Erde befindlichen Pulse mit hoher dv/dt, die kapazitive Leckströme via verschiedene Streukapazitäten des elektrischen Kreises verursachen. Ein zentraler Vorteil der Filteranordnung sind im Elektroantrieb zu erreichende sinusförmige Phasen-/Hauptspannungen wesentlich ohne Gleichtaktspannung auf der PWM-Frequenz in Bezug auf Erdpotential. Aus diesem Grund kommen in der Anlage nicht mehr beträchtliche Lagerströme oder andere Erdschlussströme (beispielsweise über Erdkapazitäten von Solarpaneelen) vor, was eine preiswertigere Verkabelung (Einphasen-Kabeln anstatt von armierten Dreiphasen-Kabeln) und eine reine Kundenspannung in Netznachbildungs-/Inselbetriebsanwendungen ermöglicht.
-
Die Filteranordnung gemäß den oben dargestellten Ausführungsformen kann mit einem konventionellen dreiphasigen Wechselrichter ohne im Wechselrichter auszuführende Veränderungen und somit ohne wesentliche zusätzliche Kosten verbunden werden. Auf diese Weise kann der Wechselrichter selbst möglichst einfach ausgebildet werden und sein Anwendungsbereich mit einer zusätzlichen Filterung erweitert werden. Die Filteranordnung gemäß den oben dargestellten Ausführungsformen kann auch zum Beispiel einem alten, schon in Gebrauch befindlichen Wechselrichter hinzugefügt werden. 7 zeigt eine Wechselrichteranordnung gemäß einer Ausführungsform. Die Wechselrichteranordnung des Beispiels weist einen dreiphasigen Wechselrichter 10 und eine Filteranordnung 20 auf. Die Filteranordnung 20 kann gemäß einer der oben beschriebenen Ausführungsformen sein. Der Wechselrichter 10 kann ein zwei- oder dreistufiger Wechselrichter sein, der eine sechste Kapazität C aufweist, die zwischen dem positiven Gleichspannungsanschluss DC+ und dem negativen Gleichspannungsanschluss DC– des Wechselrichters geschaltet ist. Die Kapazität C des Wechselrichters 10 kann aus einem oder mehreren Kondensatoren bestehen. In der Wechselrichteranordnung nach dem Beispiel ist der Eingangsanschluss AC1a der ersten Phase der Filteranordnung 20 mit dem Ausgangsanschluss ACa der ersten Phase des Wechselrichters 10 verbunden, der Eingangsanschluss AC1b der zweiten Phase der Filteranordnung ist mit dem Ausgangsanschluss ACb der zweiten Phase des Wechselrichters verbunden, der Eingangsanschluss AC1c der dritten Phase der Filteranordnung ist mit dem Ausgangsanschluss ACc der dritten Phase des Wechselrichters verbunden, der positive Gleichspannungsanschluss DC1 der Filteranordnung ist mit dem positiven Gleichspannungsanschluss DC+ des Wechselrichters verbunden und der negative Gleichspannungsanschluss DC2 der Filteranordnung ist mit dem negativen Gleichspannungsanschluss DC– des Wechselrichters verbunden. Die Wechselrichteranordnung kann ferner eine Last (nicht in der Figur dargestellt) aufweisen oder damit verbunden sein, die mit den Ausgangsanschlüssen AC2a, AC2b, AC2c der ersten, zweiten und dritten Phase der Filteranordnung 20 verbunden ist. Somit kann der Wechselrichter 10 die Last über die Filteranordnung 20 speisen. Die Last kann eine beliebige Last, zum Beispiel ein Motor oder ein dreiphasiges elektrisches System wie ein elektrisches Netz, sein.
-
Da Störströme des elektrischen Systems innerhalb des Wechselrichters 10 und der Filteranordnung 20 zirkuliert werden, können Strombeläge, denen der Wechselrichter ausgesetzt ist, etwas größer werden. Das ist aber nicht bemerkenswert im Vergleich zu anderen im System zu erreichenden Vorteilen, die oben beschrieben wurden. Ein bedeutender Vorteil der dargestellten Filteranordnung 20 ist, dass die Gleichtaktfilterung den Kondensator/die Kondensatoren der DC-Kapazität C des Wechselrichters 10 gar nicht belastet, weil Filterstrom über die Kondensatoren der DC-Kapazitäten Cdc1, Cdc2 der Filteranordnung 20 kreist, die von dem Kondensator/den Kondensatoren der DC-Kapazität C des Wechselrichters 10 getrennt sind. Dabei bleibt die Lebensdauer des Kondensators/der Kondensatoren der Kapazität C des Wechselrichters 10 unverändert in Bezug auf die ursprüngliche Bemessung. Aus diesem Grund ist es sinnvoll, die Filteranordnung 20 als solche auch zum Beispiel in 3-stufigen Wechselrichtern zu verwenden, obwohl sie einen fertigen Rückweg für die Gleichtaktfilterung über den Mittelpunkt des Zwischenkreises hätten.
-
Die Filteranordnung kann je nach dem Fall jeweils in einer zweckmäßigen Hülse eingekapselt werden. Zum Beispiel 2 zeigt eine solche Lösung, in der sich die gesamte Filteranordnung 20 in einem Gehäuse befindet. Alternativ können verschiedene funktionelle Komponenten der Filteranordnung als geeignete Teilgesamtheiten gruppiert werden, wobei die gesamte Filteranordnung mehrere separate miteinander verbundene Teile aufweisen kann. Zum Beispiel können sich die DC-Kondensatoren in einem Gehäuse/Modul und die AC-Kondensatoren in einem anderen Gehäuse/Modul befinden. Es ist auch möglich, dass sich zum Beispiel alle Kondensatoren in ihren eigenen Gehäuse/Modul befinden und die Spulen in ihren Gehäuse/Modul sind.
-
Für einen Fachmann ist offensichtlich, dass, wenn die Technologie Fortschritte macht, der Grundgedanke der Erfindung auf viele verschiedene Weisen verwirklicht werden kann. Die Erfindung und ihre Ausführungsformen sind somit nicht auf die oben beschriebenen Beispiele beschränkt, sondern können im Rahmen der Schutzansprüche variieren.
