DE2733930C2 - Tiefpaßfilter - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Tiefpaßfilter für Gleichströme oder für Wechselströme mit Netzfrequenz, das auf einer Drosselspule im Längszweig und einem Kondensator im Querzweig aufgebaut ist, wobei die durch die Längsinduktivität und die Querkapazität bestimmte Resonanzfrequenz des Filters größer ist als die Netzfrequenz.

Aus U.Tietze, Ch. Sciienk: t Halbleiter-Schaltungstechnik«, zweite Auflage, Berlin — Heidelberg — New York, 1971, Seite 39, ist eir Glättungsglied aus einer Längsinduktivität und einer Querkapazität bekannt Derartige Anordnungen werden als Tiefpaßfilter für Gleichströme oder für Wechselströme mit Netzfrequenzen von 1 6²Aj Hz, 50 Hz oder 60 Hz zur Dämpfung von unerwünschten Oberschwingungen in Gleichspannungs- oder Wechselspannungsnetzen eingesetzt Sie sollen einander widersprechende Forderungen erfüllen. Einerseits sollen bei der Netzfrequenz die Verluste möglichst klein sein. Andererseits sollen die Eigenschwingungen des Filters möglichst stark bedämpft sein, damit bei Schaltvorgängen, insbesondere einer Zu- oder Abschaltung der Last, die Ausgangsspannung des Filters möglichst schnell wieder auf einem vorgegebenen Wert stabilisiert wird. Eine gute Dämpfung der Eigenschwingungen eines Tiefpaßfilters könnte durch eine ständig angeschlossene Grundlast erreicht werden. Hierdurch würden jedoch ständig Verluste auftreten.

In der DE-PS 7 24 058 ist vorgeschlagen, der Längsinduktivität einen Widerstand parallel zu schalten und die Größenverhältnisse von Längsinduktivität und Widerstand so zu wählen, daß die höherfrequenten Stromanteile infolge des verhältnismäßig hohen ohmschen Widerstandes stark gedämpft werden, aber der grundfrequente Strom mit einem entsprechend geringeren Widerstand durch die parallel geschaltete, mit verhältnismäßig kleiner Induktivität behaftete Drosselspule fließt. Die dabei infolge des ohmschen Widerstandes auftretenden Verluste bei Netzfrequenz sind jedoch nicht völlig vernachlässigbar.

Aus der nicht-vorveröffentlichten DE-OS 27 19 805 ist es bekannt, einem Pulswechselrichter auf der Netzspannungs-Eingangsseite eine Längsinduktivität und eine Querkapazität vorzuschalten, die so bemessen sind, daß die Resonanzfrequenz dieser Anordnung größer ist als die Netzfrequenz, aber geringer als die Pulsfrequenz des Stromrichters,

In der DE-AS 10 78 642 wird vorgeschlagen, zur Brummspannungskompensation an einem Einweggleichrichter, dem gleichspann.ungsseitig eine Längsinduktivität und eine Querkapazität nachgeschaltet ist, parallel zum Einvregglejchrichter und der Längsinduktivität eine Reihenschaltung aus einem ohmschen Widerstand und

ίο einem Kondensator zu legen, die als Spannungsteiler für die Eingangs-Wechselspannung dient und es ermöglicht, die am Filterausgang vorhandene Rest-Brummspannung zu kompensieren. Diese Anordnung ist verhältnismäßig aufwendig und in ihrer Einsatzmöglichkeit begrenzt

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Tiefpaßfilter möglichst einfacher Bauart zu schaffen, das bei einer hohen Dämpfung der Eigenschwingungen des Filters möglichst geringe Verluste bei Netzfrequenz bedingt

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst daß die Drosselspule im Längszweig eine aus mehr als zwei Wicklungsschichten derart aufgebaute Wicklung aufweist daß ihr Wechselstromwiderstand bei über die Netzfrequenz steigenden Frequenzen stark zunimmt

Durch die Wahl einer Resonanzfrequenz, die größer ist als die Netzfrequenz, beispielsweise durch eine Resonanzfrequenz von 300 Hz bei einer Netzfrequenz von 50 Hz oder eine Resonanzfrequenz von 360 Hz bei einer Netzfrequenz von 60 Hz, weist das Filter eine gute Dynamik auf. Bei der mehrlagig ausgeführten Wicklung der Längsdrossel nehmen wegen des Effekts der Stromverdrängung die Kupferverluste im Leitermaterial mit zunehmender Frequenz stark zu. Hierdurch treten bei Netzfrequenz nur geringe Verluste auf, bei höheren Frequenzen erfolgt jedoch eine gute Dämpfung der Eigenschwingungen des Filters, da bei höheren Frequenzen der Wechselstromwiderstand einer derartigen Längsdrossel durch die Stromverdrängung über-

proportional stark anwächst.

Das folgende Zahlenbeispiel so!! einen Eindruck von dem Erfolg vermitteln, der sich mit einem erfindungsgemäßen Tiefpaßfilter erreichen läßt:
Ein für eine Netzfrequenz von 50 Hz vorgesehenes Tiefpaßfilter mit einer Resonanzfrequenz von 300 Hz und mit einer Längsdrossel mit einem Leiterquerschnitt von 4x8 mm und mit vier übereinander angeordneten Wicklungsschichten hat bei der Resonanzfrequenz bereits einen um eine Größenordnung (Faktor 10)

größeren Wechselstromwiderstand als bei der Netzfrequenz. Bekannte Wechselrichterfilter haben Drosselspulen mit einlagigen oder zweitägigen Wicklungen. Der Effekt der Stromverdrängung bei höheren Frequenzen ist dabei noch nicht soweit ausgeprägt, daß sich

ein zur Dämpfung praktisch ausnutzbaren Anstieg des Wechselstromwiderstandes zeigt. Erst bei drei und insbesondere bei vier Wicklungslagen ergeben sich die angestrebten Vorteile. Drosselspulen mit aus bandförmigen Leitermaterial hergestellten vielschichtigen

Wicklungen sind für ein erfindungsgemäßes Tiefpaßfilter nicht geeignet, da der Stromverdrängungseffekt im bandförmigen Leitermaterial viel zu gering ist, um einen nennenswerten Anstieg des Wechselstromwiderstandes bei zunehmender Frequenz hervorzurufen. Die Erfin-

dung besteht somit in der gezielten Umsetzung des bekannten Effekts der Stromverdrängung in Wechselrichterfilter mit neuen und vorteilhaften Eigenschaften. Eine bevorzugte Anwendung der Erfindung besteht

bei Filtern am Ausgang von Wechselrichtern, welche die rechteckförmige Ausgangsspannung eines statischen Wechselrichters in eine sinusförmige Wechselspannung umformen. FDr einen derartigen Anwendungsfall kann das erfindungsgemäße Tiefpaßfilter mit Saugkreisen und/oder Sperrkreisen erweitert werden oder auch zu einem Bandpaßfilter ergänzt werden. Ein erfindungsgemäßes Tiefpaßfilter kann auch als Gleichstromfilter am Eingang eines Wechselrichters oder eines Gleichstromstellers eingesetzt werden, um die Rückwirkungen auf die Gleichspannungsquelle zu vermindern. Der Erfindungsgedanke ist auch anwendbar für Filter, bei denen die Streureaktanz eines Transformators als Längsinduktivität ausgenützt wird. Bei dieser Ausgestaltung der Erfindung wird der Transformator in entsprechender Weise ausgelegt

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 eine Wechselrichterschaltung mit einem Eingangsfilter und einem Ausgangsfilier,

F i g. 2 einen Querschnitt durch eine Drosselspule für ein erfindungsgemäßes Tiefpaßfilter.

F i g. 1 zeigt eine Wechselrichteranordnung zur Speisung eines Wechselstromverbrauchers 11 aus einer Gleichspannungsquelle 1. Die Gleichspannungsquelle 1 ist mit dem Symbol einer Batterie dargestellt Es kann sich jedoch bei der Gleichspannungsquelle insbesondere auch um eine Gleichrichterschaltung handeln. Der Wechselrichter ist symbolisch mit zünd- und loschbaren Ventilen 4,5,6,7 dargestellt Zwischen den Mittelpunkten der Ventilzweige mit den Ventilen 4, 6 und den Ventilen 5, 7 liegt die Primärwicklung eines Wechselrichtertransformators 8.

Zwischen der Gleichspannungsquelle 1 und dem Wechselrichter ist ein Eingangsfilter mit einer Längsdrossel 2 und einem Querkondensator 3 angeordnet.

Das Eingangsfilter stellt einen Vierpol mit den Eingangsklemmen a, b und den Ausgangsklemmen c, d dar. Das Eingangsfilter hat die Aufgabe, die durch die Schalt- und Kommutierungsvorgänge im Wechselrichter entstehenden Rückwirkungen auf die Gleichspannungsquelle 1 zu dämpfen. Hierzu wird die Induktivität der Längsdrossel 2 und die Kapazität des Querkondensators 3 so gewählt, daß sich eine Resonanzfrequenz von beispielsweise 100 Hz ergibt Als Netzfrequenz ist bei einem Gleichstromfilter eine Frequenz von 0 Hz anzusehen. Die Längsdrossel 2 erhält eine mehrlagige Wicklung in der Art wie sie später näher beschrieben wird.

Das Wechselrichterfilter mit den Eingangsklemmen e,

is f und den Ausgangsklemmen g, h ist ebenfalls als Tiefpaßfilter aufgebaut Die Induktivität der Längsdrossel 9 und die Kapazität des Kondensators 10 sind so gewählt daß sich bei einer Frequenz der Wechselrichterausgangsspannung von beispielsweise 50 Hz eine Resonanzfrequenz von beispielsweise 300 Hz ergibt.

Hierdurch wird eine gute Dynamik gewährleistet Die Längsdrossel 9 ist wiederum mit einer ;nehrschichtigen Wicklung versehen.

F i g. 2 zeigt einen Querschnitt durch eine Drosselspu-Ie für ein erfindungsgemäßes Tiefpaßfilter. Die Spule besteh; aus einer Wicklung mit 4 Wicklungsschichten. Alle Windungen sind in Reihe geschaltet Die Wicklungsschichten liegen unmittelbar übereinander. Die Spule ist von einem Eisenjoch 12 umgeben.

Die Stromverdrängung in den einzelnen Windungen wird durch die Zahl der Wicklungslagen, die radiale Dicke χ des Kupfers und den Verlauf der magnetischen Feldlinien bestimmt. Im dargestellten Fall ist der Wert der magnetischen Feldstärke außerhalb der Wicklungslagen annähernd Null und steigt innerhalb der Wicklung von außen nach innen an. In der Symmetrieachse m herrscht die maximale magnetische Feldstärke.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche;

1. Tiefpaßfilter für Gleichströme oder für Wechselströme mit Netzfrequenz, das aus einer Drosselspule im Längszweig und einem Kondensator im Querzweig aufgebaut ist, wobei die durch die Längsinduktivität und die Querkapazität bestimmte Resonanzfrequenz des Filters größer ist als die Netzfrequenz, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselspule im Längszweig eine aus mehr als zwei Wicklungsschichten derart aufgebaute Wicklung aufweist, daß ihr Wechselstromwiderstand bei über die Netzfrequenz steigenden Frequenzen stark zunimmt

2. Tiefpaßfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselspule vier Wicklungsschichten aufweist

3. Anwendung eines Tiefpaßfilters nach Anspruch 1 oder 2 als Wechselrichterfilter.

4. Anwfrdung eines Tiefpaßfilters nach Anspruch 1 oder 2 ate Gleichstromfilter.