DE602004001559T2

DE602004001559T2 - Drosselspulenanordnung

Info

Publication number: DE602004001559T2
Application number: DE602004001559T
Authority: DE
Inventors: Erkki Miettinen
Original assignee: ABB Oy
Current assignee: ABB Oy
Priority date: 2003-09-23
Filing date: 2004-09-07
Publication date: 2007-07-19
Anticipated expiration: 2024-09-08
Also published as: FI20031371A0; CN1601669A; CN1333414C; EP1519392B1; FI115805B; FI20031371A; ATE333703T1; EP1519392A1; US7176779B2; US20050068144A1; DE602004001559D1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Erfindung bezieht sich auf Induktoranordnungen (Drosselspulenanordnungen), die einen mit der Eingangsseite einer elektrischen Vorrichtung verbundenen Eingangsinduktor und einen mit der Ausgangsseite der Vorrichtung verbundenen Ausgangsinduktor umfassen.
Eingangs- und Ausgangsinduktoren werden verwendet, um die Interferenz zu verringern, die eine elektrische Vorrichtung in den Netzen der Eingangs- und Ausgangsseite verursacht. Eingangs- und Ausgangsinduktoren werden zum Beispiel in Frequenzkonverterkonfigurationen verwendet. Beispiele bekannter Anordnungen werden in den Veröffentlichungen US 2002/125854 A1, PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 1996, no. 02, 29. Februar 1996 (1996-02-29) -& JP 07 263262 A (SONY CORP), 13. Oktober 1995 (1996-10-13), DE 19933811 A und EP-A-0 012 629 beschrieben.
Bei Frequenzkonvertern wird eine Gleichrichtung üblicherweise mittels einer 6-Puls-Diodenbrücke implementiert, die dafür bekannt ist, nur in der Umgebung der Spitzenspannung einer Sequenz Netzstrom zu verwenden und daher ausgedehnte Strompulse verursacht, die das Netz belasten. Um die Amplitude dieser Strompulse zu verringern ist es in dem Fachbereich bekannt, Reiheninduktoren, d.h. Eingangsinduktoren, zu verwenden, die in den Zuführphasen angeordnet sind.
Zum Steuern des Ausgangsspannungsniveaus der Fundamentalwelle verwendete Leistungsumkehr und Pulsweitenmodulation verursachen in der Ausgangsspannung extrem schnell ansteigende und fallende Kanten, eine Art von Stosswellen. Diese Stosswellen können in dem zu speisenden Motor zwei Arten von Problemen erzeugen: hohe Windungsspannungen der Wicklung mit dem Risiko der Entladung und Lagerströme. Um jedes der erwähnten Phänomene abzumildern, ist es in dem Fachbereich bekannt, phasenspezifische Serieninduktoren zu verwenden, d.h. am Anfang eines Motorkabels an der Ausgangsseite des Frequenzkonverters anzuordnende Aus gangsinduktoren, die es erlauben, die in den Anschlüssen des Motors beobachtbaren Spannungskanten zu glätten.
Bei dem Eingangsinduktor handelt es sich im allgemeinen um einen Drei-Phasen-Induktor mit drei Säulen und zwei Fenstern, der aus aus Blechblättern und Kupfer- oder Aluminiumwindungen bestehenden Stützen und Jochen zusammengesetzt ist. Der Magnetweg wird mit einer oder mehreren Luftlücken versehen, die verhindern, dass der magnetische Kern gesättigt wird. Eine solche für eine Netzfrequenz vorgesehene Komponente ist üblicherweise der größte und schwerste Teil des gesamten Konverters.
Der die in den Anschlüssen des Motors beobachtbaren stoßwellenglättende Ausgangsinduktor könnte elektrisch am optimalsten sein, wenn er nur mit Frequenzkomponenten derartiger Größe wirkte, dass nur die Kanten der Stoßspannungen geglättet würden.
Die Struktur eines Ausgangsinduktors gemäß des Standes der Technik ist ähnlich der des Eingangsinduktors. Ein derartiger Ausgangsinduktor dämpft jedoch auch eine Komponente mit Basisfrequenz, wodurch die Anschlussspannung des Motors reduziert wird. Ein solcher Induktor ist außerdem derart massiv, dass er nicht in den spezifischen Frequenzkonverter als eine optionale Komponente eingebaut werden kann, anstelle dessen wird er separat angebracht.
Es sind außerdem Ausgangsinduktorstrukturen bekannt, die nur bei Hochfrequenzkomponenten wirksam sind. Es finden zum Beispiel Ringe aus einem Material Verwendung, das mit einer extrem hohen spezifischen Permeabilität versehen ist, die die Spannungsschwankungen abmildern, wenn sie um Ausgangsstromschienen angeordnet sind. Ein Nachteil dieser Komponenten besteht darin, dass sie sehr teuer sind. Folglich werden sie im allgemeinen nur als ein „Common Mode" (deutsch: Gleichtakt)-Induktor verwendet, der allen Phase gemein ist, wodurch die Wirkung darauf beschränkt wird, bloß Lagerströme zu verhindern. Ein anderes mit derartigen Ringen verbundenes Problem ist ihre relativ große räumliche Ausdehnung.
Eine andere verwendete Struktur, die nur bei großen Frequenzkomponenten wirksam ist, umfasst in jeder Ausgangsphase angeordnete mit offenem Magnetweg versehene Induktorschienen, wobei die Struktur einer derartigen Induktorschiene einer Windung um einen Stapel Blechblätter ähnelt. Die mit dieser Struktur verbundenen Probleme umfassen hohe Kosten und einen recht ausgeprägten Platzverbrauch.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Induktoranordnung (Drosselspulenanordnung) bereitzustellen, die Eingangs- und Ausgangsinduktoren für einen Frequenzkonverter oder eine entsprechende elektrische Vorrichtung umfasst, um die oben erwähnten Probleme zu lösen. Die Aufgabe der Erfindung wird mit einer Induktoranordnung gelöst, die dadurch gekennzeichnet wird, was im unabhängigen Anspruch 1 steht. Die bevorzugten Ausführungsformen der Induktoranordnung werden in den abhängigen Ansprüchen offenbart.
Die Erfindung basiert auf der Idee, dass ein Kern eines Eingangsinduktors zusätzlich in der Struktur eines Ausgangsinduktors verwendet wird. In der erfindungsgemäßen Induktoranordnung wird der Ausgangsinduktor dadurch bereitgestellt, dass ein bestimmter Teil eines Leiters in jeder Phase des Ausgangs nahe dem Kern des Ausgangsinduktors angeordnet wird, so dass mindestens ein Teil des um den Ausgangsleiter gebildeten magnetischen Flusses in den Kern eindringen kann. In einem gewissen Sinne sind in der erfindungsgemäßen Induktoranordnung die Eingangs- und Ausgangsinduktoren kombiniert.
Die Vorteile der erfindungsgemäßen Induktoranordnung im Vergleich mit Lösungen des Standes der Technik sind ein weniger ausgeprägter Bedarf an Platz und Gewicht und vorteilhaftere Herstellungskosten.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Im folgenden wird die Erfindung vermittels der bevorzugten Ausführungsformen bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen detaillierter erklärt, wobei:
1 eine Seitenansicht eines Eingangsleiters des Standes der Technik von schräg von oben gesehen zeigt; und
2 eine Induktoranordnung nach einer Ausführungsform der Erfindung vom Ende der Induktorstruktur gesehen zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
1 zeigt einen typischen Drei-Phasen-Eingangsinduktor eines Frequenzkonverters, wobei außerdem die Wege angegeben sind, entlang derer sich magnetische Flüsse 5 bewegen und sich schließen. Ein Kern besteht derart aus dünnen Blechblättern, dass der um die Windungsbiegungen 3 gebildete magnetische Fluss 5 des Eingangsstroms des Frequenzkonverters sich überall entlang der Blechblätter bewegt, außer in den mit Absicht erzeugten Luftlücken 6. Der magnetische Fluss 5 ist in den Ecken der Fenster am dichtesten und in den äußeren Ecken und den hinteren Teilen der Joche 7 und 8 am dünnsten.
2 zeigt eine Induktoranordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, von dem Ende der Induktorstruktur her gesehen. Die Induktoranordnung in 2 wird aus dem Eingangsinduktor der 1 durch Anordnen einer vorbestimmten Länge isolierter Stromleiter 4 aus dem Ausgangs des Frequenzkonverters nahe bei dem Joch 7 des Eingangsinduktors gebildet, und durch Hinzufügen eines zusätzlichen Jochs 9 aus Blechblättern nahe bei dem oberen Joch 7, so dass jeder Leiter 4 zwischen dem oberen Joch 7 und dem zusätzlichen Joch 9 verbleibt.
Bei der in 2 gezeigten Struktur ist das zusätzliche Joch 9 aus ähnlichem Blech hergestellt wie der Kern und die Blechblätter des zusätzlichen Jochs 9 sind parallel zu den Blechblättern des Kerns angeordnet.
Bei der in 2 gezeigten Anordnung sind die Leiter 4 des Ausgangs des Frequenzkonverters entlang der hinteren Fläche des oberen Jochs 7 angeordnet, so dass die Leiter 4 im wesentlichen parallel zu der Hauptbewegungsrichtung des durch den Eingangsstrom des Frequenzkonverters erzeugten und durch das obere Joch 7 nahe bei den Leitern hindurchgehenden magnetischen Flusses sind. Dann dringt der um jeden Leiter durch Wirken des Ausgangsstroms des Frequenzkonverters gebildete magnetische Fluss in das obere Joch 7 derart ein, dass seine Bewegungsrichtung im wesentlichen rechtwinklig in Bezug auf die Hauptbewegungsrichtung des durch den Eingangsstrom des Frequenzkonverters erzeugten magnetischen Flusses ist; in diesem Fall ist die Wirkung des magnetischen Flusses des Ausgangsinduktors 2 auf den magnetischen Fluss des Eingangsinduktors praktisch nicht existent.
Bei der in 2 dargestellten Induktoranordnung ist das zusätzliche Joch 9 mit Nuten 11 für die Leiter 4 versehen. In der Anordnung von 2 sind die Nuten 11 fast so tief wie die Leiter 4, so dass der Abstand zwischen dem zusätzlichen Joch 9 und dem oberen Joch 7 der Größe der Luftlücke 6 gleich ist. Der magnetische Fluss 5 jedes Leiters 4 wird daher durch das Joch 7, das zusätzliche Joch 9 und zwei Luftlücken 6 geschlossen.
In der Induktoranordnung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Nuten 11 des zusätzlichen Jochs 9 so ausgebildet, dass sie so tief sind wie der Durchmesser des Leiters 4, wodurch der durch den sich in dem Leiter 4 bewegenden Strom gebildete magnetische Fluss nicht durch eine einzelne richtige Luftlücke 6 hindurchbewegt, sondern durch mehrere kleinere aus dem Oberflächenisolator in den Blechblättern gebildeten Luftlücken. Die Unterteilung einer Luftlücke in mehrere Teile entlang des Wegs des magnetischen Flusses ist hinsichtlich der Sättigung und des Verlusts des Kerns und des zusätzlichen Jochs 9 vorzuziehen. Wenn die aus dem Oberflächenisolator der Blechblätter gebildeten kleinen Luftlöcher keine ausreichend große Luftlücke für den magnetischen Weg bieten sollten, dann kann eine „richtige" Luftlücke 6 zwischen dem zusätzlichen Joch 9 und dem oberen Joch 7 in Übereinstimmung mit 2 ausgebildet werden.
Die erfindungsgemäße Induktoranordnung kann außerdem implementiert werden, ohne dass das zusätzliche Joch 9 nahe bei dem Kern angeordnet ist, wodurch der magnetische Fluss jedes Leiters 4 hauptsächlich durch die Luft geschlossen wird. Daher ist die Induktivität des Ausgangsinduktors 2 wesentlich geringer, als wenn die in 2 dargestellte Struktur verwendet wird.
Das zusätzliche Joch 9 wird daher dazu verwendet, die Induktivität des Ausgangsinduktors 2 zu vergrößern. Das geeignete Formen des zusätzlichen Jochs 9 ermöglicht es, die Induktivität des Ausgangsinduktors wie gewünscht zu dimensionieren. Je mehr Blechblätter sich in dem magnetischen Weg befinden, desto größer ist die Induktivität.
In der in 2 gezeigten Lösung ist das zusätzliche Joch 9 mit drei Nuten 11 versehen, in anderen Worten einer Nut 11 für jede Phase. Jede Nut 11 ist von der gleichen Länge wie das zusätzliche Joch 9. Jede Nut 11 ist mit einem Leiter 4 des Ausgangs des Frequenzkonverters versehen. Daher erstreckt sich jeder Leiter 4 eine Strecke entlang des Kerns, die im wesentlichen der Größe des oberen Jochs 7 gleicht.
Die Strecke, in der sich jeder Leiter 4 des Ausgangs des Frequenzkonverters entlang des Kerns bewegt, kann kürzer oder länger sein als in der in 2 gezeigten Lösung. Das Anordnen der Leiter 4 nahe dem Kern über eine längere Strecke erlaubt das Erhöhen der Induktivität des Ausgangsinduktors 2, und umgekehrt.
Die gleiche Nut 11 kann mit mehreren Abschnitten des gleichen Leiters 4 versehen sein. Das zusätzliche Joch 9 kann außerdem mehr als eine Nut 11 für eine Phase umfassen; für diesen Fall ist jede Nut 11 mit einem oder mehreren Abschnitten des gleichen Leiters 4 versehen.
Die erfindungsgemäßen Induktoranordnung kann mehr als ein zusätzliches Joch umfassen. Zusätzlich zu einem nahe bei dem oberen Joch 7 angeordneten zusätzlichen Joch 9 kann ein weiteres zusätzliches Joch vorgesehen sein, dass nahe dem unteren Joch 8 angeordnet ist. Das nahe dem unteren Joch 8 angeordnete zusätzliche Joch kann dem nahe dem oberen Joch 7 angeordneten zusätzlichen Joch 9 ähnlich sein. Es ist offensichtlich, dass alle zusätzlichen Joche nahe den Leitern 4 des Ausgangs des Frequenzkonverters angeordnet sind. Sollte ein zusätzliches Joch nahe dem unteren Joch 8 angeordnet sein, dann wird ein Abschnitt der Leiter 4 zwischen dem unteren Joch 8 und dem zusätzlichen Joch angeordnet.
Die Nuten 11, in denen die Leiter 4 der Ausgangsseite angeordnet sind, können in der erfindungsgemäßen Induktoranordnung in dem zusätzlichen Joch oder in dem Joch des Kerns des Eingangsinduktors ausgebildet sein. Es ist außerdem möglich, eine Induktoranordnung vorzusehen, in denen sowohl das zusätzliche Joch als auch das Joch des Eingangsinduktors Nuten 11 umfassen, die dazu angeordnet sind, die Leiter 4 aufzunehmen.
Die Induktoranordnung, bei der die Nuten der Leiter 4 in dem Joch des Eingangsinduktors angeordnet sind, kann ohne das zusätzliche Joch 9 oder mit dem zusätzlichen Joch 9 implementiert sein.
Die erfindungsgemäße Induktoranordnung ist dazu geeignet, mit solchen elektrischen Vorrichtungen verwendet zu werden, die ihren Eingangs- und Ausgangsinduktoren für die Frequenzkonverter typische Wechselwirkungen der oben erwähnten Art bieten. Die erfindungsgemäße Induktoranordnung kann als eine Einzel- oder Mehr-Phaseninduktoranordnung implementiert werden.
In der obigen Beschreibung wurde angemerkt, dass Blech für die Herstellung des Kerns und des zusätzlichen Jochs 9 verwendet werden kann. Hierbei bedeutet Blech dünnes aus Stahl hergestelltes Blech, das mit einer isolierten Oberfläche versehen ist. Das Blech wird in magnetischen Kreisläufen verwendet, um Wirbelstromverluste zu reduzieren. Insbesondere im Zusammenhand mit Transformatoren wird das gleiche mit einer isolierten Oberfläche versehene dünne Blech als Transformatorblech bezeichnet.
Für Fachleute ist es offensichtlich, dass die grundlegende Idee der Erfindung auf verschiedene Arten implementiert werden kann. Die Erfindung und ihre Ausführungsformen sind daher nicht auf die obenstehenden Beispiele beschränkt, sondern können innerhalb des Rahmens der Patentansprüche variieren.

Claims

Induktoranordnung, umfassend einen zum Koppeln an die Eingangsseite einer elektrischen Vorrichtung angepassten Eingangsinduktor und einen zum Koppeln an die Ausgangsseite der elektrischen Vorrichtung angepassten Ausgangsinduktor (2), wobei der Eingangsinduktor einen Joche (7, 8) und Stützen (1) aufweisenden Kern und mehrere Wicklungsschleifen (3) für jede um den Kern gebildete Phase umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgangsinduktor (2) für jede Phase einen Leiter (4) aufweist, der angepasst ist, an den Ausgang der elektrischen Vorrichtung gekoppelt zu werden und von dem eine vorbestimmte Länge derart neben dem Kern des Eingangsinduktors angeordnet ist, dass während der Verwendung ein durch einen Ausgangsstrom der elektrischen Vorrichtung um den Leiter (4) induzierter magnetischer Fluss in einen Teil des Kerns des Eingangsinduktors auf derartige Weise eindringt, dass die Bewegungsrichtung des magnetischen Flusses im Wesentlichen rechtwinklig in Bezug auf die Hauptbewegungsrichtung eines magnetischen Flusses ist, der durch den Eingangsstrom der elektrischen Vorrichtung in diesem Teil des Kerns induziert wird.
Induktoranordnung wie in Anspruch 1 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern des Eingangsinduktors mindestens zwei Joche (7, 8) und mindestens zwei Stützen (1) derart umfasst, dass die Wicklungsschleifen (3) des Eingangsinduktors um eine Stütze (1) herum gebildet werden und der Teil des Kerns, in den der durch den Ausgangsstrom induzierte magnetische Fluss eindringt, ein Joch (7) ist.
Induktoranordnung wie in Anspruch 1 oder 2 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens ein neben einem Joch (7) des Kerns des Eingangsinduktors derart angeordnetes zusätzliches Joch (9) umfasst, dass sich die vorbestimmte Länge der neben dem Kern angeordneten Leiter (4) sich zwischen dem zusätzlichen Joch (9) und dem Joch (7) befindet.
Induktoranordnung wie in Anspruch 3 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass das zusätzliche Joch (9) mit einer Nute (11) für jeden Leiter (4) versehen ist, um den Leiter aufzunehmen.
Induktoranordnung wie in Anspruch 3 oder 4 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern und das zusätzliche Joch (9) aus Blechblättern gebildet sind und dass die Blechblätter des Kerns und des zusätzlichen Jochs (9) parallel zueinander angeordnet sind.
Induktoranordnung wie in einem der Ansprüche 3 bis 5 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass eine Luftlücke (6) zwischen dem zusätzlichen Joch (9) und dem Joch (7) des Kerns des Eingangsinduktors bereitgestellt ist.
Induktoranordnung wie in Anspruch 1 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, dass ein Joch (7, 8) des Kerns des Eingangsinduktors mit einer Nute (11) für jeden Leiter (4) versehen wird, der nahe bei dem Kern angeordnet ist, um den Leiter aufzunehmen.