CH713573A2 - Magnetische Drossel, Umrichterabschnitt und Umrichter. - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine magnetische Drossel, welche zur Verwendung in Verbindung mit einer Umrichterbrücke zum Anschluss an n Phasen mit jeweils m Brückenzweigen pro Phase vorgesehen ist. Die Drossel weist einen Kern mit n Teilkernen auf, wobei jeder der Teilkerne jeweils einen Anfangsknoten und einen Endknoten und m Kernabschnitte aufweist, welche den Anfangsknoten und den Endknoten verbinden, und jeder der Kernabschnitte eine Wicklung mit einem ersten ( ) und einem zweiten Wicklungsanschluss aufweist. Die zweiten Wicklungsanschlüsse der Wicklungen desselben Teilkernes bilden einen gemeinsamen Wicklungsanschlusspunkt . Die Wicklungen auf den Kernabschnitten sind so orientiert, dass in jedem Kernabschnitt ein durch die Wicklung in den gemeinsamen Wicklungsanschlusspunkt fliessender Strom eine magnetische Spannung vom Anfangsknoten zum Endknoten des Teilkernes erzeugt. Die Teilkerne sind über ihre Anfangs- und Endknoten miteinander verbunden und bilden einen Kreis. Ferner betrifft die Erfindung einen Umrichterabschnitt und einen Umrichter mit einer solchen Drossel.

Description

Beschreibung

Stand der Technik [0001] Zur Speisung von Gleichspannungslasten aus dem Dreiphasen-Wechselspannungsnetz werden dem Stand der Technik entsprechend aktive Gleichrichterschaltungen eingesetzt um eine Regelung der Ausgangsspannung und geringe Netzrückwirkungen zu erreichen.

[0002] Liegt die zu erzeugende Gleichspannung zwischen Null und dem 1.5-fachen der Netzphasenspannungsamplitude können hierfür Systeme mit Tiefsetzstellercharakteristik verwendet werden. Mögliche Schaltungen zur Realisierung eines aktiven Dreiphasen-Gleichrichters mit Leistungsfaktorkorrektur und Tiefsetzstellercharakteristik wurden in CH 704 553 beschrieben, eine Variante davon ist in Fig. 1a dargestellt. Dieser Gleichrichter erlaubt eine Leistungsübertragung vom Dreiphasen-Wechselspannungsnetz mit den Anschlussklemmen a, b, c an einen Gleichspannungsausgang mit den Klemmen p und n. Hierzu werden die Netzspannungen nach einer Filterung durch drei Eingangsinduktivitäten Lf von einer Gleichrichtereinheit 1 mit den Ausgangsknoten x, y und z, bestehend aus einer Dreiphasen-Sechspuls-Diodenbrücke und drei bipolar sperrfähigen, bidirektionalen Phasenauswahlschaltern sIyi: s6,6 sEyt gleichgerichtet wobei jener Phasenauswahlschalter eingeschaltet wird dessen Momentanwert der zugeordneten Phasenspannung zwischen den beiden anderen Momentanwerten der Phasenspannungen liegt. Dadurch resultieren drei abschnittsweise sinusförmige Spannungen an den Knoten x, y und z, welche durch drei Kondensatoren Cx,y,zstabilisiert werden, wobei das Potential an Knoten x immer grösser oder gleich dem Potential an Knoten y ist und das Potential an Knoten y immer grösser oder gleich jenem an Knoten z ist. Mittels einer nachfolgenden Schaltstufe 2, bestehend aus zwei in Reihe geschalteten Tiefsetzstellerhalbbrücken mit den aktiven Schaltern sx|J, sr„ und zwei Dioden ny[), oay wird eine im zeitlichen Mittel über eine Periode der Schaltfrequenz konstante Spannung zwischen den Knoten p und n erzeugt. Nach einer Tiefpassfilterung durch zwei Induktivitäten L und einen Kondensator Co resultiert die Ausgangsgleichspannung upn. Dadurch ergeben sich Gleichströme ip und in in den Filterinduktivitäten sowie sinusförmige Eingangsströme ia, ib und ic im Wechselspannungsnetz. Ein Nachteil dieses Systems liegt in den diskontinuierlichen Eingangsströmen i'x, i'y und i'z der Schaltstufe wodurch ein vergleichsweise starker schaltfrequenter Spannungsrippei an den Filterkondensatoren Cx,y,z entsteht welcher die Kommutierung der Eingangsstufe 1 stören und somit Verzerrungen der Netzströme hervorrufen kann.

[0003] Eine alternative Realisierung ist in Fig. 1b gezeigt wobei hier die Schaltstufe 4 im Vergleich zu Fig. 1a aus je zwei parallel geschalteten Tiefsetzstellerhalbbrücken besteht welche bezüglich der Knoten x, y und z parallel geschaltet ist.

[0004] Die resultierenden Ausgangsklemmenpaare pi, P2 und ni, a2 werden anschliessend durch zwei stromkompensierte Drosseln 5 (ICTP und ICTn) zusammengeführt auf die Knoten ρ und n welche analog zu Fig. 1a schaltfrequente Spannungskomponenten aufweisen. Die stromkompensierten Drosseln ICTP und ICTn stellen in Verbindung mit einer geeigneten Regelung, mit Ausnahme eines schaltfrequenten Rippels, eine Vermeidung von Kreisströmen zwischen den parallel geschalteten Tiefsetzstellerbrücken sicher, wodurch eine gleichmässige Aufteilung der Ausgangsgleichströme ip und in auf die Schalterpaare syyl, sxiH und sail, saz2 sichergestellt wird. Durch eine geeignete verschränkte Taktung, das heisst zum Beispiel um eine halbe Pulsperiode versetzt, der Schalter swl, sxr., und saili, saz2 kann zusätzlich die Amplitude der schaltfrequenten Spannungskomponenten zwischen den Knoten p und n reduziert und deren Frequenz verdoppelt werden, was Vorteile hinsichtlich der Realisierung der Ausgangsfilterinduktivitäten 6 ergibt. Ebenso resultiert eine Verdoppelung der Frequenz und Reduktion der Amplitude des schaltfrequenten Rippels in den diskontinuierlichen Eingangsströmen i'x, i'y und i'z der Tiefsetzstellerbrücken, wodurch sich der schaltfrequente Spannungsrippei an den Filterkondensatoren Cx,y,z reduziert.

[0005] Wie in Fig. 1b gezeigt können die Ausgangsfilterinduktivitäten 6 durch zwei gekoppelte Induktivitäten realisiert werden wobei deren Wicklungssinn so gewählt wird, dass der schaltfrequente Gleichtaktanteil der Potentiale an den Knoten p und n über der Gleichtaktdrossel Lcm abfällt und der Gegentaktanteil über der Gegentaktdrossel Ldm abfällt. Dies erlaubt eine kompaktere und/oder verlustärmere Realisierung des Ausgangsfilters durch die Implementierung eines grösseren Induktivitätswerts der Gleichtaktdrossel Lcm zur Filterung von Gleichtaktstörströmen.

[0006] Im Vergleich zu Fig. 1a ergeben sich bei der Realisierung nach Fig. 1b geringere Verzerrungen der aus dem Wechselspannungsnetz bezogenen Eingangsströme ia, ib und ic sowie eine geringe benötigte Dämpfung des Eingangsfilters Lf und Cx,y,zzur Einhaltung von Störstromvorschriften im Wechselspannungsnetz. Allerdings resultiert ein höherer Aufwand für die Implementierung der magnetischen Komponenten da insgesamt vier gekoppelte Induktivitäten mit je zwei Wicklungen benötigt werden.

[0007] Eine Aufgabe der Erfindung ist es den Realisierungsaufwand des Ausgangsfilters in Bezug auf Baugrösse, Belastbarkeit, Anzahl und/oder Kosten der Komponenten, bei gleicher Funktionalität, zu reduzieren.

[0008] Die Aufgabe wird gelöst durch eine magnetische Drossel und einen Umrichterabschnitt gemäss den Patentansprüchen.

[0009] Die magnetische Drossel ist also zur Verwendung in Verbindung mit einer Umrichterbrücke vorgesehen, zum Anschluss an n Phasen mit jeweils m Brückenzweigen pro Phase, wobei n mindestens zwei und m mindestens zwei beträgt. Die Drossel weist einen Kern mit n Teilkernen auf, wobei jeder der Teilkerne jeweils einen Anfangsknoten und einen Endknoten und m Kernabschnitte aufweist, welche den Anfangsknoten und den Endknoten verbinden, und jeder der Kernabschnitte eine Wicklung mit einem ersten und einem zweiten Wicklungsanschluss aufweist, die zweiten Wicklungsanschlüsse der Wicklungen desselben Teilkernes einen gemeinsamen Wicklungsanschlusspunkt bilden, und die Wicklungen auf den Kernabschnitten so orientiert sind, dass in jedem Kernabschnitt ein durch die Wicklung in den gemeinsamen Wicklungsanschlusspunkt fliessender Strom eine magnetische Spannung vom Anfangsknoten zum Endknoten des Teilkernes erzeugt, und die Teilkerne miteinander zu einem magnetischen Netzwerk verbunden sind indem für i = 1 ..n-1 jeweils der Endknoten des i-ten Teilkernes mit den Anfangsknoten des (i+1 )-ten Teilkernes verbunden ist und der Endknoten des n-ten Teilkernes mit dem Anfangsknoten des ersten Teilkernes verbunden ist.

[0010] Ein darauf aufgebauter Umrichterabschnitt mit einer ersten Topologie weist eine solche Drossel und eine Umrichterbrücke mit mn Brückenzweigen auf, wobei jeder Brückenzweig einen Zweigmittelpunkt, einen oberen Schalter und einen unteren Schalter aufweist, wobei der obere Schalter zwischen den Zweigmittelpunkt und einen oberen Anschluss der Umrichterbrücke und der der untere Schalter zwischen den Zweigmittelpunkt und einen unteren Anschluss der Umrichterbrücke angeschlossen ist, und jeder der ersten Wicklungsanschlüsse der m Kernabschnitte der n Teilkerne an einen der Zweigmittelpunkte der mn Brückenzweige angeschlossen ist.

[0011] Ein nach dem gleichen Prinzip betriebener aber eine andere, zweite, Topologie aufweisender Umrichterabschnitt, weist eine solche Drossel und eine Umrichterbrücke mit m n/2Brückenzweigen auf, wobei jeder Brückenzweig einen Zweigmittelpunkt, einen oberen Anschlusspunkt, einen unteren Anschlusspunkt, einen oberen oberen Schalter, einen unteren oberen Schalter, einen oberen unteren Schalter und einen unteren unteren Schalter aufweist, wobei der obere obere Schalter zwischen einen oberen Anschluss der Umrichterbrücke und den oberen Anschlusspunkt geschaltet ist, der untere obere Schalter, der ein passiver Schalter sein kann, zwischen den oberen Anschlusspunkt und den Zweigmittelpunkt geschaltet ist, der obere untere Schalter, der ein passiver Schalter sein kann, zwischen den Zweigmittelpunkt und den unteren Anschlusspunkt geschaltet ist, der untere untere Schalter zwischen den unteren Anschlusspunkt und einen unteren Anschluss der Umrichterbrücke geschaltet ist, und jeder der ersten Wicklungsanschlüsse der m Kernabschnitte der n Teilkerne an einen der Menge der oberen und der unteren Anschlusspunkte der mn/2 Brückenzweige angeschlossen ist.

[0012] Ein darauf aufgebauter Umrichter weist einen Umrichterabschnitt mit der zweiten Topologie auf, sowie eine weitere Umrichterbrücke zur Verbindung des oberen Anschlusses und des unteren Anschlusses der Umrichterbrücke mit gefilterten Phasenanschlüssen eines Mehrphasennetzes mit q Phasen, sowie mit q Mittelpunkt-Schaltern, von denen jeder zwischen einen der gefilterten Phasenanschlüsse und dem Zweigmittelpunkt geschaltet ist.

Kurzbeschreibung der Figuren [0013] Im Folgenden wird der Erfindungsgegenstand anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen, welche in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind, näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:

Fig. 1 Dreiphasen-Gleichrichter Schaltungen mit Tiefsetzstellercharakteristik gemäss dem Stand der Technik, ausgeführt ohne (a) und mit (b) parallelen Halbbrückenzweigen in den Schaltstufen 2 bzw. 4.

Fig. 2 Dreiphasen-Gleichrichter Schaltungen mit Tiefsetzstellercharakteristik gemäss der Erfindung mit parallelen Halbbrückenzweigen in der Schaltstufe sowie mit einer stromkompensierten Drossel 7 welche gleichzeitig Kreisströme zwischen den parallel geschalteten Halbbrückenzweigen, als auch Gleichtaktströme unterdrückt.

Fig. 3 Mögliche Realisierungen einer stromkompensierten Drossel für eine Anwendung gemäss Fig. 2 mit geometrisch unterschiedlichen Kernen und Wicklungsanordnungen.

Fig. 4 Charakteristische Spannungs- und Stromformen bei Verwendung der Erfindung als Dreiphasen-Gleichrichter mit Tiefsetzstellercharakteristik gemäss Fig. 2.

Fig. 5 Mögliche Realisierung einer Regelung eines Dreiphasen-Gleichrichters mit Tiefsetzstellercharakteristik gemäss Fig. 2 welche sinusförmige Netzströme sowie eine gleichmässige Aufteilung des Ausgangsgleichstroms auf die parallel geschalteten Halbbrückenzweige erlaubt.

Fig. 6 Mögliche Anwendung einer stromkompensierten Drossel in einem Dreiphasen-Gleichrichters mit Hochsetzstellercharakteristik mit drei Phasen und mit je zwei parallelen Halbbrückenzweigen.

Wege zur Ausführung der Erfindung [0014] Mit der Erfindung ist es möglich, den Realisierungsaufwand des Ausgangsfilters eines Dreiphasen-Gleichrichters mit Tiefsetzstellercharakteristik durch eine Kombination von mehr als zwei Wicklungen auf einen gemeinsamen Mehrschenkelkern zu reduzieren. Insbesondere kann hierdurch die Anzahl der benötigten Wicklungen bei gleicher Funktionalität reduziert werden da durch eine geeignete magnetische Kopplung der beiden stromkompensierten Drosseln ICTP und ICTn die Funktion der Gleichtaktdrossel Lcm in diese integriert wird. Die resultierende Schaltung ist in Fig. 2 gezeigt mit der neuartigen gekoppelten stromkompensierten Drossel 7 wobei im Ausgangsfilter 8 die Gleichtaktdrossel entfallen kann und eine reine Gegentaktdrossel Ldm, welche gekoppelt oder ungekoppelt ausgeführt werden kann, ausreicht.

[0015] Das in Fig. 2 dargestellte Gleichrichtersystem wird durch ein ein- oder mehrstufiges Eingangsfilter mit dem Drei-phasen-Wechselspannungsnetz verbunden wobei die letzte Stufe des Filters aus drei Filterinduktivitäten Lf besteht an welche eine Dreiphasen-Sechspuls-Diodenbrücke angeschlossen wird deren positiver Ausgang mit den Knoten x der Schaltung verbunden ist und deren negativer Ausgang mit dem Knoten z der Schaltung verbunden ist. Zusätzlich wird an die drei Filterinduktivitäten je ein bipolar sperr- und leitfähiger Phasenauswahlschalter angeschlossen wobei die verbleibenden Anschlüsse der drei Phasenauswahlschalter an den Knoten y der Schaltung angeschlossen werden. An die Knoten x, y und z der Schaltung werden drei Filterkondensatoren Cx,y,z angeschlossen welche entweder einen gemeinsamen Sternpunkt bilden können oder in einer Dreieckschaltung mit den Knoten x, y und z verbunden werden können.

[0016] All die Knoten x und y ist eine obere Tiefsetzstellerbrücke angeschlossen und an die Knoten z und y ist eine untere Tiefsetzstellerbrücke angeschlossen. Die obere Tiefsetzstellerbrücke wird von zwei parallel geschalteten oberen Tiefsetzstellerhalbbrücken gebildet deren Ausgänge als pi und p2 bezeichnet werden, wobei diese je aus einem aktiven Halbleiterschalter und einer Diode bestehen. Dabei wird der Halbleiterschalter sxpi der ersten oberen Tiefsetzstellerhalbbrücke zwischen die Knoten x und pi und der Halbleiterschalter der zweiten oberen Tiefsetzstellerhalbbrücke zwischen die Knoten x und p2 geschaltet sodass je ein Stromfluss vom Knoten x in die Knoten Pi und P2 möglich ist. Die Dioden werden so geschaltet dass ein Stromfluss vom Knoten y nach Pi sowie vom Knoten y nach P2 möglich ist. Die untere Tiefsetzstellerbrücke wird von zwei parallel geschalteten unteren Tiefsetzstellerhalbbrücken gebildet deren Ausgänge als ni und n2 bezeichnet werden, wobei diese je aus einem aktiven Halbleiterschalter und einer Diode bestehen. Dabei wird der Halbleiterschalter s„, der ersten unteren Tiefsetzstellerhalbbrücke zwischen die Knoten z und ni sowie der Halbleiterschalter s,,2, der zweiten unteren Tiefsetzstellerbrücke zwischen z und m geschaltet sodass je ein Stromfluss von den Knoten ni und 02 in den Knoten z möglich ist und die Dioden werden so geschaltet dass ein Stromfluss von den Knoten ni und n2 in den Knoten y möglich ist. An die Knoten pi, p2, al und n2 sind vier Wicklungen mit identischer Windungszahl einerstromkompensierten Drossel angeschlossen welche um einen gemeinsamen mehrschenkligen Kern gewickelt sind dessen Ausführung weiter unten beschrieben ist. Die beiden verbleibenden Anschlüsse der Wicklungen welche mit den Knoten pi und p2 verbunden sind, sind zusammen an den Knoten P angeschlossen welcher über eine obere Ausgangsinduktivität mit der positiven Ausgangsklemme upn des Gleichrichters verbunden ist. Die beiden verbleibenden Anschlüsse der Wicklungen welche mit den Knoten ni und 112 verbunden sind, sind zusammen an den Knoten n angeschlossen welcher über eine untere Ausgangsinduktivität mit der negativen Ausgangsklemme n des Gleichrichters verbunden ist. Die obere und untere Ausgangsinduktivität können alternativ auch gekoppelt, im Sinne einer Gegentaktdrossel auf einem gemeinsamen Kern ausgeführt werden. Zwischen die Ausgangsklemmen p und n kann zusätzlich noch ein Ausgangskondensator angeschlossen werden welcher die Ausgangsgleichspannung upn stabilisiert.

[0017] Eine mögliche Realisierung der stromkompensierten Drossel mit einem Kern aus hochpermeablem ferromagnetischem Material fa»i) mit vier Schenkeln und drei Fenstern ist in Fig. 3a gezeigt. Jeder der vier Kernschenkel trägt dabei eine der Wicklungen. Der Wicklungssinn der vier Wicklungen ist dabei so gewählt dass sich die Gleichstromkomponenten der Wicklungsströme ip1, ip2, ini und in2 in jedem der drei Kernfenster aufheben. Dadurch wird eine Sättigung des Kernmaterials unabhängig vom Ausgangsgleichstrom vermieden und es sind keine Luftspalte in den Kernschenkeln nötig, was die Implementierung von hohen Induktivitätswerten erlaubt welche typisch für eine ausreichende Unterdrückung von Gleichtaktströmen im Wechselspannungsnetz benötigt werden. Es ist jedoch möglich in jedem der vier Kernschenkel je einen Luftspalt einzufügen, welche in Fig. 3a mit δ1, δ2, δ3 und δ4 bezeichnet sind, wodurch die Induktivitätswerte der stromkompensierten Drossel bei unveränderter Windungszahl verringert werden können.

[0018] Auf Grund der planaren Anordnung der Wicklungen bei einer Realisierung wie oben beschrieben ergibt sich in Folge von Streufeldern eine unterschiedliche Kopplung zwischen verschiedenen Wicklungspaaren. Dies kann durch Verwendung eines Kerns vermieden werden bei welchem die 12 Kanten eines Würfels oder Quaders aus hochpermeablem ferromagnetischem Kernmaterial ausführt werden und um vier parallele Kannten je eine Wicklung der stromkompensierten Drossel führt, wobei der Wicklungssinn wiederum so gewählt wird, dass sich in jeder Seitenfläche des Würfels die durch sie hindurchtretenden Ströme kompensieren. Es kann dabei zwischen zwei möglichen Anordnungen der Wicklungen unterschieden werden da jene beiden Wicklungen welche an die Knoten Pi und p2 der Schaltung angeschlossen sind entweder auf unmittelbar benachbarten Kanten (Fig. 3b) oder aber an diagonal gegenüberliegenden Kanten (Fig. 3c) gewickelt werden können. Für gleiche Permeabilität und Abmessungen des Kerns ergibt sich für eine direkt benachbarte Anordnung gemäss Fig. 3b eine geringe Gleichtaktinduktivität und eine grössere Induktivität zu Unterdrückung von Kreisströmen zwischen den parallel geschalteten Tiefsetzstellerhalbbrücken verglichen mit einer diagonal gegenüberliegenden Anordnung der pi, p2 Wicklungen. Wie bei einer planaren Anordnung können wiederum Luftspalte eingefügt werden um die Induktivitätswerte der stromkompensierten Drossel bei unveränderter Windungszahl zu verringern, wobei entweder je ein Luftspalt in jedem der eine Wicklung tragenden Kernschenkel eingefügt werden kann oder je ein Luftspalt in den acht keine Wicklung tragenden Kernschenkeln eingefügt werden kann.

[0019] Wird die Topologie des magnetischen Kreises betrachtet, so entspricht jeder der Schenkel des Kernes, der eine Wicklung trägt, einem Kernabschnitt. Eine Anzahl von m, in diesem Fall jeweils von zwei, Kernabschnitten bildet einen Teilkern t-ι, t2. Jeder Teilkern t-ι, t2 ist einer von n Phasen zugeordnet, in diesem Fall einer von zwei Phasen. Jeder Teilkern weist einen Anfangsknoten und einen Endknoten auf, welche durch die m Kernabschnitte verbunden sind. In diesem Fall ist ein erster gemeinsamer Knoten k-i gleich dem Anfangsknoten des ersten Teilkerns L und dem Endknoten des zweiten Teilkerns t2, und ein zweiter gemeinsamer Knoten k2 ist gleich dem Anfangsknoten des zweiten Teilkerns t2 und dem Endknoten des ersten Teilkerns L. In den Fig. 3b und 3c bildet das obere Viereck von Schenkeln ohne Wicklungen den ersten gemeinsamen Knoten und das untere Viereck den zweiten gemeinsamen Knoten. In der weiter unten im Zusammenhang mit Fig. 6 erläuterten Variante einer Drossel 7 liegen drei Teilkerne mit jeweils zwei Kernabschnitten vor, die über die Knoten k-i, k2, k3 miteinander verbunden sind und einen Kreis bilden.

[0020] Charakteristische Spannungs- und Stromformen bei Drosseln gemäss Fig. 2 und Fig. 3 sind in Fig. 4 als Funktion des Phasenwinkels ωί der Dreiphasen-Wechselspannung dargestellt. In Fig. 4a sind die Spannungen der Knoten pi, p2, ni und n2 gegen den Sternpunkt N des Wechselspannungsnetzes gezeigt. Daraus resultieren die in Fig. 4b und Fig. 4c dargestellten Spannungen uw,p1, uw,p2, uw,ni und uw,n2an den Anschlüssen der stromkompensierten Drossel sowie die Ströme ip1, ip2, i„i und i„2 in den Wicklungen der stromkompensierten Drossel. An den Wicklungen der Gegentaktdrossel Ldm des Gleichrichters nach Fig. 2 verbleibt somit die Fig. 4d gezeigte Spannung uLdm welche zu einem Ausgangsstrom ip bzw. in führt. Sowohl uLdm als auch ip bzw. in weisen dabei im Vergleich zu den Spannungen «r>i, “m und sowie im Vergleich zu den Wicklungsspannungen uw,p1, uw,p2, uw,ni und uw,n2die doppelte Frequenz auf.

[0021] Die Regelung des Gleichrichters wird bevorzugt mit zwei oder vier Schlaufen ausgeführt wobei die Ansteuerung der Schalter beispielsweise, wie in Fig. 5 gezeigt, mittels Pulsbreitenmodulation (PWM) oder mit Toleranzbandregelung erfolgen kann. Dabei vergleicht ein äusserer Ausgangsspannungsregler Gu die gemessene Ausgangsgleichspannung upn mit einem Referenzwert und bestimmt daraus einen Ausgangsstromsollwert zu welchem allenfalls der in der Zuleitung der Last gemessene Strom als Vorsteuerung addiert werden kann.

[0022] Von c, wird der Strom ί41„ subtrahiert welcher als die Summe der vier gemessenen Wicklungsströme ip1, ip2, ini und in2 der stromkompensierten Drossel geteilt durch zwei berechnet wird. Das resultierende Fehlersignal wird einem unterlagerten Stromregler Gdm zugeführt zu dessen Ausgangswert die gemessene Ausgangsgleichspannung upn im Sinne einer Vorsteuerung addiert werden kann. Mittels einer Division durch das 1.5-fache der Amplitude der Eingangsphasenwechselspannung ergibt sich der Modulationsindex M des Gleichrichters welcher mit zwei abschnittsweise sinusförmigen Signalen sp und sn, welche eine Amplitude von 1 aufweisen, multipliziert wird. Dadurch ergeben sich die Tastverhältnisse dp und dn des oberen (p) und unteren (n) Tiefsetzstellers welche den Pulsbreitenmodulatoren (PWM in Fig. 5) für die Schalter sipb sxp2 und s,„,; sJz2 zugeführt werden. Um wechselspannungsseitige Eingangsströme ia, ib, ic zu erhalten welche in Phase mit den zugeordneten Netzspannungen sind kann das Signal sp aus der Spannung ux zwischen dem Knoten x und dem Sternpunkt N des Dreiphasen-Wechselspannungsnetzes gewonnen werden indem die gemessene Spannung ux durch die Amplitude ύ\ der Netzphasenspannung dividiert wird. Weiters wird das Signal sn durch Division der Spannung uz zwischen dem Knoten z und dem Sternpunkt N des Dreiphasen-Wechselspannungsnetzes durch C\ gebildet, wobei das Vorzeichen der Spannung gekehrt werden muss da das Potential von z unterhalb des Sternpunktes liegt, sn jedoch positiv sein muss.

[0023] Um eine gleichmässige Aufteilung der Ströme in den Wicklungen der stromkompensierten Drossel in allen Betriebsfällen, insbesondere während Laständerungen, sicherzustellen können zwei zusätzliche Stromregelschlaufen hinzugefügt werden. Hierzu wird zunächst die Differenz der beiden in den p-seitigen Wicklungen der stromkompensierten Drossel gemessenen Ströme iP2 und ip1 berechnet und einem Regler Gim,p zugeführt dessen Ausgangssignal durch die Spannung Uxy zwischen den Knoten x und y dividiert wird. Das resultierende Signal stellt ein differentielles Tastverhältnis dar welches zu dp addiert, bzw. von diesem subtrahiert wird um zwei getrennte Tastverhältnisse dp1 und dp2zu erzeugen welche zwei separaten Pulsbreitenmodulatoren für die Schalter sxpl und sIiH zugeführt werden. Zusätzlich wird die Differenz der Ströme ini und i„2 einem Regler Gim,n zugeführt dessen Ausgangssignal durch die Spannung uyz zwischen den Knoten y und z dividiert wird. Das entstehende differentielle Tastverhältnis wird anschliessend zu dn addiert, bzw. von diesem subtrahiert wodurch die Tastverhältnisse dni und d„2 resultieren welche den Pulsbreitenmodulatoren für sM und s,M zugeführt werden.

[0024] Um die gewünschte Reduktion des schaltfrequenten Spannungsrippeis an den Filterkondensatoren Cx,y,zzu erreichen müssen die Pulsbreitenmodulatoren der Schalter sx[11 und sxp2, sowie jene der Schalter s„zl und sa2 mit um 180° versetzten Trägersignalen angesteuert werden. Wird das gleiche Trägersignal für s,: und für sxfI verwendet resultiert daraus ein grösserer Gegentaktstromrippei und gleichzeitig ein kleinerer Gleichtaktstromrippel, im Vergleich zu einer Taktung bei der die Trägersignale der Pulsbreitenmodulatorn von sM1 und für s!te2 um 90° phasenverschoben sind.

[0025] Die oben beschriebene Schaltung erlaubt auf Grund der verwendeten Dioden nur einen unidirektionalen Leistungsfluss vom Dreiphasen-Wechselspannungsnetz zu den Gleichspannungsausgangsklemmen. Eine Erweiterung auf bidirektionalen Leistungsfluss ist möglich wenn in der Schaltung alle Dioden durch zusätzliche aktive Schalter ersetzt oder ergänzt werden wobei die zusätzlichen Schalter immer genau solange eingeschaltet werden als die Dioden in der ursprünglichen Schaltung leiten würden. Dadurch wird ein Umkehren der Richtung des Ausgangsgleichstroms möglich wodurch sich ein Leistungsfluss von den Gleichspannungsklemmen p und n hin zum Dreiphasen-Wechselspannungsnetz einstellt.

[0026] Das oben beschriebene Konzept einer stromkompensierten Drossel welche gleichzeitig die Unterdrückung und Regelung von Kreisströmen zwischen parallel geschalteten Brückenzweigen sowie die Filterung von Gleichtaktstromkomponenten erlaubt ist nicht auf auf Dreiphasen-Gleicherichtersystem mit Tiefsetzstellercharakteristik beschränkt sondern kann für n-phasige Gleich- und Wechselrichtersysteme mit m parallelen Brückenzweigen pro Phase generalisiert werden. Dazu wird je eine der einer Phase zugeordneten Wicklungen auf eine Kante eines n-eckigen, polygonförmigen Kerns montiert wobei insgesamt m solcher Polygone gebildet werden. Diese polygonförmigen Kerne werden dann so parallel angeordnet dass die einer Phase zugeordneten Wicklungen einander gegenüber zu liegen kommen, und die Eckpunkte der polygonförmigen Kerne werden mit zu den Polygonebenen orthogonal angebrachten Stücken aus Kernmaterial verbunden um eine magnetische Kopplung zu erreichen. Der Wicklungssinn aller Wicklungen wird dabei so gewählt dass sich in allen geschlossenen Schlaufen aus Kernmaterial die hindurchtretened Ströme, unter Vernachlässigung schaltfrequenter Rippel, zu null addieren. Weiters können Luftspalte eingefügt werden um die Induktivitätswerte der stromkompensierten Drossel bei unveränderter Windungszahl zu verringern, wobei je ein Luftspalt in jedem der eine Wicklung tragenden Kernschenkel eingefügt werden kann und oder je ein Luftspalt in den keine Wicklung tragenden Kernschenkeln eingefügt werden kann. Eine Konfiguration für drei Phasen und zwei parallelen Brückenzweigen je Phase ist in Fig. 6 dargestellt.

Claims (3)

1. Patentansprüche

   1. Magnetische Drossel (7) zur Verwendung in Verbindung mit einer Umrichterbrücke zum Anschluss an n Phasen mit jeweils m Brückenzweigen pro Phase, wobei n mindestens zwei und m mindestens zwei beträgt, dadurch gekennzeichnet, dass die Drossel (7) einen Kern mit n Teilkernen (t-ι, t2) aufweist, wobei jeder der Teilkerne (t-ι, t2) jeweils einen Anfangsknoten und einen Endknoten und m Kernabschnitte aufweist, welche den Anfangsknoten und den Endknoten verbinden, jeder der Kernabschnitte eine Wicklung mit einem ersten (pi,p2,Hi,n2; i’UìÈjìi und einem zweiten Wicklungsanschluss <p,ö) aufweist, die zweiten Wicklungsanschlüsse der Wicklungen desselben Teilkernes einen gemeinsamen Wicklungsanschlusspunkt (p,n) bilden, und die Wicklungen auf den Kernabschnitten so orientiert sind, dass in jedem Kernabschnitt ein durch die Wicklung in den gemeinsamen Wicklungsanschlusspunkt fliessender Strom eine magnetische Spannung vom Anfangsknoten zum Endknoten des Teilkernes erzeugt, und die Teilkerne (t-ι, t2) miteinander zu einem magnetischen Netzwerk verbunden sind indem für i = 1 ..n-1 jeweils der Endknoten des i-ten Teilkernes mit den Anfangsknoten des (i + 1)-ten Teilkernes verbunden ist und der Endknoten des n-ten Teilkernes mit dem Anfangsknoten des ersten Teilkernes verbunden ist.
2. 2. Umrichterabschnitt, aufweisend eine Drossel (7) gemäss Anspruch 1 und eine Umrichterbrücke mit mn Brückenzweigen, wobei jeder Brückenzweig einen Zweigmittelpunkt, einen oberen Schalter und einen unteren Schalter aufweist, wobei der obere Schalter zwischen den Zweigmittelpunkt und einen oberen Anschluss (p) der Umrichterbrücke und der der untere Schalter zwischen den Zweigmittelpunkt und einen unteren Anschluss (n) der Umrichterbrücke angeschlossen ist, und jeder der ersten Wicklungsanschlüsse (ai,bi,ci,ä2,52,02) der m Kernabschnitte der n Teilkerne an einen der Zweigmittelpunkte der m n Brückenzweige angeschlossen ist. 3. Umrichterabschnitt, aufweisend eine Drossel (7) gemäss Anspruch 1 und eine Unirichterbrücke mit mn/2 Brückenzweigen, wobei jeder Brückenzweig einen Zweigmittelpunkt (y), einen oberen Anschlusspunkt, einen unteren Anschlusspunkt, einen oberen oberen Schalter w), einen unteren oberen Schalter, einen oberen unteren Schalter und einen unteren unteren (snzi) Schalter aufweist, wobei der obere obere Schalter <s«pd zwischen einen oberen Anschluss (x) der Umrichterbrücke und den oberen Anschlusspunkt geschaltet ist, der untere obere Schalter, der ein passiver Schalter sein kann, zwischen den oberen Anschlusspunkt und den Zweigmittelpunkt (y) geschaltet ist, der obere untere Schalter, der ein passiver Schalter sein kann, zwischen den Zweigmittelpunkt (y) und den unteren Anschlusspunkt geschaltet ist, der untere untere Schalter (sàzi) zwischen den unteren Anschlusspunkt und einen unteren Anschluss (z) der Umrichterbrücke geschaltet ist, und jeder der ersten Wicklungsanschlüsse (pi,p2,ni,n2) der m Kernabschnitte der n Teilkerne an einen der Menge der oberen und der unteren Anschlusspunkte der mn/2 Brückenzweige angeschlossen ist.
3. 4. Umrichter, aufweisend einen Umrichterabschnitt gemäss Anspruch 3 und eine weitere Umrichterbrücke zur Verbindung des oberen Anschlusses (x) und des unteren Anschlusses (z) der Umrichterbrücke mit gefilterten Phasenanschlüssen iw) eines Mehrphasennetzes mit q Phasen, sowie mit q Mittelpunkt-Schaltern (säVä,scyc), von denen jeder zwischen einen der gefilterten Phasenanschlüsse σχυ und dem Zweigmittelpunkt geschaltet ist.