DE102015003225A1 - Wechselrichter - Google Patents

Abstract

Beschrieben wird ein Wechselrichter, mit einer Wechselrichterbrücke, die die Ausgangsspannung einer Gleichspannungsquelle in eine dreiphasige Wechselspannung wandelt und über drei Phasenleiter und einen Neutralleiter ausgibt, mit einem der Wechselrichterbrücke nachgeschaltetem Sinusfilter, und mit einer dem Sinusfilter nachgeschalteten Drosselspulenanordnung, die jeweils eine Drosselspulenwicklung für jeden Phasenleiter und für den Neutralleiter aufweist, wobei die vier Drosselspulenwicklungen der Drosselspulenanordnung auf einem gemeinsamen Drosselspulenkern angeordnet sind, wobei alle drei in die Phasenleiter geschalteten Drosselspulenwicklungen den gleichen Wicklungssinn aufweisen, und wobei die vierte Drosselspulenwicklung, die in den Neutralleiter geschaltet ist, gegensinnig zu den anderen drei Drosselspulenwicklungen gewickelt ist.

Description

• Die Erfindung betrifft einen Wechselrichter, mit einer Wechselrichterbrücke, die die Ausgangsspannung einer Gleichspannungsquelle in eine dreiphasige Wechselspannung wandelt und über drei Phasenleiter und einen Neutralleiter ausgibt, mit einem der Wechselrichterbrücke nachgeschaltetem Sinusfilter, und mit einer dem Sinusfilter nachgeschalteten Drosselspulenanordnung, die jeweils eine Drosselspulenwicklung für jeden Phasenleiter und für den Neutralleiter aufweist.
• Ein derartiger Wechselrichter erfüllt die Funktion, die Ausgangsspannung einer Gleichspannungsquelle in eine mehrphasige Wechselspannung umzuwandeln, die dann von elektrischen Verbrauchern genutzt und/oder in ein lokales oder öffentliches Wechselspannungsnetz eingespeist werden kann. Solche Wechselrichter kommen insbesondere bei elektrischen Anlagen zur Umwandlung regenerativer Energien, wie zum Beispiel Windkraft- oder Photovoltaikanlagen zur Anwendung.
• Wechselrichter dieser Bauart weisen eine Wechselrichterbrücke auf, die aus einer Brückenschaltung mehrerer Leistungshalbleiter besteht, welche getaktet angesteuert werden. Darüber hinaus sind im Allgemeinen verschiedene Filterschaltungen, bestehend aus induktiven und kapazitiven Bauteilen, vorgesehen. Allgemein üblich ist die Verwendung eines sogenannten Sinusfilters, welches zur Formung der von der Wechselrichterbrücke abgegebenen Ausgangsspannung dient. Zugleich wirkt das Sinusfilter als Tiefpass, welcher die, im Vergleich zur Frequenz der erzeugten Wechselspannung, hohen Taktfrequenzen (in der Größe von beispielhaft 18 kHz), die zur Ansteuerung der Leistungshalbleiter der Wechselrichterbrücke verwendet werden, ausfiltert.
• Ein Problem der Filteranordnungen besteht darin, dass sie Resonanzstellen aufweisen. Speziell bei Wechselrichtern mit Sinusfiltern kann es durch die Impedanz des Filters und zusätzlich durch im Allgemeinen unbekannte und variierende Anschlussimpedanzen zu einem Verschieben von Resonanzstellen in den Bereich der Wechselstrombrücken-Taktfrequenz kommen.
• Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2005 031 372 A1 ist ein Wechselrichter mit einem durch Längsdrosseln und Kapazitäten ausgebildeten Sinusfilter bekannt. Speziell beschrieben ist ein dreiphasiger Wechselrichter ohne Neutralleiter zum Betrieb eines Motors, bei dem durch das Zusammenspiel von Sinusfilter und parasitären Kapazitäten der Motorzuleitung ein Resonanzproblem auftreten kann. Die Resonanzen können zu Spannungsimpulsen und damit zu Überspannungen auf den Phasenleitern führen. Beim Auftreten solcher Effekte ist es vorgesehen, dem Wechselrichter eine stromkompensierte Drossel als externes Bauteil nachzuschalten, um den Schwingkreis zu verstimmen und dadurch die Resonanzen zu beseitigen und den Motor zu schützen.
• Bei Wechselrichtern mit einem Vierleitersystem können Resonanzanregungen auf allen drei Phasenleitern entstehen, wobei der Stromkreis über den Neutralleiter geschlossen wird. Bei einer synchronen Taktung der Brücken-Leistungshalbleiter kann ein derartiger Resonanzeffekt so zu einer Überlastung des Neutralleiters führen.
• Zur Vermeidung dieses Effekts ist bei einem von der Anmelderin in Serie produzierten Wechselrichter eine einem Sinusfilter nachgeschaltete Drosselspulenanordnung vorgesehen, wie sie in der 2 skizziert ist. Hierbei ist in jeden Phasenleiter sowie auch in den Neutralleiter eine eigene Drosselspule geschaltet, welche jeweils aus einem Drosselspulenkern mit einer darauf aufgebrachten Drosselspulenwicklung besteht. Die Drosselspulen der Phasenleiter bilden dabei mit den Längsdrosseln und Kondensatoren des Sinusfilters jeweils ein sogenanntes T-Filter aus. Der Zweck dieser Anordnung besteht darin, eine Mindestimpedanz festzulegen, um die Resonanzfrequenzen in allen Fällen in einem unkritischen Bereich zu halten.
• Nachteilig an dieser Anordnung ist, dass die vier als Einzelbauteile ausgebildeten Drosselspulen einen relativ hohen Kostenaufwand und einen relativ großen Platzbedarf beim Einbau in ein Gerätegehäuse erfordern.
• Es stellte sich die Aufgabe, einen Wechselrichter zu schaffen, der insgesamt platzsparender und kostengünstiger herstellbar ist.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die vier Drosselspulenwicklungen der Drosselspulenanordnung auf einem gemeinsamen Drosselspulenkern angeordnet sind, dass alle drei in die Phasenleiter geschalteten Drosselspulenwicklungen den gleichen Wicklungssinn aufweisen, und dass die vierte Drosselspulenwicklung, die in den Neutralleiter geschaltet ist, gegensinnig zu den anderen drei Drosselspulenwicklungen gewickelt ist.
• Der erfindungsgemäß ausgeführte Wechselrichter weist damit eine als ein einziges Bauteil ausgeführte Drossel auf, die für alle drei Phasenleiter als eine stromkompensierte Drossel (Gleichtaktdrossel) wirkt und für den Neutralleiter in Kombination mit den Phasenleitern eine Differenzstrom-Drossel (Gegentaktdrossel) ausbildet.
• Die Wicklungen der Gleichtakt-Gegentakt-Drossel sind vorzugsweise auf einem Ringkern für Speicherdrosseln, bestehend aus Eisenpulver, Ferrit oder einem ähnlichen Material, aufgebracht und bilden durch eine relativ geringe Windungsanzahl zunächst sehr kleine Induktivitäten aus. Die Phasenwicklungen der Gleichtakt-Gegentakt-Drossel werden dadurch nur für Ströme die synchron auf allen drei Phasenleitern gegen den Neutralleiter fließen als Induktivität wirksam und bilden in diesem Fall durch die gute Kopplung über den gemeinsamen Drosselspulenkern eine Reihenschaltung mit der Neutralleiterwicklung und damit eine relevante Induktivität. Hierdurch verstimmt sich die Schwingkreisfrequenz durch das Auftreten der Ströme in Richtung des Neutralleiters von selbst und beseitigt so störende oder sogar zerstörerisch wirkende Resonanzeffekte.
• Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Die 1 zeigt einen erfindungsgemäß ausgebildeten Wechselrichter; die 2 stellt zum Vergleich einen Wechselrichter nach dem Stand der Technik dar. Die 3 zeigt skizzenhaft einen möglichen Aufbau einer in einem erfindungsgemäß ausgebildeten Wechselrichter einsetzbaren Gleichtakt-Gegentakt-Drossel.
• Die 2 zeigt schematisch ein durch ein Seriengerät der Anmelderin bekanntes Aufbauprinzip eines Wechselrichters 1', dessen elektrische Ausgangsleistung vorzugsweise zur Einspeisung in ein öffentliches Wechselspannungsnetz 6 vorgesehen ist. Mit dem Eingang des Wechselrichters 1' ist eine Gleichspannungsquelle 5 verbunden, welche beispielsweise durch den Solargenerator einer Photovoltaikanlage gebildet sein kann.
• Die zum eigentlichen Wechselrichter 1' gehörenden Komponenten sind durch eine gestrichelte Umrandung zusammengefasst. Zu diesen Komponenten gehören eine Wechselrichterbrücke 2, ein der Wechselrichterbrücke 2 nachgeschaltetes Sinusfilter 3, sowie eine auf das Sinusfilter 3 folgende Drosselspulenanordnung 7. Dargestellt ist hier außerdem ein optional einzusetzendes EMV-Filter 4.
• Der Aufbau einer Wechselrichterbrücke 2 wird hier als grundsätzlich bekannt vorausgesetzt und daher an dieser Stelle nicht im Detail beschrieben. Bei einem dreiphasigen System weist eine Wechselrichterbrücke 2 etwa eine Anordnung aus drei Halbbrücken auf, die jeweils aus zwei Leistungshalbleiterschaltern bestehen, welche durch eine hier ebenfalls nicht dargestellte elektronische Steuerschaltung getaktet angesteuert werden.
• Die relativ hohen Taktfrequenzen der hierbei verwendeten Ansteuerimpulse werden durch ein als Tiefpassfilter wirkendes Sinusfilter 3 auf den Ausgangsleitungen L1, L2, L3, N der Wechselrichterbrücke 2 ausgefiltert. Das Sinusfilter 3 weist für jeden Phasenleiter L1, L2, L3 jeweils eine Längsdrossel 31 und einen gegen den Neutralleiter N geschalteten Kondensator 32 auf. Das Sinusfilter 3 beeinflusst zudem die Impulsform der Wechselrichterausgangsspannung.
• Dem Sinusfilter 3 nachgeschaltet ist eine Drosselspulenanordnung 7, die für jeden Phasenleiter L1, L2, L3 sowie auch für den Neutralleiter N jeweils eine Drosselspule 71 aufweist. Jede Drosselspule 71 besteht aus einem eigenen Drosselspulenkern mit einer darauf aufgebrachten Drosselspulenwicklung. Die den Phasenleitern L1, L2, L3 zugeordneten Drosselspulen 71 der Drosselspulenanordnung 7 bilden dabei mit den Längsdrosseln 31 und Kondensatoren 32 des Sinusfilters 3 jeweils ein sogenanntes T-Filter aus. Der Zweck dieser Anordnung besteht darin, dem Wechselrichter 1' eine Mindestimpedanz und damit auch den Frequenzbereich für mögliche Resonanzen vorzugeben.
• Zwischen der Drosselspulenanordnung 7 und dem Ausgang des Wechselrichters 1' ist ein EMV-Filter 4 angeordnet, das aus vier gleichsinnigen Drosselwicklungen 41 auf einem gemeinsamen Drosselkern 40 besteht, welche in die drei Phasenleiter L1, L2, L3 und in den Neutralleiter N eingeschaltet sind. Auf der Ausgangsseite der Drosselwicklungen 41 sind erste Kondensatoren 42 zwischen jeden Phasenleiter L1, L2, L3 und den Neutralleiter N, und zweite Kondensatoren 43 zwischen die Phasenleiter L1, L2, L3 und ein Massepotential M geschaltet. Das EMV-Filter 4 erfüllt die Funktion eines Netzfilters, welches elektrische Störimpulse zwischen der Wechselrichterbrücke 2 und dem Wechselspannungsnetz 6 in beiden Richtungen aussiebt.
• Neben den induktiven und kapazitiven Komponenten des Wechselrichters 1' beeinflussen auch die elektrischen Eigenschaften des mit dem Wechselrichter 1' gekoppelten Wechselspannungsnetzes 6 oder eines angeschlossenen Verbrauchers die Resonanzeigenschaften des Wechselrichters 1'. Durch eine geeignete Dimensionierung der Drosselspulen 71 kann die Drosselspulenanordnung 7 dabei so ausgelegt werden, dass die Resonanzfrequenzen des Wechselrichters 1' unabhängig von den Eigenschaften eines angekoppelten Wechselspannungsnetzes 6 oder Verbrauchers immer weitab von den Taktfrequenzen der Wechselrichterbrücke liegen.
• Allerdings entsteht bei dieser bekannten Ausführungsform eines Wechselrichters 1' besonders durch die als Einzelbauteile ausgeführten vier Drosselspulen 71 ein vergleichsweise hoher Kostenaufwand und Bauraumbedarf.
• Dieses Problem löst oder verringert zumindest der in der 1 dargestellte erfindungsgemäß aufgebaute Wechselrichter 1. Die dem Sinusfilter 3 nachgeschaltete Drosselspulenspulenanordnung 8 besteht hier erfindungsgemäß nur noch aus einer einzigen Drossel, die eine Gleichtakt-Gegentakt-Drossel 8 ausbildet.
• Der Aufbau dieser Gleichtakt-Gegentakt-Drossel 8 ist in der 3 skizzenhaft dargestellt. Die Gleichtakt-Gegentakt-Drossel 8 weist vier auf einem gemeinsamen Drosselspulenkern 80 angeordnete Drosselspulenwicklungen 81, 82 auf. Drei dieser Wicklungen 81, von denen jeweils eine in jede der drei Phasenleitungen L1, L2, L3 geschaltet ist, sind gleichsinnig gewickelt und mit jeweils gleicher Windungszahl ausgeführt. Idealerweise bestehen die Phasenwicklungen 81 auch aus dem gleichen Drahtmaterial, so dass sie praktisch identisch zueinander ausgeführt sind und identische elektrische Eigenschaften aufweisen.
• Die vierte Wicklung 82 ist gegensinnig zu den ersten drei Wicklungen 81, ausgeführt und in den Neutralleiter N eingeschaltet. Die elektrischen Eigenschaften der Neutralleiterwicklung 82 sind üblicherweise abweichend zu denen der drei Phasenwicklungen 81 ausgeführt, um die nachfolgend beschriebene Funktion optimal zu erfüllen.
• Die Gleichtakt-Gegentakt-Drossel 8 bildet zusammen mit dem Sinusfilter 3 für jeden Phasenleiter L1, L2, L3 ein T-Filter aus und wirkt unter symmetrischer Belastung als stromkompensierte Drossel. Bei einem Phasenversatz der von der Wechselrichterbrücke 2 und dem Sinusfilter 3 generierten dreiphasigen Wechselspannung von 120° heben sich die Ströme I_L1, I_L2, I_L3 durch die Phasenwicklungen 81 der Gleichtakt-Gegentakt-Drossel 8 in der Neutralleiterwicklung 82 genau auf. In diesem Fall gilt: I_N = I_L1 + I_L2 +I_L3 = 0
• Damit ist auch der durch den Neutralleiter N fließende Strom I_N = 0 und die Induktivität der Neutralleiterwicklung 82 wird nicht wirksam.
• Im Gegensatz zu den Strömen I_L1, I_L2, I_L3 der drei Wechselspannungsphasen heben sich die taktfrequenten Ströme I_{L1_takt}, I_{L2_takt}, I_{L3_takt} durch die Phasenwicklungen 81 nicht auf und sind immer als Summenstrom I_{N_takt} im Neutralleiter N vorhanden: I_{N_takt} = I_{L1_takt} + I_{L2_takt} + I_{L3_takt} ≠ 0
• Im Falle einer Resonanz zwischen der Taktfrequenz und der Eigenfrequenz der Bauteile des Wechselrichters können die die taktfrequenten Ströme I_{L1_takt}, I_{L2_takt}, I_{L3_takt} durch die Phasenwicklungen 81 stark ansteigen, wodurch ohne weitere Maßnahmen der überhöhte Summenstrom I_{N_takt} den Neutralleiter N überlasten würde.
• Erfindungsgemäß fließt der Summenstrom I_{N_takt} durch die Gegentaktwicklung 82 der Gleichtakt-Gegentakt-Drossel 8. Für einen Strom durch den Neutralleiter N liegen die Phasenwicklungen 81 alle jeweils mit der Neutralleiterwicklung 82 in Reihe. Die sich dabei insgesamt ergebende Induktivität ist in diesem Fall jedoch größer als eine reine Addition der Induktivitäten der einzelnen hintereinandergeschalteten Wicklungen 81, 82. Da diese durch einen Ringkern 80 gekoppelt sind gilt näherungsweise:

  

  mit:

L:

Induktivität

n:

Windungszahl

μ₀:

magnetische Feldkonstante

μ_r:

relative Permeabilität

A:

Querschnittsfläche des Ringkerns

r:

mittlerer Radius des Ringkerns

• Die Windungszahl n ergibt sich hier als die Summe aus der Windungszahl der jeweiligen Phasenwicklungen 81 und der Windungszahl der Neutralleiterwicklung 82.
• Durch die Kopplung geht die Anzahl der Windungen n quadratisch in die Induktivität L ein, die resultierende Induktivität ist also deutlich größer als die reine Addition zweier einzelner Induktivitäten gleicher Windungszahl.
• Durch die erfindungsgemäße Verwendung einer Gleichtakt-Gegentaktdrossel 8 bei einem Vierleitersystem werden gleich mehrere vorteilhafte Wirkungen erzielt. So wird in einem Resonanzfall der durch den Neutralleiter N fließende Strom I_N stark gedämpft. In vielen Fällen verschiebt sich wirksam werdende Induktivität die Resonanzfrequenz zu unkritischerer Werte hin. Gegenüber der in der 2 dargestellten T-Filterstruktur mit jeweils einer eigenen Drossel pro Phasenleiter L1, L2, L3 und Neutralleiter N stellt die Gleichtakt-Gegentaktdrossel 8 ein wesentlich kleineres Bauteil dar, das zudem geringere elektrische Verluste verursacht und kostengünstiger herstellbar ist.
• Bezugszeichenliste

1, 1'

Wechselrichter

2

Wechselrichterbrücke

3

Sinusfilter

31

Längsdrossel

32

Kondensator

4

EMV-Filter

40

Drosselkern

41

Drosselwicklungen

42

erste Kondensatoren

43

zweite Kondensatoren

5

Gleichspannungsquelle

6

Wechselspannungsnetz

7

Drosselspulenanordnung

71

Drosselspulen

8

(Gleichtakt-Gegentakt-)Drossel (Drosselspulenanordnung)

80

Drosselspulenkern (Ringkern)

81

(Phasen-)Wicklungen

82

(Neutralleiter-)Wicklung (vierte Wicklung)

81, 82

Drosselspulenwicklungen

L1, L2, L3

Phasenleiter

M

Massepotential

N

Neutralleiter

L1, L2, L3, N

Ausgangsleitungen

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• DE 102005031372 A1 [0005]

Claims (6)

1. Wechselrichter (1, 1'), – mit einer Wechselrichterbrücke (2), die die Ausgangsspannung einer Gleichspannungsquelle (5) in eine dreiphasige Wechselspannung wandelt und über drei Phasenleiter (L1, L2, L3) und einen Neutralleiter (N) ausgibt, – mit einem der Wechselrichterbrücke (2) nachgeschaltetem Sinusfilter (3), – und mit einer dem Sinusfilter (3) nachgeschalteten Drosselspulenanordnung (7, 8), die jeweils eine Drosselspulenwicklung (71, 81, 82) für jeden Phasenleiter (L1, L2, L3) und für den Neutralleiter aufweist, dadurch gekennzeichnet, – dass die vier Drosselspulenwicklungen (81, 82) der Drosselspulenanordnung (8) auf einem gemeinsamen Drosselspulenkern (80) angeordnet sind, – dass alle drei in die Phasenleiter (L1, L2, L3) geschalteten Drosselspulenwicklungen (81) den gleichen Wicklungssinn aufweisen, – und dass die vierte Drosselspulenwicklung (82), die in den Neutralleiter (N) geschaltet ist, gegensinnig zu den anderen drei Drosselspulenwicklungen (81) gewickelt ist.
2. Wechselrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Drosselspulenkern (80) als Ringkern ausgebildet ist.
3. Wechselrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein EMV-Filter (4) vorgesehen ist, aufweisend eine Drosselwicklung (41) in jedem Phasenleiter (L1, L2, L3) und in dem Neutralleiter (N) und mit der den Drosselwicklungen (41) nachgeschalteten erste Kondensatoren (42), die zwischen den Phasenleitern (L1, L2, L3) und dem Neutralleiter (N) und zweite Kondensatoren (43) von den Phasenleitern (L1, L2, L3) gegen ein Massepotential (M) geschaltet sind.
4. Wechselrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenleiter (L1, L2, L3) und der Neutralleiter (N) zur Einspeisung elektrischer Energie mit einem Wechselspannungsnetz (6) verbindbar sind.
5. Wechselrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechselrichter (1) Bestandteil einer Photovoltaikanlage ist.
6. Wechselrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleichspannungsquelle (5) ein Solargenerator ist.

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