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Dokumentenidentifikation DE102007023845A1 22.01.2009
Titel Verlustbehaftetes Tiefpassfilter
Anmelder Siemens AG, 80333 München, DE
Erfinder Schierling, Hubert, Dr., 91052 Erlangen, DE
DE-Anmeldedatum 23.05.2007
DE-Aktenzeichen 102007023845
Offenlegungstag 22.01.2009
Veröffentlichungstag im Patentblatt 22.01.2009
IPC-Hauptklasse H03H 7/01  (2006.01)  A,  F,  I,  20070523,  B,  H,  DE
IPC-Nebenklasse H02M 1/12  (2006.01)  A,  L,  I,  20070523,  B,  H,  DE
Zusammenfassung Die Erfindung bezieht sich auf ein verlustbehaftetes Tiepassfilter (22) mit einer Filterinduktivität (16), mit einem Filterkondensator (18) und mit einem Dämpfungswiderstand (32), der mit dem Filterkondensator (18) elektrisch in Reihe geschaltet ist. Erfindungsgemäß ist der Filterkondensator (18) auf wenigstens zwei Kondensatorzweige (36, 38) aufgeteilt und ist in wenigstens einem Kondensatorzweig (38) eine Trennvorrichtung vorgesehen. Somit erhält man ein verlustbehaftetes Tiefpassfilter, das eine geringere Verlustleistung aufweist und gegenüber beliebigen Netzen robust ist.

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf ein verlustbehaftetes Tiefpassfilter gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.

Filterschaltungen, insbesondere LC-Tiefpassfilter, weisen eine Resonanzfrequenz auf. Wird ein derartiges Filter in der Nähe dieser Resonanzfrequenz angeregt, wird diese Anregung sehr verstärkt. Diese Anregung kann durch Netzoberschwingungen oder Harmonische eines an einem Netz angeschlossenen Umrichtergerätes erfolgen.

Wegen dieser Problematik wird ein Filter so ausgelegt, dass in der Nähe der Resonanzfrequenz keine Anregung erfolgt. Da Anregungen nicht gänzlich ausgeschlossen werden können, sind Dämpfungswiderstände vorgesehen, die eine auftretende Resonanzüberhöhung in tolerierbaren Grenzen halten. Jedoch muss man bei diesen Tiefpassfiltern mit einer erhöhten Verlustleistung rechnen.

Diese LC-Tiefpassfilter, insbesondere verlustbehaftete Tiefpassfilter, können als Netzfilter oder als Ausgangsfilter bei einem Umrichtergerät verwendet werden. Filter, die die beschriebene Problematik aufweisen, sind daran zu erkennen, dass bei ihnen der Effektivwert des Kondensatorstromes im Falle einer Anregung in der Resonanz größer wird als im Normalbetrieb.

In der 1 ist ein Blockschaltbild eines Umrichters 2 ohne Zwischenkreiskondensator dargestellt, der mit einem Netzfilter 4 versehen ist. Dieser Umrichter 2 weist netzseitig einen rückspeisefähigen, netzgetakteten Stromrichter 6, der auch als Fundamental Frequency Front End Converter (F3E) bezeichnet wird, und lastseitig einen selbstgeführten Pulsstromrichter 8 auf. Diese beiden Stromrichter 6 und 8 sind gleichspannungsseitig direkt miteinander elektrisch leitend verknüpft. Die netzseitigen Anschlüsse 10, 12 und 14 des netzseitigen rückspeisefähigen Stromrichter 6 sind mittels des Netzfilters 4 mit einem nicht näher dargestellten Netz elektrisch leitend verbunden. Als Netzfilter 4 ist ein LC-Tiefpassfilter vorgesehen, der eine Filterinduktivität 16 und einen Filterkondensator 18 für jede Netzphase aufweist. Die Filterinduktivität 16 kann durch eine Drossel oder durch den Innenwiderstand des Netzes erzeugt werden. Die Filterkondensatoren 18 sind in dieser Darstellung elektrisch in Dreieck geschaltet, können jedoch auch elektrisch in Stern geschaltet werden. Dieser Spannungszwischenkreis-Umrichter 2 mit einem F3E Einspeisestromrichter 6 ist in der Veröffentlichung "PCIM 2003 – Nürnberg", Mai 2003, ausführlich beschrieben, so dass an dieser Stelle nicht näher auf diesen Umrichter eingegangen werden muss.

In der 2 ist ein Blockschaltbild eines lastseitigen Stromrichters 20 eines nicht vollständig dargestellten Spannungszwischenkreis-Umrichters mit einem Ausgangsfilter 22 dargestellt (1 der EP 0 682 402 A1). Vom Spannungszwischenkreis-Umrichter ist außerdem ein Zwischenkreiskondensator 24 dargestellt. Die ausgangsseitigen Anschlüsse 26, 28 und 30 des lastseitigen Stromrichters 20, der auch als Wechselrichter bezeichnet wird, sind mit Eingängen des Ausgangsfilters 22 verknüpft, an deren Ausgängen eine Last angeschlossen ist. Als Ausgangsfilter 22 ist ein verlustbehaftetes LC-Tiefpassfilter vorgesehen. Dieses verlustbehaftete Tiefpassfilter 22 weist eine Filterinduktivität 16, einen Filterkondensator 18 und einen Dämpfungswiderstand 32 für jede Ausgangsphase des Wechselrichters 20 auf. Die Filterkondensatoren 18 sind in dieser Darstellung elektrisch in Stern geschaltet, können jedoch auch elektrisch im Dreieck geschaltet werden. Jeweils ein Dämpfungswiderstand 32 ist mit einem Filterkondensator 18 elektrisch in Reihe geschaltet. Mittels dieser Dämpfungswiderstände 32 werden die Effektivwerte der Kondensatorströme im Falle einer Anregung in der Resonanz bedämpft. Durch die Verwendung von Dämpfungswiderständen 32 steigt die Verlustleistung dieses Filters 22 an.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein verlustbehaftetes Tiefpassfilter derart weiterzubilden, dass deren Verlustleistung geringer wird.

Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 erfindungsgemäß gelöst.

Dadurch, dass jeweils ein Filterkondensator auf wenigstens zwei Kondensatorzweige aufgeteilt wird, kann in einem dieser Kondensatorzweige eine Trennvorrichtung angeordnet werden. Mittels dieser Trennvorrichtung wird bei einer Anregung mit Resonanzfrequenz dieser Kondensatorzweig aufgetrennt. Dadurch verändert sich der Kapazitätswert des Filterkondensators, wodurch dieses verlustbehaftete Tiefpassfilter verstimmt ist. Dadurch verschließt das verlustbehaftete Tiefpassfilter seinen Resonanzbereich, so dass die Anregung nicht mehr so stark verstärkt wird. Die Verstimmung dieses verlustbehafteten Tiefpassfilters hängt von der Anzahl auftrennbarer Kondensatorzweige ab. Durch diese erfindungsgemäße Weiterbildung des verlustbehafteten Tiefpassfilters können die vorhandenen Dämpfungswiderstände in ihren Werten verringert werden, wodurch die entstehende Verlustleistung sich ebenfalls verringert.

Als Trennvorrichtung kann ein Schalter und eine Temperaturmess-Vorrichtung vorgesehen sein, wobei die Temperaturmess-Vorrichtung mit einem Dämpfungswiderstand eines Kondensatorzweiges eines Kondensatorstranges des verlustbehafteten Tiefpassfilters thermisch und ausgangsseitig mit einem Steuereingang des Schalters verknüpft ist. Dadurch wird in Abhängigkeit der Temperatur dieses Widerstandes die Auftrennung eines Kondensatorzweiges eines Kondensatorstranges erzielt.

Vorteilhafter und weniger aufwändig ist die Verwendung eines Widerstandes mit positivem Temperaturkoeffizienten, ein so genannter PTC-Widerstand. Dieser PTC-Widerstand ist elektrisch in Reihe zu einem Kondensator eines Kondensatorzweiges je eines Kondensatorstranges des verlustbehafteten Tiefpassfilters geschaltet. Der elektrische Widerstand dieses PTC-Widerstandes vergrößert sich bei steigender Temperatur so sehr, dass dieser Kondensatorzweig für den Kondensatorstrom aufgetrennt erscheint. Da dieser Widerstand mit positiven Temperaturkoeffizienten nur bei tiefen Temperaturen einen Strom leiten kann, wird dieser auch als Kaltleiter bezeichnet.

Den Unteransprüchen 4 bis 6 ist zu entnehmen, wie die Bauelemente mehrerer Kondensatorzweige eines Kondensatorstranges miteinander kombiniert werden können.

Dadurch, dass jeweils ein Filterkondensator eines Kondensatorstranges eines beispielsweise mehrphasigen verlustbehafteten Tiefpassfilters auf wenigstens zwei Kondensatorzweige aufgeteilt wird, besteht nun die Möglichkeit, durch Heraustrennen wenigstens eines Kondensators eines Kondensatorstranges die Resonanzfrequenz dieses mehrphasigen verlustbehafteten Tiefpassfilters so zu verstimmen, dass eine Anregung des Filters in der Nähe der nicht verstimmten Resonanzfrequenz nicht mehr zu einer Überlastung des Filters führt. Daher kann ein derartiges erfindungsgemäßes Filter mit geringerer Dämpfung, d. h., mit geringeren Verlusten, ausgelegt werden. Ein erfindungsgemäßes Filter, das als Netzfilter verwendet wird, kann für einen weiten Bereich der Netzinduktivität benutzt werden. Dadurch ist ein solches Filter robust gegenüber beliebigen Netzen.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in der mehrere Ausführungsformen eines Kondensatorstranges eines verlustbehafteten Tiefpassfilters nach der Erfindung schematisch veranschaulicht sind.

1 zeigt ein Blockschaltbild eines Umrichters mit einem Netzfilter, in der

2 ist ein Blockschaltbild eines Wechselrichters eines Umrichters mit zugehörigem Ausgangsfilter dargestellt, die

3 zeigt eine erste Ausführungsform eines Kondensatorstranges eines verlustbehafteten Tiefpassfilters nach der Erfindung, wobei in der

4 eine vorteilhafte Ausführungsform eines Kondensatorstranges eines verlustbehafteten Tiefpassfilters nach der Erfindung dargestellt ist und wobei in den

5 bis 7 verschiedene Ausführungsformen des Kondensatorstranges nach 4 dargestellt sind.

In der 3 ist eine erste Ausführungsform eines Kondensatorstranges 34 eines verlustbehafteten beispielsweise mehrphasigen Tiefpassfilters 22 dargestellt. In der 2 bildet jeweils eine Reihenschaltung eines Dämpfungswiderstandes 32 und eines Filterkondensators 18 einen Kondensatorstrang 34. Gemäß der Erfindung ist nun dieser Filterkondensator 18 auf zwei Kondensatorzweige 36 und 38 aufgeteilt. Im Kondensatorzweig 36 sind ein Kondensator 40 und der Dämpfungswiderstand 32 elektrisch in Reihe geschaltet, wobei im Kondensatorzweig 38 ein Kondensator 42 und ein Schalter 44 elektrisch in Reihe geschaltet sind. Die Summe der beiden Kapazitätswerte der beiden Kondensatoren 40 und 42 entsprechen dem Kapazitätswert des Filterkondensators 18, beispielsweise des verlustbehafteten Tiefpassfilters 22 der 2. Gegenüber dem herkömmlichen Kondensatorstrang weist dieser Kondensatorstrang 34 außerdem eine Temperaturmess-Vorrichtung 36 auf, die thermisch mit dem Dämpfungswiderstand 32 verknüpft ist. Ausgangsseitig ist diese Temperaturmess-Vorrichtung 46 mit einem Steuereingang des Schalters 44 elektrisch leitend verbunden. Als Schalter kann jeder beliebige abschaltbare Halbleiterschalter oder mechanischer Schalter (Relais) vorgesehen werden. Sobald die Temperatur des Dämpfungswiderstandes 32 einen vorbestimmten Temperaturwert übersteigt, wird der Kondensatorzweig 38 dieses Kondensatorstranges 34 aufgetrennt.

Dadurch halbiert sich der Kapazitätswert des Filterkondensators 18, wodurch dieses Filter 22 verstimmt ist. Dadurch wird eine Anregung in der Nähe der Resonanzfrequenz des Filters 22 aufgehoben, da die Resonanzfrequenz des verstimmten Filters 22 ungleich der Resonanzfrequenz des nicht verstimmten Filters 22 ist. Dadurch kann der Widerstandswert des Dämpfungswiderstandes 32 geringer ausfallen, wodurch das verlustbehaftete Tiefpassfilter 22 nach der Erfindung eine geringere Dämpfung aufweist. Wegen der geringeren Dämpfung weist dieses Filter 22 auch eine geringere Verlustleistung auf.

In der 4 ist eine vorteilhafte Ausführungsform eines Kondensatorstranges 34 des verlustbehafteten Tiefpassfilters 22 schematisch dargestellt. Diese vorteilhafte Ausführungsform unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß 3 dadurch, dass an Stelle des Schalters 44 und der Temperaturmess-Vorrichtung 46 ein Widerstand 48 mit positiven Temperaturkoeffizienten vorgesehen ist. Dieser Kaltleiter 48 ist elektrisch in Reihe zum Kondensator 42 des Kondensatorzweiges 38 des Kondensatorstranges 34 geschaltet. Mit Erreichen einer PTC-Temperatur ist dieser Kaltleiter 48 sehr hochohmig. Der Übergang vom niederohmigen zum hochohmigen Zustand ist sehr steil. Im hochohmigen Zustand kann dieser PTC-Widerstand 48 keinen Strom mehr leiten. Dadurch ist der Kondensator 42 aus diesem Kondensatorstrang 34 herausgeschaltet, wodurch sich der Kapazitätswert des Filterkondensators 18 halbiert hat.

In der 5 ist eine weitere Ausführungsform eines Kondensatorstranges 34 eines verlustbehafteten Tiefpassfilters 22 nach der Erfindung schematisch veranschaulicht. Dieser Kondensatorstrang 34 unterscheidet sich vom Kondensatorstrang 34 der 4 dadurch, dass im Kondensatorzweig 38 ein weiterer Dämpfungswiderstand 50 vorgesehen ist, der elektrisch in Reihe zum PTC-Widerstand 48 geschaltet ist. Dadurch kann ein Kaltleiter 48 mit kleinerem Widerstandswert verwendet werden. Dieser Kaltleiter 48 ist gegenüber dem Kaltleiter 48 der Ausführungsform der 4 preisgünstiger und erreicht seine PTC-Temperatur in einer kürzeren Zeit. Dadurch hat sich das Ansprechverhalten des verlustbehafteten Tiefpassfilters 22 nach der Erfindung wesentlich verbessert, wodurch bei einer Erregung mit Resonanzfrequenz diese umgehend verstimmt wird. Außerdem kann die Dämpfung des Filters durch diesen weiteren Dämpfungswiderstand so unabhängig von der Verfügbarkeit von PTC-Widerständen geeigneter Größe gewählt werden.

In der 6 ist eine weitere Ausführungsform eines Kondensatorstranges 34 eines verlustbehafteten Tiefpassfilters 22 nach der Erfindung veranschaulicht. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß 5 dadurch, dass der Kondensatorzweig 36, bestehend aus der Reihenschaltung des Dämpfungswiderstandes 32 und des Kondensators 40, elektrisch parallel zur Reihenschaltung des Kaltleiters 48 und des Kondensators 42 des Kondenstorstranges 38 geschaltet ist. Dadurch ist der Dämpfungswiderstand 50 für beide Kondensatorzweige 36 und 38 wirksam. Das heißt, der Widerstandswert des Dämpfungswiderstandes 32 des Kondensatorzweiges 36 kann weiter verringert werden, ohne dass sich an der Funktionsweise der Verstimmung des Filters 22 etwas ändert. Außerdem trägt der Widerstand 50 auch nach Verstimmung des Filters zur Dämpfung bei.

In der 7 ist eine weitere Ausführungsform eines Kondensatorstranges 34 eines verlustbehafteten Tiefpassfilters 22 nach der Erfindung dargestellt. Bei dieser Ausführungsform des Kondensatorstranges 34 ist ein Filterkondensator 18 des Filters 22 auf drei Kondensatoren 40, 42 und 52 aufgeteilt, die jeweils in einem Kondensatorzweig 36, 38 und 54 angeordnet sind. Diese Kondensatorzweige 36, 38 und 54 sind elektrisch parallel geschaltet, so dass die Summe der Kapazitätswerte dieser drei Kondensatoren 40, 42 und 52 gleich dem Kapazitätswert des Filterkondensators 18 des Tiefpassfilters 22 gemäß der 2 ist. Die beiden Kondensatorzweige 36 und 38 weisen jeweils einen PTC-Widerstand 48 und 56 auf. Diesen drei elektrisch parallel geschalteten Kondensatorzweigen 36, 38 und 40 ist ein Dämpfungswiderstand 58 in Reihe geschaltet. Bei dieser Ausgestaltung können die Kaltleiter 48 und 56 bzw. die Kondensatorwerte so gewählt werden, dass die Verstimmung des Filters 22 stufenweise vorgenommen wird. In der ersten Stufe verringert sich der Kapazitätswert des Filterkondensators 18 um ein Drittel, wobei in einer zweiten Stufe sich der Kapazitätswert nochmals um ein Drittel verringert. Dadurch wird auch der Fall beherrscht, dass die Anregung sowohl die Resonanz des unverstimmten Filters als auch die des nach erster Stufe verstimmten Filters enthält.

Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Kondensatorstränge 34 eines verlustbehafteten mehrphasigen Tiefpassfilters kann auf alle Filtertopologien angewendet werden, bei denen der Effektivwert eines Kondensatorstromes im Falle einer Anregung in der Resonanz größer wird als im Normalbetrieb. Das heißt, dass sich die Erfindung nicht nur auf das Netzfilter eines F3E-Stromrichters eines Spannungszwischenkreis-Umrichters 2 gemäß 1 anwenden lässt, sondern auf alle Arten von Netzfiltern und auch auf Ausgangsfilter von Umrichtern, beispielsweise gemäß 2.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung eines jeden Kondensatorstranges 34 eines verlustbehafteten Tiefpassfilters 22 reduziert sich der Aufwand eines derartigen Filters, weil die Größe der Dämpfungswiderstände reduziert werden kann. Dadurch weist ein verlustbehaftetes Tiefpassfilter 22 mit erfindungsgemäß ausgebildeten Kondensatorsträngen 34 eine geringere Verlustleistung auf. Außerdem ist dieses Filter 22 gegen Netzoberschwingungen, Schwankungen der Netzimpedanz bzw. Harmonische des Stromrichters robuster.

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

  • - EP 0682402 A1 [0006]


Anspruch[de]
Verlustbehaftetes Tiefpassfilter (22) mit einer Filterinduktivität (16), mit einem Filterkondensator (18) und mit einem Dämpfungswiderstand (32), der mit dem Filterkondensator (18) elektrisch in Reihe geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Filterkondensator (18) auf wenigstens zwei Kondensatorzweige (36, 38) aufgeteilt ist, und dass in wenigstens einem Kondensatorzweig (38) eine Trennvorrichtung vorgesehen ist. Verlustbehaftetes Tiefpassfilter (22) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Trennvorrichtung ein Schalter (44) und eine Temperaturmess-Vorrichtung (46) vorgesehen ist, dass diese Temperaturmess-Vorrichtung (46) thermisch mit einem Dämpfungswiderstand (32) verbunden ist, und dass diese Temperaturmess-Vorrichtung (46) ausgangsseitig mit einem Steuereingang des Schalters (44) verknüpft ist. Verlustbehaftetes Tiefpassfilter (22) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Trennvorrichtung ein Widerstand (48) mit positivem Temperaturkoeffizienten vorgesehen ist. Verlustbehaftetes Tiefpassfilter (22) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in jedem Kondensatorzweig (36, 38) ein Dämpfungswiderstand (32, 50) angeordnet ist. Verlustbehaftetes Tiefpassfilter (22) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass den Kondensatorzweigen (36, 38) gemeinsam ein Dämpfungswiderstand (50) zugeordnet ist. Verlustbehaftetes Tiefpassfilter (22) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kondensatorzweig (38) mit der Trennvorrichtung ein Dämpfungswiderstand (50) angeordnet ist. Verlustbehaftetes Tiefpassfilter (22) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Schalter (44) ein abschaltbarer Halbleiterschalter vorgesehen ist. Verlustbehaftetes Tiefpassfilter (22) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem dreiphasigen Tiefpassfilter die Kondensatoren (18) elektrisch in Dreieck geschaltet sind. Verlustbehaftetes Tiefpassfilter (22) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem dreiphasigen Tiefpassfilter die Kondensatoren (18) elektrisch in Stern geschaltet sind.






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