DE102011001147A1

DE102011001147A1 - Vormagnetisierte AC-Drossel mit Polwender

Info

Publication number: DE102011001147A1
Application number: DE102011001147A
Authority: DE
Inventors: Jens Friebe; Oliver Prior; Prof. Dr. Zacharias Peter
Original assignee: SMA Solar Technology AG
Current assignee: SMA Solar Technology AG
Priority date: 2011-03-08
Filing date: 2011-03-08
Publication date: 2012-09-13
Also published as: US9293247B2; EP2684199A1; EP2684199B1; WO2012119890A1; US20140035711A1; CN103415900B; CN103415900A

Abstract

Bei einer AC-Drossel (1) mit einem Kern, mit mindestens einem Permanentmagnet zur Vormagnetisierung des Kerns, mit einer Drosselwicklung (8) auf dem Kern und mit einer Schaltung, die einen durch die AC-Drossel fließenden Wechselstrom so durch die Drosselwicklung (8) führt, dass er während jeder seiner Halbwellen eine der Vormagnetisierung durch den Permanentmagnet entgegen gerichtete Magnetisierung des Kerns hervorruft, ist die Schaltung ein Polwender (13), der den zwischen zwei Anschlüssen (2, 3) der AC-Drossel (1) fließenden Wechselstrom während jeder seiner Halbwellen mit gleicher Stromflussrichtung durch denselben Teil der Drosselwicklung (8) führt.

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung bezieht sich auf eine AC-Drossel mit einem Kern, der durch mindestens einen Permanentmagnet vormagnetisiert ist, und die die weiteren Merkmale des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 aufweist. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Betreiben einer solchen AC-Drossel.
STAND DER TECHNIK
Die Verwendung einer Drossel mit vormagnetisiertem Kern ist für Gleichstromanwendungen bereits seit langem bekannt, siehe zum Beispiel DE 11 13 526 B . Dabei ist die Vormagnetisierung des Kerns durch den Permanentmagnet der Magnetisierung entgegen gerichtet, die von dem durch die Drosselwicklung fließenden Gleichstrom hervorgerufen wird. Auf diese Weise wird der magnetische Arbeitsbereich des Kerns der Drossel in Bezug auf die Sättigungsgrenzen seiner Magnetisierung verschoben. So reicht verglichen mit einer Drossel ohne Vormagnetisierung ein kleinerer Kern aus.
Für Wechselstromanwendungen ist eine Drossel mit vormagnetisiertem Kern nicht ohne weiteres einsetzbar, weil sich mit dem Wechsel zwischen den Stromrichtungen zwischen den Halbwellen des Wechselstroms grundsätzlich auch die Richtung der durch den Strom hervorgerufenen Magnetisierung des Kerns ändert. Es gibt damit keine Richtung der Vormagnetisierung des Kerns, die den Arbeitsbereich der Drossel in Bezug auf die magnetische Sättigung ihres Kerns für beide Stromrichtungen gleichzeitig sinnvoll verschieben würde.
Aus der EP 2 104 115 A1 ist eine AC-Drossel mit einem vormagnetisierten Kern und den weiteren Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 bekannt, deren Drosselwicklung in zwei Teilwicklungen unterteilt ist. Ein durch die AC-Drossel fließender Wechselstrom wird halbwellenweise den beiden Teilwicklungen, die einander entgegen gesetzte Wicklungsrichtungen aufweisen, zugeführt, so dass der Wechselstrom während jeder seiner Halbwellen eine Magnetisierung des Kerns der AC-Drossel in derselben Richtung. hervorruft. So kann mit dem Permanentmagnet der magnetische Arbeitsbereich der AC-Drossel hinsichtlich der Sättigungsgrenzen in sinnvoller Weise verschoben werden. Die Schaltung, die bei dieser bekannten AC-Drossel den Wechselstrom zwischen den beiden Teilwicklungen der Drosselwicklung umschaltet, dient zugleich zum Gleichrichten dieses Wechselstroms in einen Gleichstrom und/oder zum Erzeugen dieses Wechselstroms aus einem Gleichstrom. Durch die beiden separaten Teilwicklungen der Drosselwicklung können die Vorteile eines vormagnetisierten Kerns bei dieser bekannten Drossel, insbesondere die Verringerung des Bauvolumens, nicht voll genutzt werden.
AUFGABE DER ERFINDUNG
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Drossel und ein Verfahren zu ihrem Betrieb aufzuzeigen, die die Vorteile eines vormagnetisierten Kerns, insbesondere hinsichtlich der Verringerung des Bauvolumens, auch für Wechselstromanwendungen voll nutzbar machen.
LÖSUNG
Die Aufgabe der Erfindung wird durch eine AC-Drossel mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der neuen AC-Drossel sind in den abhängigen Patentansprüchen 2 bis 8 definiert. Der nebengeordnete Patentanspruch 9 betrifft ein Verfahren zum Betreiben der neuen AC-Drossel und der abhängige Patentanspruch 10 eine bevorzugte Ausführungsform dieses Verfahrens.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Bei der neuen AC-Drossel mit einem Kern, mit mindestens einem Permanentmagnet zur Vormagnetisierung des Kerns, mit einer Drosselwicklung auf dem Kern und mit einer Schaltung, die einen durch die AC-Drossel fließenden Wechselstrom so durch die Drosselwicklung führt, dass er während jeder seiner Halbwellen eine der Vormagnetisierung durch den Permanentmagnet entgegen gerichtete Magnetisierung des Kerns hervorruft, ist die Schaltung ein Polwender, der den zwischen zwei Anschlüssen der AC-Drossel fließenden Wechselstrom während jeder seiner Halbwellen mit gleicher Stromflussrichtung durch denselben Teil der Drosselwicklung führt.
Der Polwender der erfindungsgemäßen AC-Drossel dreht vor jeder Halbwelle des Wechselstroms die Anschlussrichtung der Drosselwicklung um. So wird dieselbe Drosselwicklung der AC-Drossel von einem pulsierenden Gleichstrom durchflossen, dessen Pulse anschließend wieder halbwellenweise zu dem Wechselstrom zusammengesetzt werden. Die Drosselwicklung und der ihr zugeordnete Kern mit der Vormagnetisierung durch den Permanentmagnet können daher wie bei einer bekannten Drossel mit vormagnetisiertem Kern für Gleichstromanwendungen aufgebaut und optimiert sein.
Insbesondere weist die Drosselwicklung der neuen AC-Drossel regelmäßig nur zwei Anschlüsse auf, und der Polwender verbindet diese beiden Anschlüsse der AC-Drossel alternierend mit den beiden Anschlüssen der Drosselwicklung in elektrisch leitender Weise. Dieses elektrisch leitende Verbinden durch den Polwender kann teilweise auch mit Hilfe von passiv schaltenden Elementen, wie beispielsweise Gleichrichterdioden, erfolgen. Eine sperrende Gleichrichterdiode wird hierbei nicht als elektrisch leitende Verbindung angesehen.
In einer konkreteren Ausführungsform weist der Polwender der erfindungsgemäßen AC-Drossel in seinen vier Zweigen zwischen den beiden Anschlüssen der AC-Drossel und den beiden Anschlüssen der Drosselwicklung jeweils einen bidirektional sperrenden Schalter auf. Indem von diesen vier Schaltern je Halbwelle immer zwei geöffnet und zwei geschlossen sind (wobei die jeweiligen geschlossenen Schalter nicht zwischen den Anschlüssen der AC-Drosseln in Reihe geschaltet sind), gibt der Polwender die Stromflussrichtung durch die Drosselwicklung vor.
Statt der vier bidirektional sperrenden Schalter können bei dem Polwender auch unidirektional sperrende Schalter und damit jeweils in Reihe geschaltete, in Sperrrichtung des Schalters weisende Stromgleichrichter vorgesehen sein. Die Stromgleichrichter sperren dabei einen Strom in einer unerwünschten Stromflussrichtung durch den jeweils nur unidirektional sperrenden Schalter.
Die Schalter des Polwenders der erfindungsgemäßen AC-Drossel sind vorzugsweise Halbleiterschalter, wobei dem Fachmann sowohl für bidirektional sperrende als auch für unidirektional sperrende Schalter verschiedene Ausführungsmöglichkeiten zur Verfügung stehen.
Bei der neuen AC-Drossel kann zusätzlich eine Vormagnetisierungswiederherstellungsschaltung vorgesehen sein, um eine Magnetisierungswicklung um den Permanentmagnet mit einem Magnetisierungsstrompuls zu beaufschlagen, der eine der Magnetisierung des Permanentmagneten gleichgerichtete Magnetisierung mit einer über die Aufmagnetisierungsfeldstärke des Permanentmagneten hinausgehenden Feldstärke hervorruft. Die Vormagnetisierungswiederherstellungsschaltung ist so in der Lage, eine aus jedweden Gründen zurückgegangene Magnetisierung des Permanentmagneten wiederherzustellen.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibungseinleitung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Weitere Merkmale sind den Zeichnungen – insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung – zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen AC-Drossel unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert und beschrieben.
1 ist ein Schaltbild einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen AC-Drossel.
2 skizziert den mit Permanentmagneten vormagnetisierten Kern und die darauf angeordnete Drosselwicklung der AC-Drossel gemäß 1.
3 zeigt den Verlauf des Stroms eines sinusförmigen Wechselstroms über der Zeit, wie er durch die AC-Drossel gemäß 1 fließt; und
4 ist ein Schaltbild einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen AC-Drossel.
FIGURENBESCHREIBUNG
Die in 1 dargestellte AC-Drossel 1 weist zwei Anschlüsse 2 und 3 auf. Die AC-Drossel 1 ist für Wechselstromanwendungen vorgesehen, bei denen ein Wechselstrom halbwellenweise vom Anschluss 2 zum Anschluss 3 und vom Anschluss 3 zum Anschluss 2 fließt. Die AC-Drossel 1 umfasst eine Drosselspule 4, für die ein Ausführungsbeispiel in 2 gezeigt ist. Die Drosselspule 4 umfasst einen Kern 5, der mit Hilfe von Permanentmagneten 6 in einer durch Pfeile 7 angedeuteten Richtung vormagnetisiert ist, und eine auf den Kern 5 gewickelte Drosselwicklung 8. Bei Bestromung der Drosselwicklung 8, wobei ein Strom zwischen deren Anschlüssen 9 und 10 fließt, wird ein Magnetfeld in dem Kern 5 hervorgerufen. Zu diesem Magnetfeld sind in 2 Feldlinien 11 eingezeichnet, wobei Pfeilspitzen 12 die Richtung des magnetischen Felds durch den ringförmigen Kern 5 andeuten. Diese Richtung ist der Richtung der Vormagnetisierung des Kerns 5 durch die Permanentmagnete 6 entgegen gerichtet. Aus diesem Grund tritt erst bei höheren Strömen zwischen den Anschlüssen 9 und 10 eine magnetische Sättigung des Kerns 5 ein. Dies gilt jedoch nur für Ströme einer Stromflussrichtung zwischen den Anschlüssen 9 und 10.
Bei einem Wechselstrom wechselt die Stromflussrichtung halbwellenweise, wie in 3 gezeigt ist, die den zeitlichen Verlauf des Stroms 1 für einen Wechselstrom wiedergibt. Dabei ist der Verlauf für die erste, positive Halbwelle des Wechselstroms mit durchgezogener Linie und für die zweite, negative Halbwelle des Wechselstroms mit gestrichelter Linie wiedergegeben.
Die AC-Drossel 1 gemäß 1 weist einen Polwender 13 auf, der die Anschlüsse 9 und 10 der Drosselspule 4 halbwellenweise alternierend mit den Anschlüssen 2 und 3 der AC-Drossel 1 verbindet, so dass der Wechselstrom immer in der gleichen Stromflussrichtung zwischen den Anschlüssen 9 und 10 durch die Drosselwicklung 8 fließt. In 1 sind die Stromwege zwischen den Anschlüssen 2 und 3 der AC-Drossel für die erste Halbwelle des Wechselstroms gemäß 3 mit durchgezogener Linie und vom Anschluss 2 zum Anschluss 3 zeigender Pfeilspitze 14 und für die zweite Halbwelle mit gestrichelter Linie und vom Anschluss 3 zum Anschluss 2 zeigender Pfeilspitze 15 angezeigt. Um den Strom derart halbwellenweise zu leiten, weist der Polwender 13 in seinen vier Zweigen 16 bis 19 zwischen den Anschlüssen 2 und 3 einerseits und den Anschlüssen 9 und 10 andererseits vier Schalter 20 bis 23 auf, die hier als bidirektional sperrende Schalter ausgebildet sind. Von den Schaltern 20 bis 23 sind die Schalter 20 und 22 während der ersten Halbwelle des Wechselstroms geschlossen, während die Schalter 21 und 23 offen sind. Umgekehrt sind während der zweiten Halbwelle des Wechselstroms gemäß 3 die Schalter 23 und 21 geschlossen, während die Schalter 20 und 22 offen sind. Indem durch die Drosselspule 4 bzw. die Drosselwicklung 8 gemäß 2 nur ein pulsierender oder getakteter Gleichstrom, das heißt ein Strom immer gleicher Stromflussrichtung fließt, kann die Drosselspule 4 mit der Vormagnetisierung des Kerns 5 in einer festen Richtung mit Hilfe der Permanentmagnete 6 wegen der dadurch besseren Ausnutzung des Materials des Kerns 5 kleiner gebaut werden als eine Drosselspule 4, durch deren Drosselwicklung 8 ein Wechselstrom mit wechselnder Stromflussrichtung fließt. Dabei weist die Drosselspule 4 nur eine einzige Drosselwicklung 8 auf dem Kern 5 auf.
4 zeigt eine Ausführungsform der AC-Drossel 1, bei der der Polwender 13 keine bidirektional sperrenden Schalter, sondern in geöffnetem Zustand nur unidirektional sperrende Schalter 24 bis 27 in seinen Zweigen 16 bis 19 aufweist, was durch Wiedergabe inhärenter antiparalleler Dioden 28 bis 31 dieser Schalter 24 bis 27 angedeutet ist. Diese Schalter 24 bis 27 sind in den einzelnen Zweigen 16 bis 19 jeweils mit einer Gleichrichterdiode 32 bis 35 in Reihe geschaltet, deren Durchlassrichtung der Durchlassrichtung der inhärenten antiparallelen Dioden 28 bis 31 des jeweiligen Schalters 24 bis 27 entgegen gerichtet ist. Der Polwender 13 verbindet durch Schließen der Schalter 24 und 26 während der positiven Halbwellen des Wechselstroms den Anschluss 2 mit dem Anschluss 9 und den Anschluss 10 mit dem Anschluss 3, während er mit den Schaltern 27 und 29 während der negativen Halbwellen des Wechselstroms den Anschluss 3 mit dem Anschluss 9 und den Anschluss 10 mit dem Anschluss 2 verbindet. Dabei zeigen die Durchlassrichtungen der Gleichrichterdioden 32 bis 35 immer in die Stromflussrichtung durch den jeweiligen Zweig 16 bis 19 des Polwenders 13.
Bezugszeichenliste

1: AC-Drossel
2: Anschluss
3: Anschluss
4: Drosselspule
5: Kern
6: Permanentmagnet
7: Pfeil
8: Drosselwicklung
9: Anschluss
10: Anschluss
11: Feldlinie
12: Pfeilspitze
13: Polwender
14: Pfeilspitze
15: Pfeilspitze
16: Zweig
17: Zweig
18: Zweig
19: Zweig
20: Schalter
21: Schalter
22: Schalter
23: Schalter
24: Schalter
25: Schalter
26: Schalter
27: Schalter
28: Diode
29: Diode
30: Diode
31: Diode
32: Gleichrichterdiode
33: Gleichrichterdiode
34: Gleichrichterdiode
35: Gleichrichterdiode

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 1113526 B [0002]
EP 2104115 A1 [0004]

Claims

AC-Drossel (1) mit einem Kern (5), mit mindestens einem Permanentmagnet (6) zur Vormagnetisierung des Kerns (5), mit einer Drosselwicklung (8) auf dem Kern (5) und mit einer Schaltung, die einen durch die AC-Drossel (1) fließenden Wechselstrom so durch die Drosselwicklung (8) führt, dass er während jeder seiner Halbwellen eine der Vormagnetisierung durch den Permanentmagnet (6) entgegen gerichtete Magnetisierung des Kerns (5) hervorruft, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung ein Polwender (13) ist, der den zwischen zwei Anschlüssen (2, 3) der AC-Drossel (1) fließenden Wechselstrom während jeder seiner Halbwellen mit gleicher Stromflussrichtung durch denselben Teil der Drosselwicklung (8) führt.
AC-Drossel (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosselwicklung (8) zwei Anschlüsse (9, 10) aufweist.
AC-Drossel (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Polwender (13) die beiden Anschlüsse (2, 3) der AC-Drossel (1) alternierend mit den beiden Anschlüssen (9, 10) der Drosselwicklung (8) elektrisch leitend verbindet.
AC-Drossel (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Polwender (13) in seinen vier Zweigen (16–19) zwischen den beiden Anschlüssen (2, 3) der AC-Drossel (1) und den beiden Anschlüssen (9, 10) der Drosselwicklung (8) jeweils einen bidirektional sperrenden Schalter (20–23) aufweist.
AC-Drossel (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Polwender (13) in seinen vier Zweigen (16–19) zwischen den beiden Anschlüssen (2, 3) der AC-Drossel (1) und den beiden Anschlüssen (9, 10) der Drosselwicklung (8) jeweils einen unidirektional sperrenden Schalter (24–27) und einen damit in Reihe geschalteten, in Sperrrichtung des Schalters weisenden Stromgleichrichter aufweist.
AC-Drossel (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromgleichrichter Gleichrichterdioden (32–35) sind.
AC-Drossel (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalter (20–27) Halbleiterschalter sind.
AC-Drossel (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vormagnetisierungswiederherstellungsschaltung vorgesehen ist, um eine Magnetisierungswicklung um den Permanentmagnet (6) mit einem Magnetisierungsstrompuls zu beaufschlagen, der eine der Magnetisierung des Permanentmagneten gleichgerichtete Magnetisierung mit einer über die Aufmagnetisierungsfeldstärke des Permanentmagneten hinausgehenden Feldstärke hervorruft.
Verfahren zum Betreiben einer AC-Drossel (1) mit einem Kern (5), mit mindestens einem Permanentmagnet (6) zur Vormagnetisierung des Kerns (5), mit einer Drosselwicklung (8) auf dem Kern (5) und mit einem Polwender (13), der zwischen zwei Anschlüssen (2, 3) der AC-Drossel (1) und zwei Anschlüssen (9, 10) der Drosselwicklung (8) jeweils einen Schalter (20–23; 24–27) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalter (20–23; 24–27) paarweise so alternierend geöffnet und geschlossen werden, dass ein zwischen den beiden Anschlüssen (2, 3) der AC-Drossel (1) fließender Wechselstrom während jeder seiner Halbwellen mit gleicher Stromflussrichtung zwischen den Anschlüssen (9, 10) der Drosselwicklung (8) fließt.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn eine magnetische Sättigung der AC-Drossel registriert wird, eine Magnetisierungswicklung um den Permanentmagnet (6) mit einem Magnetisierungsstrompuls beaufschlagt wird, der eine der Magnetisierung des Permanentmagneten gleichgerichtete Magnetisierung mit einer über die Aufmagnetisierungsfeldstärke des Permanentmagneten hinausgehenden Feldstärke hervorruft.