CN101507112A - 低泄漏emc滤波器 - Google Patents

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CN101507112A CNA2007800304950A CN200780030495A CN101507112A CN 101507112 A CN101507112 A CN 101507112A CN A2007800304950 A CNA2007800304950 A CN A2007800304950A CN 200780030495 A CN200780030495 A CN 200780030495A CN 101507112 A CN101507112 A CN 101507112A
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Abstract

一种EMC滤波器，可连接在供电网和电操作设备之间以降低所述供电网和所述设备之间的传导噪声，该EMC滤波器包括一个电压调节器(120、120a、120b、120c)，其具有输出端子(100、110)，为了在电源频率处降低“Y”电容器(330)或有源旁路模块(360)两端的电压降，该输出端子(100、110)的电位被保持为接近地电位。通过这样的方式，到地的漏电流被明显降低。本发明的装置在角接地三相线或与RCD装置结合时特别有用。

Description

低泄漏EMC滤波器
技术领域
本发明涉及用于限制由EMC滤波器产生的入地漏电流的装置。本发明在相导线之一接地的电力系统中特别有用，并且在大多数AC和DC供电系统中是有利的。
背景技术
为了获得共模衰减，电力线EMC滤波器在大多数情况中包括接地电容器(所谓的Y电容)以及适当的电感。这样不可避免地产生不希望的后果：电流通过Y电容器流入地-所谓的入地漏电流(ELC)。图1以单线图的形式示出已知的EMC滤波器的例子，Y电容由参考标记30表示，36是相应的电感，35是入地漏电流的通路。通常，Y电容器的容量和Y电容器两端的电压越大，ELC越强。
认为高电平的ELC对工作人员是危险的。除了对人的危险外，过高的ELC能干扰电气系统的可靠工作。特别地，包含残留电流检测(RCD)的设备由于RCD装置的跳闸而被中断。因此当设计EMC滤波器的时候，把入地漏电流最小化被认为是好的设计。
对于使用星型接地电源的电力系统(即欧洲的TN系统)入地泄漏可能是个问题，不过因为系统在地电位附近是平衡的，在正常情况下ELC通常是适中的。然而在高功率滤波器或者需要强共模衰减时会出现高ELC值。
对于日本的230V德尔塔(delta)电源，一个相接地(所谓“角地”(corner earth))。在这种情况下，没有消除地电流。除非仅使用小的Y电容器，否则将存在大的ELC。
在日本普遍使用的是RCD装置。这限制了在RDC装置没有跳闸风险的情况下能够安全使用的Y电容器的大小。因此需要找到一种方法，其中能够使用大的Y电容器同时保持低的入地漏电流。
类似的问题也存在于IT电力系统中，如在轮船和工厂等中使用的IT电源系统。在这里，馈电线电源仅经由高阻抗不精确地参考到地。这样做使得如果发生一个相短路接地，该设备将继续相对安全地工作。但是在这种短路模式中电力系统实际上是“角接地”的。如果使用大的Y电容器，那么将存在高的ELC。
因此，存在对具有低ELC的噪声抑制滤波器的不断增长的需求。传统上，为了限制ELC，这样的滤波器已经被构造为在地通路中具有减少的电容。但是，为了保持合适的衰减，滤波器电感必须被相应地增加以补偿减少的电容，这可能使滤波器变得更大并且更贵。然而，即便增加电感值仍不是完整的解决方案，并且对于降低EMC噪声，具有小的Y电容的滤波器通常没有具有较高的Y电容的滤波器那么有效。此外，该增加的电感会导致增加的功率损耗、温度上升和端到端的电压降，所有这些都是不利的状况。
这里描述的模块具有这样的益处：能够在滤波器结构中使用大的Y电容器，而没有RCD装置跳闸的风险。因此不需要增加电感器的大小，从而也没有其相应的缺点。该模块将在接通时保持低的ELC并且能够在任何故障状况期间和正常运转状况期间基本上消除所有的入地漏电流。本发明同样能应用于用于单线或多线应用的单级和多级滤波器。
发明内容
根据本发明，借助所附的权利要求的目的获得这些目标。
附图说明
借助于对实施例的描述将更好地理解本发明，实施例以例子的形式给出并且由附图示出，其中：
图1是单线图，其以简化示意图的方式示出了已知类型的EMC滤波器和漏电流的通路。
图2以简化示意图的方式示出了已知类型的三相EMC滤波器和漏电流的通路。
图3以简化示意图的方式示出了包含插入在“角地”三相系统中的本发明的泄漏抑制结构的EMC滤波器。
图4以简化示意图的方式示出了包含插入在单相系统中的本发明的泄漏抑制特征的EMC滤波器。
图5示意性地示出了根据本发明的一个方面的调节器的可能实现。
图6和7示意性地示出了本发明的调节器的实现的其它变体。
图8-11示出了在根据本发明的一系列EMC滤波器中调节器的可选连接。
图12是在图11的实施例中引入的虚旁路节点的示意性图示。
图13是根据本发明的电压调节器的实现的另外的变体。
图14示出了根据本发明实施例的仅使用分立元件的后调节器电路。
图15以简化示意图的方式示出了包含继电器电路的本发明的另一实施例。
具体实施方式
在EMC滤波器中入地泄漏的问题和原因如图1中所示。为了抑制由装置15所产生的并沿着线11传送的可能的干扰，可以是单相或多相的电力线11通过滤波器20连接到装置15。在其最简单的实现中，该滤波器包含连接在相导线和接地导线之间的“Y”电容器30和串联电感36。任何在“Y”电容器30两端看到的电位对入地漏电流36的贡献很大。
图2示出了在三相电力线的情况中的相同状况。在这种情况中已知滤波器使用连接在相L1、L2、L3两端的“X”电容器组331，其有助于减少差模噪声。另一方面，共模噪声由连接在星型点90和地之间的电容器330抑制。如在所示的角接地的例子中，如果相电位相对于地电位并不是平衡的，“Y”电容器330看到大的电位，并且允许相当大的入地漏电流35流动。
图3示意性地示出了根据本发明的一方面的电磁兼容滤波器(EMC滤波器)的一些特征。打算在三相电力线中使用的该滤波器包含虚地调节器120，虚地调节器120具有连接到地电位或等价地连接到基本为地电位的导线的参考输入(Ref)。调节器120使它的输出(Out)节点100的电位稳定到可感测为不变的水平，从而迫使其达到参考(Ref)输入处存在的地电位。这样的调节和迫使可以由几种已知装置得到，所有这些装置均包含在本发明的范围内，其中一些将在下面通过例子更好地讨论。
噪声旁路模块连接在电压调节器120的输出100和地参考电位之间，以吸收在相导线L1、L2、L3上传送的最终噪声。在所示的例子中噪声旁路模块是简单的“Y”电容器330，但是可以预见，在本发明的范围内，它可以被包括无源和/或有源元件的合适的容性网络或电路所代替，其在预期有噪声的频率处呈现低阻抗。
虚地调节器120的作用是“Y”电容器330看到的不是完全的线电位，而是大大减小的电位，其可以根据所获得的调节精度而被限制到若干伏或者甚至更低。通过这样的方式“Y”电容器330两端的泄漏被减小到无关紧要的水平。相应地，“X”电容器331两端的电压降由于虚地调节器120的引入而增加。但是相关的漏电流129由调节器120的输出引出，并且经由调节器的馈电线返回到相L1、L2、L3，而不会对入地漏电流做出贡献。
应当认识到对于本发明的运行来说电位虚地节点100应当被强制到绝对恒定的值不是必要的。实际上，为了将通过“Y”电容器330的入地漏电流限制到无害的量，应在幅度和/或在速度上充分降低该电位的变化就足够了。并且，调节应当为严格线性或在所有频率上有效也不是必要的。
虚地调节器不需要大的带宽。在实际实现中，为了在50或60Hz的电源频率(mains frequency)处和高至电源频率的某个低谐频处稳定节点100的虚地电位，同时在远离电源频率的高频处(在此频率处预期有噪声)呈现高输出阻抗，调节器120在低频处具有低输出阻抗就足够了。因此虚地调节器不一定直接对噪声抑制做出贡献，该共模噪声通常经由电容器330旁路到地。
为了简化视图，图3和接下来的几个图并没有示出EMC滤波器的感应元件。应当理解这些图是部分表示，而非完全表示，在这里给出以描述其各种实施例中的本发明。本发明的滤波器也可以包含未示出的其它元件，像电感器、共模电感器、电流补偿线圈、有源元件、连接器、保险丝(fuse)和其它部件；根据本领域中已知的惯例并视情况而定。
图4示出根据本发明的具有虚地节点的滤波器的实现的另一例子。在这种情况下，以未示出感性元件的简化形式示出的滤波器被插入具有火(L)线、零(N)线以及地线的单相线路中，并且该滤波器包括“Δ”电容器250、“X”电容器231和“Y”电容器230。虚地调节器120将虚地节点100的电压稳定在接近地电位的值。通过这样的方式，通过“Y”电容器230的入地漏电流被大大减小，同时V网络“X”电容器231两端的泄漏被调节器120吸收并总计为火线和零线上的可忽略的电负载，而不对入地泄漏做出贡献。
即使所示出的例子描述的是三相和单相应用，但这并不对本发明构成限制，本发明还包括用于具有任意数目的相和任意种类的接地系统的DC和AC电力系统的应用。
图5示出了虚地调节器120a的一个可能的电路实现。由于输出电压仅被保持在地电位附近(典型地在+/-10V内)，所以这个调节器120a被称作“粗调节器”。电力经由保险丝122被馈送到桥式整流器123。经过整流的电压被馈送到互补的FET对(Q1和Q2)两端。FET栅极被连接在一起并且经由高阻抗RC电路124参考到通常为地电位的参考输入(Ref)。调节器输出从FET源经由源电阻器(2xRs)和低阻抗129馈出。由齐纳二极管(2xDg)和源电阻器(2xRs)提供电流限制以保护FET。能根据电阻器星型网络(3xRv)和栅极阻抗(Rg//Cg)控制输出电压。当更多地由Rg和Cb控制时，输出将是方波。另一方面，当输出更多地由Rv控制时，调节器120b的行为为更线性并且输出接近正弦波。
注意到，输出阻抗129在高频处也产生高阻抗并且起阻止RF噪声电流通过调节器的作用。这保证了大部分RF电流从电力线经由电容器“X”和“Y”传到地。
应当注意，由于虚地调节器120a参考到地，其部件以及尤其是RC电路124应该被设计成合适的尺寸并且应该被证实可承受电源电压(mains voltage)。并且RC电路124的阻抗应当尽可能地高，以不对入地漏电流作出贡献。
图6示出了虚地调节器(VER)的另一个可能的电路实现。该调节器120b是粗调节器120a和后调节器120d的串联连接。后调节器120d由辅助电源128馈电的运算放大器126构成，该辅助电源被参考到粗调节器的输出。该运算放大器被配置为电压跟随器。它的输入经由高阻抗125参考到地。后调节器的输出因此被非常精确地保持在地电位。因为运算放大器126被粗调节器120a保护免于承受电源电压，所以粗调节器120a避免了使用高电压运算放大器。供电电压(supply voltage)128必须足够大以适应粗调节器输出的动态摆动(+/-10V)。阻抗125应该优选地被设计成合适的尺寸并且被证实在粗调节器120a或者辅助电源128发生故障时可承受电源电压。
在图5的实施例中，由于FETQ1和Q2的死区，粗调节器120a的输出电压不是正弦的而大致是方形的。“Y”电容器330(见图3)对于快速变化的信号具有低阻抗。因此，当使用图5的粗调节器时，漏电流的峰值流过电容器330，与粗调节器120a的输出过渡相对应，其中斜率dV/dt是高的。
图5的粗调节器120a是在许多情况下能够提供可接受的结果的更简单的解决方案。特别地，在配备RDC装置的电力系统中，这些经常应用一定程度的集成并且对短的漏电流峰值相对不敏感。在这样的情况中单独使用粗调节器可能是足够的。
后调节器120d在输出节点100提供低幅度和低斜率的电压，有效地把旁路模块330两端的泄漏最小化。同样的效果可以通过用由分立部件构成的电路替代用运算放大器126实现的电压跟随器来获得，从而实现同样的功能。
图14示出了后调节器120f的可能实现，其能够代替图6中的块120d。和图6或者其它图中的电路相同的部件由相同的参考标记表示。调节器120f使用两个晶体管Q1和Q2以及单独的浮置电源128，浮置电源128借助于端子L1和L2连接到合适的AC功率源。
借助于高阻抗网络125将后调节器的输入紧密地束缚(tie)到地电位，并且至少在电源频率，输出端子(Out)的电位将非常低。因此连接到输出的滤波器电容器(在图中未示出)的泄漏将非常低。另一方面，输出阻抗网络129阻止RF噪声电流经过调节器。这确保大部分RF电流经由电容器“X”和“Y”从电力线传到地。
图14的分立的后调节器实现起来比图6中的运算放大器电路更便宜，并且为了减少寄生共振和不稳定性可以选择其带宽。
图7示出使用开关技术的粗调节器120c的另一种形式。该电路和图5的粗调节器120a共用许多部件，并且这些部件用相同的参考标记表示。明显的差别是晶体管Q1和Q2在这里是由数字控制电路729驱动的。这具有高效率优势。
图8示出虚地调节器120的可选连接，其中虚地节点插入在两个“Y”电容器333和332之间。当使用大的“X”电容器时，这是有用的。虚地调节器120仅需要从较小的333电容器中提取电流，因此调节器的输出级可以使用额定功率更低的部件。
图9示出连接到代替电容器的有源旁路模块360的虚地调节器120。有源旁路模块360是有源阻抗，其执行与先前例子的“Y”电容器330相同的任务。由于该有源旁路模块360的卓越性能，该电路是适于结合图5或图7的粗调节器120a或者120c之一使用。
图10示出虚地母线110的概念。一个VER模块120可以如在多级滤波器中所使用的那样被用来限制多个电容器网络的泄漏。任选地，虚地母线110，从一级到下一级，穿过共模电感器380，其具有与电力线L1-L3相同的匝数和绕向。插入噪声衰减的第二级，包括电容器341和340。由于“Y”电容器340被连接到虚地母线110，该虚地母线110通过虚地调节器120被保持在接近地电位，因此“Y”电容器340不对入地漏电流做出明显的贡献。应当理解，根据需要，电容器330、340的一个或者两者可以由容性网络或者包含有源旁路模块的其它旁路装置代替。
图11示出在使用虚旁路节点技术的多级滤波器中的虚地母线，欧洲专利申请EP1619768描述了这样的虚旁路节点技术，该专利申请纳入此处作为参考。形成多个共模级同时仅需要一个VER模块120。
虚旁路节点电感器600以这样的方式实现：在虚地母线110上提供电压降，该电压降等于或成比例于当穿越电感器600时电力线L1、L2、L3上所存在的电压降。通过这种方式，就噪声滤除而言，图11的电路等价于如图12所示的具有两个独立的“X”电容器组的两级滤波器。
图13示出改进的粗调节器120e。和图5的粗调节器120a一样的部件由相同的参考标记表示。使用该变体，FET的栅极由运算放大器226的输出驱动。该运算放大器被配置为电压跟随器使得该调节器的输出被保持在非常接近地电位。该运算放大器的非反相输入经由高阻抗参考到地并且与来自FET源的反馈电压进行比较。FET的交叉(cross-over)死区实际上由运算放大器的增益占据(take up)。通过这种方式，图13的布置相比于图5的布置提供更接近地电位的输出电压。在等价的变体中，运算放大器226能被用分立部件实现的具有合适的正向增益的放大器级代替。
运算放大器226需要小的辅助电源228，其具有比FET死区电压(约+/-5V)大的电压。该电源被参考到FET源的输出。
注意图6的调节器120b提供最准确的虚地调节。但是，与电路120b中所要求的相比，图13的变体120e具有运算放大器226的功率和尺寸更小的优势。
图15例示了本发明的另一个实施例，其中继电器电路700被添加到EMC滤波器中，该继电器电路700包括两个鉴别器块720和730、逻辑与710、电压调节器740和继电器装置750。该EMC滤波器还包括噪声旁路模块850和X电容器网络800以及Y电容器网络900，该X电容器网络800和Y电容器网络900均被连接在该EMC滤波器内的相910、920和930之间。
X电容器网络800导致(由于故障)在开路状态下的相不会变得完全死掉。在双故障状况下(两相断开)，这两个断相(open phase)将被激励到剩余相的电压。在单故障(一个相断开)下，该断相将被激励到正常相对地电压的一半。在后一情况中，鉴别器块720和730将在满电压和半电压之间鉴别以确定是否已经发生故障。注意，该电源内的其它部件在故障期间也影响相电压。
对继电器电路700的控制与地无关，故障检测与继电器致动完全在相之间，并且所有继电器控制和致动电路被相关参考到相L1。注意，识别器(identifier)L1、L2和L3的使用仅为了技术描述的目的，并且，实际上，任何相能被连接到任何端子(即，该系统不是相敏感的)。
鉴别器720和730监控相L2和L3分别相对于相L1的线电压。如果来自任一相的电压下降到阈值电压以下，那么输出标志被设为低。鉴别器阈值电压被设为最高峰值工作电压的一半之上和最低峰值工作电压之下。继电器块由逻辑与输出控制。仅当两个鉴别器标志都是高时，逻辑与提供高输出标志。
继电器线圈751用场效应晶体管752进行缓冲。电力经由电压调节器740提供给继电器线圈。这是有利的，因为继电器线圈电压小于供电电压并且因为供电电压将改变。电压调节器由浪涌电容器741、整流器二极管742和限制峰值直流电压的变阻器743构成。根据未示出的变体，继电器装置750可以被任何合适的开关装置代替，像例如固态继电器、晶体管等等。包括上述继电器电路的EMC滤波器允许在发生故障时使噪声旁路模块绝缘。
在接通时，旁路模块850两端的电压能够在零和峰值线电压之间的任意位置摆动。继电器750在该时刻被去激励，所以其通常断开的接触阻止任何电流流向地，并且涌入的入地泄漏被最小化。在单模式故障或者双模式故障中，继电器750也被去激励，并且使旁路模块850与地绝缘。
在图15的电路中，旁路模块850的一侧借助于继电器装置750参考到地，旁路模块850的另一端子连接到虚地调节器(VER)120g的输出。这限制了因电源不平衡而造成的工业频率(power frequency)ELC。
在正常工作条件下，当继电器装置750闭合时，Y电容器网络900连接到电力线L1-L3并且旁路模块850的Z电容器Cz被连接在Y电容器网络星型点100和地之间。这两个模块的串联组合在滤波器内提供地通路电容(earth path capacitance)。
VER电路120g的输出被连接到Y星型点100。在工业频率处，Y星型点100通过VER模块120g被保持接近地电位。因此Z电容在两个电极上看到接近地的电位，并且因此在工业频率处看到接近零的电流。这避免了产生ELC的工业频率分量。
电力经由电压电源123a提供给VER模块120g。这包括浪涌额定电容器(surge rated capacitor)860。这些电容器被设计为合适的尺寸以在将功率限制在电压跟随器的功耗能力内。当负载阻抗等于等价电容器阻抗时，达到最大功率。因此电源是自限制的。
X电容器网络以通常方式在滤波器内提供差模衰减。其还经由电容器860和变阻器S1、S2为电源123a提供稳定的参考点。由于“X”电容器的值大，星型点呈现出非常低的阻抗，并且通过这样的方式可以得到非常低的纹波供电电压。此外X电容器网络为从Y电容器网络提取的电流提供回路，而不是把电流导向地，因此避免了过量的ELC。
高通滤波器866监控Y星型点100的电压Vy并根据传递函数Vj/Vy＝B(f)提供运算放大器326的非反相输入电压的控制电压Vi。频率行为的电路分析表明VER电路120g在低频时对星型点100呈现出非常低的输出阻抗，因此限制了旁路模块850两端的电压降，和VLC。在由高通滤波器866的传递函数B(f)定义的较高频率处，VER电路120g的输出阻抗增加，并且其能完全忽略噪声，该噪声由旁路模块850旁路到地。
高通滤波器866的截止频率可以被设置为例如大约1kHz。通过这样的方式，VER模块有效地限制了在50-60Hz的入地漏电流并且对于最强的线电压谐波分量有效，虽然VER模块120g不必处理任何高频噪声分量。这允许使用简单的VER模块，从而具有高稳定性和低功耗。在给出的例子中，VER模块120g的输出级由单个Q4表示以简化视图，但是优选地其将由如图13中所示的互补晶体管对实现。
根据本发明的独立方面，图15中所示的VER模块120g和电源单元123a能够与前述实施例的布置之一组合，而省去继电器保护电路700。

Claims (21)

1.一种EMC滤波器，可连接在供电网和电操作设备之间以降低所述供电网和所述设备之间的传导噪声，该EMC滤波器包括一个电压调节器(120、120a、120b、120c、120d、120g)和噪声旁路模块(330、332、360、340、230、850)，该电压调节器具有输出端子(100、110)，其电位被强制为该电压调节器的参考输入的电位，该噪声旁路模块的一个端子连接到该电压调节器(120、120a、120b、120c、120d、120g)的该输出(100、110)，并且另一个端子基本在与该电压调节器(120、120a、120b、120c、120d、120g)的参考输入(Ref)相同的电位。
2.根据前一权利要求所述的EMC滤波器，借此该电压调节器用于降低通过噪声旁路模块(330、332、360、340、230、850)的漏电流。
3.根据前面任一权利要求所述的EMC滤波器，其中该电压调节器的参考输入可连接到供电网的地导线。
4.根据前面任一权利要求所述的EMC滤波器，其中噪声旁路模块是电容器(330，332)或者容性网络。
5.根据前面任一权利要求所述的EMC滤波器，其中噪声旁路模块是有源旁路电路(360)。
6.根据前面任一权利要求所述的EMC滤波器，其中电压调节器(120)被设置为将该输出端子保持在电源频率处偏离该参考输入+/-10伏特以内的电压电平。
7.根据前面任一权利要求所述的EMC滤波器，其中电压调节器(120)包括一对互补输出FET(Q1，Q2)
8.根据前面任一权利要求所述的EMC滤波器，其中电压调节器(120)包括粗调节器(120a)和后调节器(120c)，该粗调节器(120a)被设置为在电源频率处产生偏离该参考输入+/-10伏特以内的电压电平，该后调节器(120c)具有参考到该粗调节器输出的辅助电源(128)。
9.根据前一权利要求所述的EMC滤波器，其中后调节器(120c)包括运算放大器(126)。
10.根据权利要求7所述的EMC滤波器，其中电压调节器包括在反馈布置中位于该对互补输出FET(Q1，Q2)之后的放大器(226)。
11.根据前面任一权利要求所述的EMC滤波器，其中电压调节器(120、120b)的行为基本是线性的。
12.根据前面任一权利要求所述的EMC滤波器，其中电压调节器(120、120b)的输出基本是方波。
13.根据前面任一权利要求所述的EMC滤波器，包括以级布置的多个旁路模块(330、340)，其中电压调节器(120，120b)的输出(110)被连接到该多个旁路模块。
14.根据前一权利要求所述的EMC滤波器，其中从一级横贯到下一级的电压调节器(120，120b)的输出(110)通过共模电感器(380、600)。
15.根据前一权利要求所述的EMC滤波器，其中其中一级包括虚旁路节点。
16.根据前面任一权利要求所述的EMC滤波器的使用，以降低通过噪声旁路模块(330、332、360)的入地漏电流。
17.根据前一权利要求所述的EMC滤波器的使用，用在角接地的三相线或者单相线中或者在IT三相线中。
18.一种用于降低EMC滤波器中通过噪声旁路模块到地导线的电流泄漏的方法，所述噪声旁路模块例如电容器或容性网络或有源电路，该方法包括用包括有源元件的电压调节器强制该噪声旁路模块两端的电压降的步骤。
19.一种EMC滤波器，可连接在供电网和电操作负载之间以降低所述供电网和所述负载之间的传导噪声，该EMC滤波器包括一个噪声旁路模块(460)，该噪声旁路模块(460)的一个端子连接到该电压调节器(120、120a、120b、120c、120d)的输出(100、110)，并且另一个端子基本在与该电压调节器(120、120a、120b、120c、120d)的参考输入(Ref)相同的电位。
20.根据权利要求1-15中任一权利要求所述的EMC滤波器，包括与所述噪声旁路模块连接的继电器电路(700)，用于在发生故障时使所述噪声旁路模块(850)绝缘。
21.根据前一权利要求所述的EMC滤波器，其中继电器电路(700)进一步包括两个鉴别器，以监控该供电网的其中两相(L2、L3)相对于该供电网的第三相(L1)的电压电平。
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