CN111937284A

CN111937284A - 补偿滤波器和用于启动补偿滤波器的方法

Info

Publication number: CN111937284A
Application number: CN201980026090.2A
Authority: CN
Inventors: Y·卡林卡
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2018-02-15
Filing date: 2019-01-14
Publication date: 2020-11-13
Anticipated expiration: 2039-01-14
Also published as: EP3753094A1; US11245325B2; WO2019158289A1; DE102018103438A1; US20210075310A1

Abstract

说明一种用于使由耗电器造成的共模干扰衰减的补偿滤波器。所述补偿滤波器具有运算放大器、电容性元件、第一和第二电阻性元件和电流转换器。所述补偿滤波器使临界频率范围中的共模干扰衰减。

Description

补偿滤波器和用于启动补偿滤波器的方法

技术领域

本发明涉及例如用于抑制干扰信号、如泄漏电流的补偿滤波器，和用于启动相应的补偿滤波器的方法。

背景技术

在用于为耗电器供电的电线中流动的电流原则上可以被分成三类。一方面，如下电流可能流动，所述电流用于通常的应用，例如用于驱动马达等。此外，可以分配给故障的电流可能流动。这样，例如不期望的但可能的是，耗电器的壳体与引导电流的线路连接。如果例如用户触碰壳体，则相应的电流将流经用户。为了保护用户免受相应的电击，可能的是，在能量源与耗电器之间连接故障电流保护开关（FI开关）。故障电流保护开关将确定经由相应的不期望的路径的电流流动并且将耗电器与能量源分离。第三类电流涉及耗电器的泄漏电流。泄漏电流是如下电流，该电流在通常的运行条件下流入不期望的电流路径中并且与第二类的不期望的电流的区别在于，泄漏电流可能对于耗电器、诸如EMV滤波器或变频器的正确运转而言是必要的。

这种泄漏电流对用户而言基本上无危险，但是在具有故障电流保护开关的设备、例如故障电流保护开关中可能导致问题。尤其，泄漏电流可能触发故障电流保护开关并且因此严重地损害设备的可靠性。因此，期望一种电路，该电路提高耗电器的可靠性，该耗电器例如连接在故障电流保护开关之后。

从EP 3 113 361 A1中已知能够降低泄漏电流的滤波器电路。

此外可能的是，通过使用分离变压器来防止故障电流保护开关通过泄漏电流的无意的触发。电流分离导致，泄漏电流几乎完全在分离变压器的次级侧上流动并且因此不被位于初级侧上的故障电流保护开关检测到。然而，由于一些缺点而不期望使用分离变压器。结构尺寸在较高额定电流的情况下显著增加，使得分离变压器应被构建为大的并且重的。这尤其在移动耗电器的情况下可以是排除标准。高损耗功率和与此相联系的高温度是分离变压器的其他不期望的后果。

此外可能的是，使用具有固定端子的电网引线。于是例如可能的是，舍弃故障电流保护开关。在此情况下大的缺点是，相应地连接的耗电器是位置固定的。

因此存在对如下电路的期望，所述电路大大地降低或甚至完全补偿干扰、尤其共模干扰、诸如泄漏电流，使得原则上可以在没有固定端子的情况下使用有问题的耗电器。

发明内容

该任务通过独立权利要求的主题来解决。从属权利要求说明有利的设计方案。

缩减滤波器（Kondensationsfilter）为此包括第一端口、第二端口和在第一端口与第二端口之间的电线。此外，补偿滤波器具有运算放大器，该运算放大器具有输入端和输出端。附加地，补偿滤波器具有耦合在第一端口与运算放大器的输出端之间并且具有电容C₀的电容性元件。此外，补偿电容器具有耦合在电容性元件与运算放大器的输出端之间并且具有电阻R₀的第一电阻性元件。此外，滤波器具有与电容性元件并联地耦合并且将电线与运算放大器的输入端耦合的电流转换器。补偿滤波器的第二电阻性元件耦合在电容性元件与运算放大器的输入端之间并且具有电阻R_B。补偿滤波器使临界频率范围中的共模干扰衰减。

可能的是，补偿滤波器针对电线中的共模干扰将相同频率、相同幅度和相反符号的补偿信号传输到电线上。

可能的是，补偿滤波器电连接在能量源与耗电器的至少一个有源电元件之间。尤其可能的是，故障电流保护开关连接在能量源与补偿滤波器之间。例如对于耗电器的运行而言不可避免但是也许可能触发故障电流保护开关的干扰通过为电流路径提供补偿滤波器的相应的补偿信号来抵消或至少大大地减弱，使得耗电器可以毫无问题地在故障电流保护开关后面运行。由此可能的是，舍弃固定端子。耗电器可以经由电耦合、例如在电插座中的电插头与能量源连接并且与能量源分离。

可能的是，如下临界频率范围包括在一千赫兹和300千赫兹之间的频率，在该临界频率范围中补偿滤波器使共模干扰足够强地衰减。此外可能的是，临界频率范围也包括在一千赫兹之下的频率。相应地可能的是，临界频率范围在大约150赫兹处开始。

通常的耗电器可以与如下能量源是可连接的，该能量源提供具有50赫兹或60赫兹频率的电网电流。为了确保对耗电器的用户的保护，不允许衰减例如50赫兹或60赫兹的电网电压的共模电流。相应的故障电流保护开关必须能够可靠地识别出具有电网频率、例如50赫兹或60赫兹的故障电流。因此，该频率范围不允许是临界频率范围的如下部分，在该部分中补偿滤波器使干扰衰减。因此有利的是，临界频率范围在50赫兹之上或在60赫兹之上开始。临界频率范围的下限在此通过电容C₀、第一电阻性元件R₀和第二电阻性元件R_B的值确定。相应地，C₀、R₀和R_B被选择，使得下限在50赫兹或更高、优选地100赫兹或150赫兹的频率处获得。

在此应注意如下内容：补偿滤波器对共模干扰作出反应。在此，电线中的电导体的数量可以大于1并且例如包括3个。因此可能的是，使用利用一相、利用两个相或利用三个相工作的耗电器。在第一端口处，补偿滤波器可以与能量源耦合。第一端口在一定程度上查看（sieht）电网阻抗。第二端口可以与耗电器耦合并且查看其阻抗或连接在中间的变流器系统的阻抗。变流器系统例如可以是共模干扰的多个源之一。如果干扰信号对应于泄漏电流I_N，则优选地补偿电流I₀被反相地产生并且被输出给电线，使得所得到的电流I_N对应于例如故障电流保护开关的期望的电流。

具有电容C₀的电容性元件在此是电网连接，其将电网与补偿滤波器的电子器件连接。电子器件的核心通过运算放大器形成。运算放大器是电压跟随器的一部分。如果泄漏电流I_N流经电流转换器的初级侧，则该电流以180°的相移被传输到电流转换器的次级侧上。在此，电流流经第二电阻性元件，该第二电阻性元件例如可以是负荷电阻并且这样产生运算放大器的输入电压。运算放大器的放大器系数例如可以为1。于是，输入电压以1:1的方式被传输到具有电阻R₀的第一电阻性元件上。补偿电流I₀因此通过第一电阻性元件上的电压降来产生：I₀=U₀:R₀。

电部件的值相应地被选择，使得获得频率响应，使得衰减已经在低于一千赫兹的频率的情况下足够高以防止故障电流保护开关的触发。同时，在选择性方面频率响应被保持在50赫兹或60赫兹的范围中的频率处，使得不进行衰减。

可能的是，在电网频率附近的频率的情况下甚至通过补偿滤波器获得过冲。即，相应的信号不仅不被衰减，而是甚至被放大。不过，这种过冲不成问题并且尤其不是安全技术问题。提供用户的人员安全性。

相应地可能的是，临界频率范围在电网频率之上开始。

电网频率在此可以为50赫兹或60赫兹。相应地可能的是，共模干扰包含泄漏电流或由泄漏电流构成。

此外可能的是，电容C₀大到使得即使在一千赫兹之下的泄漏电流也被补偿。

如果泄漏电流被补偿并且因此流经一个或多个耦合电容器，则在电容器上产生电压降。为了补偿电流I₀始终保持正确，将有利的是，运算放大器在调节输出电压时也一起考虑该电压降。耦合电容器上的该电压降的数值越高，属于耦合电流的耦合电压V₀的数值就越高。这意味着，如果耦合电容器上的电压降变得过高，则运算放大器可能被过激励。这导致，将耦合电容器的阻抗选择得尽可能小。

不过，与小电容值C₀的直观选择不同，补偿滤波器优选地具有大的耦合电容C₀。由此，临界范围的频率下限可以向更低的频率移动。

可能的是，补偿滤波器包括与电线分离的供电端子。

补偿滤波器使用电子部件来产生补偿电流。电子部件、例如运算放大器在此是本身是耗电器的电部件。补偿滤波器具有电线，该电线可以与能量源连接。因此显然，通过与电线连接来建立补偿滤波器的电子器件的能量供给。

不过，与给该补偿滤波器的电子器件供给能量的该直观方式不同，提出，补偿滤波器具有尤其用于电子部件的供电的供电端子，所述供电端子与电线分离。

认识到了，补偿滤波器并不始终可靠地保证故障电流保护开关的触发，在所述补偿滤波器中电子器件直接通过电线的能量来馈电。不过如果补偿滤波器的电路部件由外部能量供给来供给电能，则可以可靠地防止故障电流保护开关的触发。

为此，在补偿滤波器连接在能量源与耗电器之间之前，优选地给补偿滤波器供给电能。由此，补偿滤波器的电子器件更早地被启动并且电子部件的起振过程可以在补偿滤波器必须开始其工作之前被结束。

电子部件的能量供给的提前的方面对于具有低频率、例如低于一千赫兹的泄漏电流的补偿而言尤其重要。由此确保：在故障电流保护开关可以探测到泄漏电流之前，电子器件使所述电流足够快地衰减。

在此例如给运算放大器供给电能的开关电源（Schaltnetzteil）是关键点，因为输出电压的起振例如可以持续长于100毫秒。

可能的是，给补偿滤波器的电子器件供给400伏特AC（交流）的运行电压。

通过外部能量供给可以确保：在泄漏电流流动之前达到用于电子器件的开关电源的输出电压。用于电子器件的开关电源例如可以将400伏特的外部电压降低到大约60伏特的电子器件的运行电压。运算放大器的DC（直流）工作点例如可以为30伏特。

补偿滤波器的电子器件在泄漏电流流动之前处于流动平衡（Steady State（稳态））中。

可能的是，电流转换器包括磁性耦合的电感性元件。第一电感性元件在此可以连接在电线的导体中或与电线的导体的一部分耦合。电流转换器的第二部分在此可以与电流转换器的第一部分连接并且本身又可以与补偿滤波器的电子器件连接或耦合。

可能的是，电流转换器在初级侧上针对电线的每个导体包括至少一个电感性元件。

可能的是，电线包括用于电线中的一个、两个或三个相的导体。

可能的是，电线包括用于三相的导体，所述导体经由星点与运算放大器耦合并且星点与用于每个相的相应导体经由由电容性元件和电阻性元件构成的并联连接耦合。

用于启动具有自己的供电端子的补偿滤波器的方法可以被设计，使得在补偿滤波器连接在耗电器与能量源之间之前，将供电端子与能量源连接。

将补偿滤波器与耗电器连接的能量源在此可以与用于供电端子的能量源相同。不过也可能的是，补偿滤波器的供电端子和耗电器利用不同的能量源。

附图说明

具体实施方式的主要方面和细节借助示意图更详细地来解释。

示出：

图1：解释补偿滤波器的运行方式的等效电路图。

图2：补偿滤波器的优选的频率响应。

图3：到三相线路上的耦合。

图4：用于确定耦合电容的合适大小的等效电路图。

图5：具有外部供电端子的补偿滤波器的实施方式。

图6：在能量源与耗电器之间的被延迟的连接的作用。

具体实施方式

图1示出补偿滤波器KF的可能的电路拓扑结构的等效电路图。补偿滤波器KF具有第一端口P1和第二端口P2。电线SL连接在第一端口P1与第二端口P2之间。此外，补偿滤波器具有运算放大器OPV。运算放大器具有输入端E和输出端A。在电线SL与运算放大器的输出端A之间连接有耦合电容、即具有电容C₀的电容性元件。在耦合电容与运算放大器OPV的输出端A之间连接有第一电阻性元件R₀。与耦合电容C₀并联地连接有电流转换器SW。电流转换器SW具有第一电感性元件SW1和第二电感性元件SW2。第一电感性元件SW1布置在电流转换器SW的初级侧上并且连接在电线SL中或至少与电线SL耦合。电流转换器SW的第二电感性元件SW2布置在电流转换器SW的次级侧上并且与运算放大器的输入端E耦合。电流转换器SW的第二电感性元件SW2与第二电阻性元件R_B并联地连接。第二电阻性元件R_E串联地连接在耦合电容C₀与运算放大器OPV的输入端E之间。

I_N是完整的干扰、即完整的泄漏电流。I₀是通过运算放大器OPV和附加的电路元件C₀、R_E和R₀确定的补偿电流。补偿电流I₀优选地从符号、从频率并且从幅度来选择，使得产生由放大器提供的电流路径，使得优选地在第一端口P₁处不能识别或最多能够识别小的剩余泄漏电流IR。补偿滤波器可以经由第一端口P1与外部能量源或在该能量源与补偿滤波器之间的故障电流保护开关连接。补偿滤波器可以经由第二端口P2与耗电器连接。

图2示出补偿滤波器的优选的频率响应FG。临界频率范围例如被限定，使得10dB的衰减值规定该频率范围的下限和上限。

相应地，图2示出从150赫兹到30千赫兹的临界频率范围。在略微低于100赫兹的频率下的过冲有效地是信号放大。然而这不成问题并且既不是功能技术问题也不是安全技术问题。

图3图示到具有三相的电线上的耦合如何是可能的。三相的对称点在星点SP中获得。星点SP分别通过电容性元件CE和电阻性元件R_B的并联电路与电线SL的相应的导体L1、L2、L3连接。星点SP在输出侧经由包括耦合电感C0和第二电阻性元件R_B的并联连接与补偿电路的剩余部分（这里未示出）连接。

要补偿的干扰在此是共模干扰。即，在幅度、频率和相位方面对电线SL的所有导体L1、L2、L3起相加作用的干扰。因此，足够的是，让补偿滤波器的电子器件对电线SL的星点SP起作用。

图4示出等效电路图，该等效电路图有助于有利地确定耦合电容C₀的值。电网连接通过一个或多个耦合电容器实现。如果泄漏电流被补偿并且因此流经该耦合电容器或多个耦合电容器，则在所述电容器上产生电压降。为了补偿电流I₀始终保持正确，运算放大器必须在调节输出电压时也考虑耦合电容器上的相关的电压降。为了也能够补偿在一千赫兹之下的频率的泄漏电流，需要具有比通常已知的电容更大的电容的耦合电容器，以便获得更低的阻抗和因此更小的电压降。

图5图示经由外部供电端子VA给电子电路部件ELC、例如运算放大器OPV供给电能的可能性。在此正好不从电线提取电能。由此可能的是，给电子电路部件ELC供给电能并且在补偿滤波器KF开始其工作之前，即在补偿滤波器将耗电器与外部能量源连接之前，等待起振过程。

在图6中示出了相关的时间流程。上面的曲线VSUP是补偿滤波器KF的电路部件ELC的供电电压的时间变化过程。下面的曲线VOPV示出运算放大器的输出信号。在时刻T₀，给电子电路部件供给能量。在此，持续一定的时间ΔT，直至供电电压已达到正确的值。一旦给运算放大器提供供电电压，该运算放大器就开始其行为。不过，该运算放大器在时刻T₀加上ΔT才达到其最大有效性，在该时刻T₀加上ΔT，供电电压VSUP已达到其所设置的值。

如果在运算滤波器以期望的方式工作之前需要补偿滤波器，则也许泄漏电流或其他干扰信号未完全被补偿并且故障电流保护开关的无意操作可能是后果。

通过补偿滤波器优选地在要求滤波器的运转之前在供电端子VA处获得其自己的电压供给，可以进行起振过程。一旦补偿滤波器如所期望的那样工作，该补偿滤波器就可以利用第一端口并且利用第二端口连接在能量源与耗电器之间。

时间延迟ΔT在此可以处于100毫秒的数量级中。

补偿滤波器和用于启动补偿滤波器的方法在此并不限于所示出的和所描述的技术细节。补偿滤波器可以包括其他电路部件、诸如其他耦合电容器和其他电子电路部件。该方法可以包括例如关于连接到外部能量源上或连接到耗电器上的附加步骤。

附图标记列表

A 运算放大器的输出端

C₀ 电容性元件；耦合电容

CE 电容性元件

E 运算放大器的输入端

ELC 电子电路部件

FG 频率响应

KF 补偿滤波器

OPV 运算放大器

P1 第一端口

P2 第二端口

R₀ 第一电阻性元件

R_B 第二电阻性元件

RE 电阻性元件

SL 电线

SW 电压转换器

SW1 电压转换器的第一电感性元件

SW2 电压转换器的第二电感性元件

VA 供电端子

VDC 用于运算放大器的供电电压

VOPV 运算放大器的输出电压

VSUP 补偿滤波器的供电电压

Claims

1.一种补偿滤波器，包括：

- 第一端口、第二端口和在所述第一端口与所述第二端口之间的电线，

- 具有输入端和输出端的运算放大器，

- 电容性元件，所述电容性元件耦合在所述第一端口与所述运算放大器的输出端之间并且具有电容C₀，

- 第一电阻性元件，所述第一电阻性元件耦合在所述电容性元件与所述运算放大器的输出端之间并且具有电阻R₀，

- 电流转换器，所述电流转换器与所述电容性元件并联地耦合并且所述电流转换器将所述电线与所述运算放大器的输入端耦合，

- 第二电阻性元件，所述第二电阻性元件耦合在所述电容性元件与所述运算放大器的输入端之间并且具有电阻R_B，

其中

- 所述补偿滤波器使临界频率范围中的共模干扰衰减。

2.根据前一权利要求所述的补偿滤波器，所述补偿滤波器针对所述电线中的共模干扰将相同频率、相同幅度和相反符号的补偿信号传输到所述电线上。

3.根据前述权利要求中任一项所述的补偿滤波器，其中所述临界频率范围在电网频率之上开始。

4.根据前述权利要求中任一项所述的补偿滤波器，其中所述共模干扰包含泄漏电流。

5.根据前述权利要求中任一项所述的补偿滤波器，其中C₀大到使得即使在1kHz之下的泄漏电流也被补偿。

6.根据前述权利要求中任一项所述的补偿滤波器，此外包括供电端子，所述供电端子与所述电线分离。

7.根据前述权利要求中任一项所述的补偿滤波器，其中所述电流转换器包括磁性耦合的电感性元件。

8.根据前述权利要求中任一项所述的补偿滤波器，其中所述电线包括用于一个、两个或三个相的导体。

9.根据前述权利要求中任一项所述的补偿滤波器，其中

- 所述电线包括用于三相的导体，

- 所述导体经由星点与所述运算放大器耦合，

- 所述星点与用于每个相的相应的导体经由由电容性元件和电阻性元件构成的并联连接耦合。

10.一种用于启动具有自己的供电端子的补偿滤波器的方法，其中在所述补偿滤波器连接在耗电器与能量源之间之前，将所述供电端子与能量源连接。