-
Die
Erfindung betrifft ein Filter für
ein elektrisches Betriebsmittel, insbesondere für ein Schaltnetzteil, eine
Stromversorgung oder einen Frequenzumrichter, gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
-
Elektrische
Betriebsmittel wie z. B. Schaltnetzteile, Stromversorgungen und
Frequenzumrichter sind bekannt. Sie werden an eine einphasige oder dreiphasige
Netzwechselspannung angeschlossen, die von einem Gleichrichter des
Betriebsmittels gleichgerichtet wird, dem zur Glättung der pulsierenden Gleichspannung
ein Kondensator mit einer relativ großen Kapazität nachgeschaltet ist. Parallel
zu diesem Kondensator liegt der Verbraucher, welcher üblicherweise
durch einen Verbraucher (oder die interne Elektronik des Betriebsmittels)
gebildet wird. Der an den Verbraucher abgegebene geglättete Gleichstrom
wird im Wesentlichen dem Kondensator entnommen, der sich dabei jeweils
entlädt,
um dann durch den Spitzenwert der gleichgerichteten pulsierenden
Spannung wieder aufgeladen zu werden. Aufgrund des Pulsierens der
Spannung und der Verbraucherstromabhängigkeit erfolgt allerdings
keine permanente Aufladung: Diese geschieht nur in dem kurzen Zeitbereich,
in dem die gleichgerichtete Spannung die Kondensatorspannung überschreitet,
woraus ein nicht sinusförmiger
Impulsstrom resultiert, der ebenfalls in der Netzwechselspannungsversorgung
auftritt.
-
Eine
Zerlegung dieser nicht sinusförmigen Stromimpulse
in das zugehörige
Spektrum sinusförmiger
Ströme
ergibt neben der Netzfrequenz (Nutzfrequenz) das Auftreten von ganzzahligen
Vielfachen der Netzfrequenz, die man auch Oberschwingungen oder
Harmonische der Netzfrequenz bezeichnet. Diese schaltungsbedingt
entstehenden Oberschwingungen sind unerwünscht, da sie zu einer „Verschmutzung" des Netzes führen, was
mit Zusatzverlusten auf Netzleitungen und der Beeinflussung anderer
elektrischer Betriebsmittel verbunden sein kann.
-
Aus
diesem Grunde sind Hersteller elektrischer Betriebsmittel sowie
Anlagen gesetzlich (EMV-Gesetz) verpflichtet, vorgegebene Grenzwerte einzuhalten.
-
Zur
Einhaltung der Grenzwerte sind PFC-Lösungen (Power Fail Correction)
bekannt, bei denen aktive Halbleiter einer elektronischen Schaltung
den mit Oberschwingen behafteten Wechselstrom so takten, dass eine
phasensynchrone und sinusförmige Stromaufnahme
des Betriebsmittels erzwungen wird. Diese Lösung ist durch die hohe Anzahl
von Bauelementen kostenintensiv. Zusätzlich entstehen durch die
Taktung der aktiven Halbleiter häufig
EMV-Störungen
im hochfrequenten Bereich.
-
Eine
andere Lösung
ist die Verwendung von Serien-Resonanzkreisen (Saugkreisen), die
in Serie geschaltete Induktivitäten,
Kapazitäten
und ggf. Widerstände
umfassen. Die Resonanzfrequenzen sind dabei auf die Oberschwingungen
der Netzwechselspannung ausgelegt. Der Nachteil dieser Serien-Resonanzkreise
ist der, dass die Oberschwingungsströme kurzgeschlossen werden,
diese groß und
schwer sowie mit einer hohen Wärmeentwicklung
verbunden sind.
-
Erschwerend
kommt hinzu, dass die impulsförmige
Stromaufnahme eines Gleichstromzwischenkreises mit Kondensator neben
der Entstehung der Oberschwingungsströme auch üblicherweise eine Schutzimpedanz
zum Wechselspannungsnetz erfordert.
-
Insbesondere
aus der
EP 0 391 617
A1 ist ein Betriebsmittel in Form eines standardmäßigen Netzteils
bekannt, das einen Gleichrichter mit nachgeschaltetem Glättungskondensator
aufweist. Um den Leistungsfaktor zu verbessern, wird ein LC-Netzwerk in die Zuleitung
zum Netz geschaltet, das aus einem Spartransformator und einem Kondensator besteht,
wobei die Teilwicklung des Spartransformators die Drosselfunktion übernimmt,
während
die Gesamtwicklung zusammen mit dem Kondensator einen Sperrkreis
bildet. Die Resonanzfrequenz des Sperrkreises wird so gewählt, dass
sich ein maximaler Leistungsfaktor einstellt.
-
Weiter
zeigt die
DE 30 12
747 A1 ein standardmäßiges Netzteil
mit Gleichrichter und nachgeschaltetem Glättungskondensator, bei dem
ebenfalls der Leistungsfaktor durch ein LC-Netzwerk in der Zuleitung
zum Netz verbessert werden soll. Das LC-Netzwerk besteht aus der Parallelschaltung
einer Induktivität
und eines Kondensators, die einen herkömmlichen Sperrkreis bilden.
Dieser Sperrkreis wird auf ein ganzzahliges Vielfaches der Netzfrequenz
abgeglichen, speziell auf die fünfte
Oberwelle der Netzfrequenz.
-
Ein
gattungsgemäßes Betriebsmittel
ist aus der
US 4,914,559 bekannt,
bei der das LC-Netzwerk aus einem Siebglied besteht, bei dem eine
Drossel sowie ein über
einen Transformator angepasster Kondensator in Reihe geschaltet
sind. Der Transformator hat die Aufgabe, die gewünschte Funktion unter Reduzierung
der Kapazität
des Kondensators sicherzustellen, um so die Kosten für den Kondensator zu
verringern.
-
Auch
die
GB 291,529 verwendet
eine Induktivität
mit in Reihe geschaltetem Kondensator, die eine Sekundärwicklung
auf dem Kern der Drossel aufweist, welche der Induktivität parallel
geschaltet ist. Die mit dem Kondensator in Reihe geschaltete Induktivität erhöht die Wirksamkeit
der Induktivität
des Sperrkreises, wodurch sich ein Kondensator mit kleinerer Kapazität einsetzen
lässt.
-
Die
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Filter vorzuschlagen, das die
Oberschwingungen der Netzwechselspannung wirksamer verringert.
-
Die
Lösung
der Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruchs 1 gegeben; die
Unteransprüche betreffen
vorteilhafte Ausgestaltungen.
-
Die
Lösung
sieht vor, dass die Güte
des Parallelschwingkreises mittels eines der Kapazität parallel
geschalteten spannungsabhängigen
Widerstands eingestellt wird, d. h. eines Varistors. Die Reduzierung
der Oberschwingungen (Harmonischen) des Wechselstromes erfolgt durch
Parallel-Resonanz, welche auf die zu reduzierende Frequenz abgestimmt
ist. Dabei strebt der Scheinwiderstand des Filters bei der Resonanzfrequenz
des Parallel-Resonanzkreises gegen unendlich, lediglich begrenzt durch
die Verluste in der Drossel und der Kapazität. Der sich bei der Resonanzfrequenz
einstellende Scheinwiderstand wird durch das Übersetzungsverhältnis der
Windungszahlen des Transformators auf die Drossel transformiert.
Für diese
Frequenz nimmt der Spannungsabfall an der Drossel einen sehr hohen
Wert an, so dass der Strom reduziert oder sogar ganz gesperrt wird.
Zur Begrenzung der Spannung bei Resonanz zum Schutz der Kapazität mit hoher Wirksamkeit
wird vorgeschlagen, dass die Güte
des Parallelschwingkreises mittels eines der Kapazität parallel
geschalteten spannungsabhängigen
Widerstands, d. h. eines Varistors, eingestellt wird.
-
Die
Wirksamkeit des Filters ist am größten, wenn die Resonanzfrequenz
des Parallelschwingkreises gleich der vielfachen Frequenz der Wechselspannung
der Wechselspannungsversorgung ist.
-
Um
noch weitere Oberschwingungen des Wechselstromes zu reduzieren,
wird vorgeschlagen, dass die Sekundärwicklung eine Anzapfung aufweist und
dass an die durch die Anzapfung gebildete Teilsekundärwicklung
zur Bildung eines Parallelschwingkreises eine Kapazität angeschlossen
ist, die so gewählt
ist, dass die Resonanzfrequenz dieses Parallelschwingkreises ein
ganzzahliges Vielfaches der Frequenz der Wechselspannung (Un) ist.
-
Eine
technisch einfache Ausführung
sieht vor, dass die Sekundärwicklung
mehrere Anzapfungen aufweist und dass die Resonanzfrequenzen der Parallelschwingkreise
jeweils ein ganzzahliges Vielfaches der Frequenz der Wechselspannung
der Wechselspannungsversorgung sind.
-
Die
Erfindung wird nachfolgend anhand einer Zeichnung näher beschrieben.
Es zeigen:
-
1 einen
Parallel-Resonanzkreis mit Schutzimpedanz für ein elektrisches Betriebsmittel,
-
2 ein
einphasiges Filter als Kombination von Parallel-Resonanzkreisen
mit integrierter Schutzimpedanz und
-
3 ein
dreiphasiges Filter als Kombination von Parallel-Resonanzkreisen
mit magnetischer Kern-Kopplung und einer integrierten Schutzimpedanz.
-
1 zeigt
ein elektrisches Betriebsmittel 1 in einer schematischen
Darstellung. Das Betriebsmittel 1 umfasst einen Gleichrichter 2,
der aus vier als Brückengleichrichter
geschalteten Dioden 3 gebildet ist. Am Ausgang des Gleichrichters 2 liegt
ein Kondensator C. Der Kondensator C bildet bei dieser schematischen
Darstellung des Betriebsmittels 1 im Wesentlichen den Gleichstromzwischenkreis.
-
An
dem Kondensator C ist ein Verbraucher R angeschlossen.
-
Der
Gleichrichter 2 und damit das Betriebsmittel 1 ist über eine
Drossel 3a an das Wechselspannungsnetz einer Wechselspannungsversorgung
angeschlossen, die eine Netzspannung Un mit den Phasen L, N mit
einer wesentlichen gleich bleibenden Netzfrequenz Fn bereitstellt.
Die Wicklung der Drossel 3a ist gleichzeitig die Primärwicklung
Lp eines Transformators 4, dessen Sekundärwicklung
Ls mit einem Kondensator C2 einen Parallelschwingkreis bildet. Parallel
zum Kondensator C2 liegt ein spannungsabhängiger Widerstand VDR in Form
eines Varistors, um den Kondensator C2 vor Überspannungen zu schützen. Selbstverständlich kann
anstelle des Widerstandes VDR auch ein beliebiger ohmscher Widerstand
verwendet werden. Mit dem Widerstand VDR wird gleichzeitig die Güte des aus
der Sekundärwicklung
Ls und der Kapazität
C2 gebildeten Parallelschwingkreises eingestellt.
-
Die
Drossel 3a dient gleichzeitig als Schutzimpedanz, d. h.
sie weist im Betriebsfall einen Spannungsabfall von 2% bis 6% bezogen
auf die Netzspannung Un und die Netzfrequenz Fn auf, welche hierbei
die Bemessungsspannung bzw. die Bemessungsfrequenz des Wechselspannungsnetzes
bilden. Durch diesen Spannungsabfall wird sichergestellt, dass im
Kurzschlussfall in 1 nicht dargestellte Sicherungseinrichtungen,
beispielsweise Schmelzsicherungen, ansprechen und den Leitungsschutz
ermöglichen.
-
An
dem Verbraucher R liegt die von dem Kondensator C geglättete Gleichspannung
an, die hier (B 4 Gleichrichterbrückenschaltung) normalerweise
noch etwas mit der doppelten Netzfrequenz Fn pulsiert. Der Kondensator
C weist eine relativ große Kapazität auf, so
dass der an den Verbraucher R abgegebene geglättete Gleichstrom, der im Wesentlichen
dem Kondensator C entnommen wird, nahezu keine Änderung der Spannung des Betriebsmittels 1 bewirkt.
-
Aufgrund
des Pulsierens der gleichgerichteten Netzspannung Un wird der Kondensator
C nur in dem Zeitbereich wieder aufgeladen, in dem die gleichgerichtete
Spannung die Kondensatorspannung übersteigt. Das heißt, die
Wechselspannungsversorgung muss zur Wiederaufladung des Kondensators
C jeweils einen nicht sinusförmigen
Impulsstrom zur Verfügung,
der gemäß ein Spektrum
von Oberschwingungen unterschiedlicher Amplitude aufweist. Dabei
ist der Strom der Netzfrequenz Fn amplitudenmäßig am stärksten. Als Ergebnis der impulsmäßigen Wiederaufladung
der Kapazität
C entstehen im Wechselspannungsnetz Oberschwingungen des Stromes,
welche eine „Verschmutzung" dieses Netzes bewirken.
-
Der
mit Hilfe der Sekundärwicklung
Ls und der Kapazität
C2 gebildete Parallelschwingkreis ist bei dem Betriebsmittel 1 gemäß 1 beispielhaft auf
die dritte Oberschwingung (Harmonische) abgestimmt, d. h., dass
bei Resonanz der Scheinwiderstand dieses Parallelschwingkreises
unendlich groß ist
bzw. lediglich durch die Verluste in der Sekundärwicklung Ls und der Kapazität C2 begrenzt
wird. Der sich bei dieser Resonanzfrequenz einstellende hohe Scheinwiderstand
wird gemäß dem Übersetzungsverhältnis der
Windungszahlen von Primärwicklung Lp
(Drossel 3a) und Sekundärwicklung
Ls auf die als Schutzimpedanz wirkende Drossel 3a übertragen.
-
Für die dritte
Oberschwingung (Harmonische) nimmt hier der Spannungsabfall an der
Drossel 3a somit ebenfalls einen hohen Wert an, so dass
der zur dritten Oberschwingung gehörende Strom deutlich reduziert
wird. Mit anderen Worten wird die dritte Oberschwingung nahezu gesperrt.
Die dabei auftretende geringe Verlustleistung sorgt für einen
hohen Wirkungsgrad bei der Unterdrückung bzw. Reduzierung der
Oberschwingung.
-
Die
Parallelschwingkreise haben den Vorteil, dass es nicht wie beim
Serien-Resonanzkreis zu einem Kurzschluss für die Oberschwingungen kommt.
-
Selbstverständlich kann
der Parallelschwingkreis auch auf jede beliebige andere Oberschwingung
abgestimmt sein. Da die Amplituden der Oberschwingungen mit größer werdenden
Frequenz, die jeweils ein ganzzahliges Vielfaches der Netzfrequenz Un
sind, lediglich kleiner werden, ist es sinnvoll, nicht nur eine
Oberschwingung, sondern auch weitere Oberschwingungen zu dämpfen, abhängig von
der verwendeten Gleichrichterschaltung (z. B. B 4, B 6) und den
daraus entstehenden Oberschwingungen (Harmonischen).
-
2 zeigt
ein Filter zur Unterdrückung mehrerer
Oberschwingungen. Dabei weist die Sekundärwicklung Ls hier drei Anzapfungen
A1, A2, A3 auf, die jeweils einer Teilsekundärwicklung entsprechen und mit
den jeweils parallel geschalteten Kapazitäten C2a, C2b, C4, C3 jeweils
einen Parallelschwingkreis für
die entsprechende Oberschwingung bilden. Die Sekundärwicklung
Ls bildet also durch die Wicklungsanzapfungen A1, A2, A3 mehrere
Parallelschwingkreise (Parallel-Resonanzkreise). Dabei bildet die
Sekundärwicklung
Ls mit den beiden in Reihe geschalteten Kapazitäten C2a und C2b einen Parallelschwingkreis,
analog zu 1. Weiter bildet die Teilsekundärwicklung
mit der Anzapfung A3 (vom Anfang O der Sekundärwicklung Ls ausgehend) und die
Kapazität
C2b einen Parallelschwingkreis für
eine weitere Oberschwingung, die Teilsekundärwicklung mit der Anzapfung
A2 und die Kapazität
C4 für
die dritte und die Anzapfung A1 mit der Kapazität C3 für die vierte Oberschwingung.
-
3 zeigt
ein Filter als Kombination von Parallelschwingkreisen mit magnetischer
Kernkopplung der Phasen L1, L2, L3 bei jeweils integrierten Schutzimpedanzen 3a.
Die magnetische Kernkopplung der Phasen erfolgt über einen gemeinsamen Kern 5.
Im Unterschied zu dem Filter nach 2 ist hier
jeder Teilwicklung der Sekundärwicklung
Ls eindeutig eine Kapazität
C zugeordnet, während
in 2 die Kapazität
C2b gleichzeitig mit der Kapazität
C2a eine Gesamtkapazität
C2 für
den Parallelschwingkreis der Oberschwingung bilden.
-
Selbstverständlich können beliebig
viele Parallelschwingkreise vorhanden sein, abgestimmt auf nahezu
beliebig viele Oberschwingungen.