DE102008062133A1 - Elektrisches Filter, insbesondere EMV-Netzfilter - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein elektrisches Filter, insbesondere EMV-Netzfilter an einem Versorgungsanschluss zur Versorgung einer mit einem Frequenzumrichter betriebenen elektrischen Anlage, mit einer Hauptfilterschaltung zum Filtern unerwünschter Frequenzanteile, insbesondere EMV-relevanter Störungen, sowie wenigstens einer nebengeordneten Schaltungsanordnung, die konfiguriert ist, eine Filtercharakteristik der Hauptfilterschaltung zu beeinflussen. Des Weiteren bezieht sich die Erfindung auf eine Versorgungsanordnung für eine mit einem Frequenzumrichter zu betreibende Anlage.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein elektrisches Filter-, insbesondere EMV-Netzfilter an einem Versorgungsanschluss zur Versorgung einer mit einem Frequenzumrichter betriebenen elektrischen Anlage, sowie eine Versorgungsanordnung für eine mit einem Frequenzumrichter zu betreibende Anlage.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Bei elektrischen Anlagen mit Frequenzumrichtern entstehen betriebsbedingte Ableitströme. Dies ist auf eine am Ausgang des Frequenzumrichters auftretende Gleichtaktstörspannung zurückzuführen und liegt damit im physikalischen Wirkprinzip des Frequenzumrichters begründet. Zu den bekanntesten hierdurch verursachten Problemen zählt die Störung von FI-Schutzschaltern. Diese werden ausgelöst, ohne dass ein Fehler vorliegt, da sie nicht zwischen Fehler- und Ableitströmen unterscheiden können. Standzeiten bis zur Wiederinbetriebnahme und damit verbundene Kosten durch Produktionsausfälle sind häufig die Folge.
  • Die Untersuchungen solcher Ausfälle oder Fehlerfälle hat in der Vergangenheit gezeigt, dass häufig das Netzfilter, welches zur Einhaltung der EMV-Konformität bei Anlagen nahezu aller Leistungsklassen vorgesehen wird, sowohl die betriebsbedingten, als auch die aus Netzunsymmetrie und Oberwellen resultierenden Ableitströme verstärkt. Dies bedeutet, dass Anlagen mit EMV-Netzfilter häufig wesentlich anfälliger für eine FI-Auslösung aufgrund von Ableitströmen sind als Anlagen ohne Filter.
  • Bei elektrischen Anlagen, welche mit Frequenzumrichter betrieben werden, stellen Ableitströme häufig ein sicherheitsrelevantes Problem dar. Einerseits können unzulässig hohe Ableitströme zur Gefährdung des Bedienpersonals der Anlagen aufgrund eines elektrischen Schlags führen und andererseits erhöhen sie die Brandgefahr, bei in dieser Hinsicht sensiblen Umgebungen. Textil-, Chemie-, Holz- oder Papierfabriken sind hier beispielsweise zu nennen.
  • Als Ableitströme bezeichnet man im Allgemeinen diejenigen Ströme, welche über die Gehäuse, Schutzerde und eine Bezugsmasse der Anlage zurück zum Netzanschlusspunkt fließen. Diese Ströme kann man nach ihrem Ursprung, Charakter und ihrer Relevanz in unterschiedlichen Arten aufteilen. Erstens ist nach der Frequenz der Stromanteile zu unterscheiden. Hierbei spricht man einerseits von netzfrequenten Ableitstromanteilen, welche aus Netzunsymmetrien und Oberwellen angeregt werden. Bei diesen handelt es sich meist um niederfrequente Anteile der Netzharmonischen. Zweitens spricht man von pulsfrequenten Abgleitstromanteilen, welche durch die Harmonischen der Umrichterpulsfrequenz angeregt werden.
  • Da die Gefährlichkeit von Berührungsspannungen und damit von Ableitströmen für den menschlichen Organismus mit wachsender Frequenz abnimmt, werden die Ableitströme beispielsweise gemäß VDE 0664 Teil 100 (Änderung von DIN EN 61008-1) frequenzabhängig bewertet. Diese Frequenzbewertung geht somit auch in die Auslösekennlinien von FI-Schutzschaltern ein. Bei Frequenzen mehrerer Kilohertz (kHz) ist hierbei bereits ein Vielfaches des Bemessungsstromes des Schutzschalters als Auslösestrom notwendig. Dies bedeutet, dass ein hoher Stromwert bei niedrigen Frequenzen, wie einigen Hz oder wenigen kHz, wesentlich gefährlicher eingestuft wird und zur FI-Auslösung führt, als ein Strom gleicher Höhe zu Frequenzen mehrerer kHz oder 10 kHz. In diesem Zusammenhang spricht man bei den Frequenz bewerteten Ableitströmen auch von FI-relevanten Ableitströmen und bei den unbewerteten von physikalischen Ableitströmen.
  • Passive EMV-Netzfilter stellen die meist verwendete und häufig preisgünstigste Lösung zur Bereitstellung der EMV-Konformität dar. Eine Dämpfungskennlinie solcher EMV-Filter besitzt jedoch beim Übergang vom nicht dampfenden in den dämpfenden Bereich eine Resonanz, welche eine verstärkende Wirkung besitzt. Durch die konstruktiven Randbedingungen des Filters und der Anlage sowie der benötigten Entstörwirkung liegt diese Resonanz im Allgemeinen im Frequenzbereich unter 10 kHz. Damit fallen die Frequenzbereiche, in welchen Ableitströme sehr leicht kritische Wirkung entfalten können und der Frequenzbereich, in welchem die verstärkende Filterresonanz auftritt, zusammen. Sollte die Filterresonanz mit der Pulsfrequenz oder deren harmonischen identisch sein oder von Netzstörungen angeregt werden, so ist es sicher, dass unzulässig hohe Ableitströme auftreten und der FI-Schutzschalter ausgelöst wird. Bei unangepassten Filtern kann dies auch zum vollständigen Versagen und zur Zerstörung des Filters führen.
  • Die Auslegung konventioneller Filter ist durch die erläuterten Zusammenhänge stark eingeschränkt. Frequenzumrichter sollen häufig mit verschiedenen Pulsfrequenzen betrieben werden können. Da die Filterresonanz, wie erläutert, jedoch nicht in den näheren Bereich der möglichen Pulsfrequenzen fallen darf, muss diese zwischen die möglichen Pulsfrequenzen geschoben werden. Abstände von wenigstens mehreren 100 Hz bis 1 kHz sind hier empfehlenswert, um die verstärkende Wirkung der Resonanz zu begrenzen. Dadurch müssen Filter häufig über- oder unterdimensioniert werden, da die Resonanzfrequenz direkt mit der erreichbaren Dämpfungswirkung im Frequenzbereich der EMV-Maßnahmen zusammenhängt. Das heißt, wenn eine gegebene Einfügungsdämpfung zu einer bestimmten Frequenz erforderlich ist, das dazu passende, konventionelle Filter jedoch eine Resonanzfrequenz besitzt, welche Ableitströme anregt, dann kann entweder eine Entstörung nicht in einem gewünschten Maße realisiert werden oder das Filter muss erheblich überdimensioniert werden und wird dadurch erheblich teurer und voluminöser. Oder es ist eine Filtertopologie höherer Ordnung vorzusehen, welche für gewöhnlich teurer und im Frequenzbereich oberhalb mehrerer MHz anfälliger für Fehlfunktionen ist und/oder in diesen Frequenzbereichen die benötigte Filterwirkung nicht mehr bereitstellen kann.
  • Halt eine Anlage aufgrund der beschriebenen Probleme entweder die Entstöranforderungen nach EN 61800-3 oder die Ableitstromgrenzwerte nach VDE 0664 Teil 100 nicht ein, so hat dies zur Konsequenz, dass sie entweder in bestimmten Teilmärkten wie Privathaushalten und/oder Endverbrauchermarkt, nicht vertrieben werden darf oder im Falle des industriellen Bereichs sie nur ohne FI-Schutz betrieben werden kann und dadurch anderweitige Sicherheitsmaßnahmen notwendig waren und erhöhte Versicherungsentgelte anfallen können.
  • Eine weitere Randbedingung bei der Auslegung von EMV-Filtern ist das Erfordernis möglichst geringer ohmscher Verluste, da durch das EMV-Netzfilter eine elektrische Leistung transportiert wird, und nur unter Berücksichtigung dieser Randbedingung ohmsche Verluste gering gehalten werden können. Aus diesem Grunde ist ein Netzfilter im Wesentlichen nur aus Drosseln und Kondensatoren aufgebaut. Eine weitere zu berücksichtigende Randbedingung ist, dass es sich bei den Drosseln und Kondensatoren um reale Bauelemente handelt, die von dem Verhalten idealer reiner Impedanzen abweichen können. Beispielsweise kann eine Induktivität aufgrund des magnetischen Verhaltens ihres Kerns unter bestimmten Stromverhältnissen in eine Sättigung geraten. Damit ist eine Vorhersagbarkeit einer Kennlinie dieser Bauelemente unter Bedingungen erschwert, die beispielsweise auch nahe der Resonanzfrequenz des EMV-Filters auftreten können.
  • Betrachtungen hinsichtlich eines Entwurfs von EMV-Filtern sind aus Weber, S., „Effizienter Entwurf von EMV-Filtern für leistungselektronische Geräte unter Anwendung der Methode der partiellen Elemente", Dissertation, TU Berlin, 2007 bekannt.
  • Ableitströme, die im Zusammenhang mit einem Netzfilter auftreten, sind in Buob, C., „Ableitströme im richtigen Blickwinkel", Elektronik 14/2008 erläutert.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes elektrisches Filter, insbesondere EMV-Netzfilter, sowie eine Versorgungsanordnung für eine mit einem Frequenzumrichter zu betreibende Anlage zu schaffen, die ohne ein Übermaß an zusätzlichen Komponenten eine verbesserte Flexibilität einer gesamten Filtercharakteristik bereitstellt. Zumindest soll eine Ableitstromanregung reduziert werden.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein elektrisches Filter, insbesondere EMV-Netzfilter, nach dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst. Weiterhin ist eine Versorgungsanordnung für eine mit einem Frequenzumrichter zu betreibende Anlage nach dem unabhängigen Anspruch 9 vorgesehen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von abhängigen Unteransprüchen.
  • Die Erfindung umfasst den Gedanken eines elektrischen Filters, insbesondere eines EMV-Netzfilters an einem Versorgungsanschluss zur Versorgung einer mit einem Frequenzumrichter betriebenen elektrischen Anlage, welches Filter zusätzlich zur herkömmlichen Hauptfilterschaltung zum Filtern unerwünschter Frequenzanteile, insbesondere EMV-relevanter Störungen, wenigstens eine nebengeordnete Schaltungsanordnung aufweist, die konfiguriert ist, eine Filtercharakteristik der Hauptfilterschaltung zu beeinflussen.
  • Mit Hilfe der nebengeordneten Schaltungsanordnung wird es vorzugsweise erreicht, die Filtercharakteristik der Hauptfilterschaltung derart zu beeinflussen, dass die zwischen einem nicht dampfenden Bereich und einem dämpfenden Bereich der Filtercharakteristik vorliegen de Resonanz mittels der nebengeordneten Schaltungsanordnung in geeigneter Weise aufgenommen wird. Dies wird beispielsweise dadurch erreicht, dass die nebengeordnete Schaltungsanordnung als Resonanzkreis ausgeführt ist, der in Form einer Bandsperre oder eines Saugkreises die Resonanz der Hauptfilterschaltung aufnimmt. Das Vorsehen einer nebengeordneten Schaltungsanordnung ist von dem Vorsehen eines Filters höherer Ordnung verschieden, da ein Filter höherer Ordnung lediglich eine höhere Steigung der Dämpfungscharakteristik sowie darüber hinaus wiederum weitere Resonanzfrequenzen aufweist. Der Vorteil des erfindungsgemäßen elektrischen Filters mit der nebengeordneten Schaltungsanordnung besteht zumindest darin, dass die unvermeidlichen Ableitströme verringert werden. Ferner ist das Vorsehen der nebengeordneten Schaltungsanordnung mit kostengünstigen Komponenten oder sogar kostenneutral möglich, da die nebengeordnete Schaltungsanordnung nicht die vollen Lastströme tragen muss und daher die Komponenten klein dimensioniert werden können. Ferner hat die günstige Beeinflussung der Filterkennlinie des EMV-Filters durch die nebengeordnete Schaltungsanordnung eine Rückwirkung auf die Auswahl der Komponenten für die Hauptfilterschaltung derart, dass die Komponenten in der Hauptfilterschaltung kleiner dimensioniert und damit preiswerter ausgewählt werden können. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen elektrischen Filters ist, dass die Ableitstromanregung günstig beeinflusst werden kann, ohne eine um ein Vielfaches teurere Lösung zur Entstörung einsetzen zu müssen.
  • Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die wenigstens eine nebengeordnete Schaltung wenigstens eine Resonanzfrequenz der Hauptfilterschaltung dämpfend ausgeführt ist. Sind beispielsweise mehrere Resonanzfrequenzen der Hauptfilterschaltung vorhanden, so kann die nebengeordnete Schaltung in entsprechend höherer Ordnung gebildet werden, oder es kann eine Mehrzahl nebengeordneter Schaltungen vorgesehen werden.
  • Bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die wenigstens eine nebengeordnete Schaltung Ableitströme verringernd ausgeführt ist. Dies wird vorzugsweise dadurch erreicht, dass die wenigstens eine nebengeordnete Schaltung eine Resonanzfrequenz aufweist, die nahe der als gefährlich eingestuften niedrigen Frequenzen angeordnet ist, die zur Auslösung eines FI-Schutzschalters führen können.
  • Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die wenigstens eine nebengeordnete Schaltung mit einer Reihenschaltung aus einer Drossel und einem Kondensator gebildet ist.
  • Bevorzugt sieht eine Fortbildung der Erfindung vor, dass die wenigstens eine nebengeordnete Schaltung mit einer Drossel gebildet ist, die auf einen Kern der Drossel der Hauptfilterschaltung gewickelt ist. Auf diese Weise werden Kosten für einen weiteren Drosselkörper gespart und ein Platzbedarf auf einer Platine ist verringert.
  • Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass bei einer mehrphasigen Versorgung die wenigstens eine nebengeordnete Schaltung mit wenigstens einer aus einer Drossel und einem Kondensator gebildeten Reihenschaltung pro Phase gebildet ist.
  • Eine weitere Fortbildung der Erfindung sieht bevorzugt vor, dass wenigstens eine Drossel der Hauptfilterschaltung als stromkompensierte Drossel ausgeführt ist.
  • Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass eine nebengeordnete Schaltungsanordnung mit aktiven Komponenten gebildet ist. Beispielsweise kann dann die Resonanzfrequenz der nebengeordneten Schaltungsanordnung in betriebsabhängiger Weise geführt werden, beispielsweise, wenn bei variierenden Frequenzen des Frequenzumrichters Ableitströme mit variierenden Frequenzen entstehen.
  • Gemäß einem nebengeordnetem Aspekt der Erfindung ist eine Versorgungsanordnung für eine mit einem Frequenzumrichter zu betreibende Anlage bereitgestellt, welche umfasst: Wenigstens einen Anschluss zum Verbinden mit einer Stromversorgung, ein mit dem Anschluss verbundenes, wie oben beschriebenes elektrisches Filter, wenigstens einen Frequenzumrichter, der mittels des elektrischen Filters versorgt wird, und wenigstens einen Anschluss zum Verbinden eines Ausgangs des wenigstens einen Frequenzumrichters mit der mit einem Frequenzumrichter zu betreibenden Anlage.
  • Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Figuren einer Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:
  • 1a einen Schaltplan eines elektrischen Filters gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
  • 1b einen Aufbau des elektrischen Filters nach 1a,
  • 2 einen Schaltplan für einen elektrischen Filter gemäß einer zweiten Ausführungsform,
  • 3a physikalische Ableitströme eines ersten Filters im Vergleich zu einem Filter von einer der beiden Ausführungsformen,
  • 3b physikalische Ableitströme eines zweiten Filters im Vergleich zu einem Filter gemäß einer der beiden Ausführungsformen,
  • 4a FI-bewertete Ableitströme für das erste Filter im Vergleich zu einem der Filter der beiden Ausführungsformen und
  • 4b FI-bewertete Ableitströme für das zweite Filter im Vergleich zu einem Filter gemäß einer der beiden Ausführungsformen.
  • 1a zeigt einen Schaltplan 101 eines elektrischen Filters gemäß einer ersten Ausführungsform. Der in der 1 gezeigte elektrische Filter, insbesondere EMV-Netzfilter an einem Versorgungsanschluss zur Versorgung einer mit einem Frequenzumrichter (nicht gezeigt) betriebenen elektrischen Anlage (nicht gezeigt), umfasst eine aus Impedanzen C_XA_1, C_XA_2, C_XA_3, L_W, L_V, L_U, C_XB_1, C_XB_2, C_XB_3 und C_V gebildete Hauptfilterschaltung zum Filtern unerwünschter Frequenzanteile, insbesondere EMV-relevanter Störungen. Ferner ist eine durch eine gestrichelte Linie hervorgehobene nebengeordnete Schaltungsanordnung 102 dargestellt, die konfiguriert ist, eine Filtercharakteristik der Hauptfilterschaltung zu beeinflussen. Die nebengeordnete Schaltungsanordnung 102 ist mit einer Reihenschaltung einer Drossel L_B, eines Kondensators C_B und einer auf der Ringkerndrossel L_W, L_V, L_U zusätzlich ausgeführten Drossel L_BH gebildet. Die einer Stromversorgung zugewandten Ausschlüsse des elektrischen Filters 101 sind mit L1, L2, L3 und PE bezeichnet. Die dem Frequenzumrichter zugewandten Anschlüsse sind mit U, V, W und PE bezeichnet. Auf die in der Schaltung eingezeichneten Widerstände wird hier nicht im Detail eingegangen. Die als X-Kondensatoren bezeichneten Kondensatoren reduzieren symmetrische Störungen, während der V-Kondensator der Dämpfung von asymmetrischen Störungen dient. Je größer die Kapazitäten der Kondensatoren sind, desto besser kann die Dämpfung des Filters sein und entsprechend höhere unerwünschte Ableitströme können auftreten.
  • In 1b ist eine 3D-Grafik der ersten Ausführungsform veranschaulicht. Gleiche Bezugszeichen bedeuten hier gleiche Bauelemente. Es ist in der 1b angedeutet, dass der Kondensator C_B als SMD-Baustein ausgeführt sein kann.
  • Das hier vorgeschlagene neue Filterkonzept begegnet den eingangs erwähnten Problemen, indem der Verlauf der Einfügedämpfungskurve des gesamten Filters geändert wird, im wesentlichen dadurch, dass die Filterresonanz der Hauptfilterschaltung weitestgehend beseitigt wird. Realisiert wird dies durch die zusätzliche, als nebengeordnete Schaltungsanordnung gebildete Bandsperre, welche so angelegt ist, dass sie den Frequenzbereich, in welchem herkömmlich die verstärkende Filterresonanz der Hauptfilterschaltung auftritt, sperrt. Das heißt, es wird durch die Bandsperre eine Gegenresonanz erzeugt, welche nicht nur die ursprüngliche Resonanz kompensiert, sondern weitergehend, im angesprochenen sensiblen Bereich weniger kHz, dem Filter bereits eine dampfende Wirkung verleiht. Die als nebengeordnete Schaltungsanordnung gebildete Bandsperre wiederum wird für das Gesamtfilter weitestgehend kostenneutral und/oder aufwandsneutral realisiert. Die meisten EMV-Netzfilter sind aus CL-Gleichtakt- und CLC-Gegentakt-Schaltungen gebildet, das heißt, dass bereits eine Filterdrossel vorhanden ist. Diese kann im Falle der gewerblichen Anwendung eine stromkompensierte Ringkerndrossel sein. Zur Realisierung der nebengeordneten Schaltungsanordnung kann auf zwei Ausführungsformen zurückgegriffen werden.
  • In der in 1a und 1b gezeigten Variante wird auf dem bereits vorhandenen Kern der Hauptfilterschaltung eine zusätzliche Wicklung zur Auskopplung einer induzierten Spannung an die nebengeordnete Schaltungsanordnung angebracht. Diese Wicklung wird jedoch mit wesentlich weniger Windungen und mit wesentlich dünnerem Draht ausgeführt als die bereits vorhandenen, da die Bandsperre nur die Ableitstrom bezogenen Gleichtaktstörströme, nicht aber die um mehrere Größenordnungen höher liegenden Betriebsströme tragen muss. In dem Schaltkreis mit dieser Auskoppelwicklung werden ein zusätzlicher Kondensator C_B und eine zusätzliche Drossel L_B in Reihe geschaltet. Diese Bauelemente realisieren im Zusammenspiel mit der Auskopplung die nebengeordnete Schaltungsanordnung oder die Bandsperre. Der zusätzliche Kondensator C_B kann hierbei in SMD-Bauform ausgeführt werden, da er ebenso wie die zusätzliche Drossel nur eine geringe Isolationsspannung benötigt. Aufgrund der Unterschiede der Windungszahl bei der Auskopplung und aufgrund der Tatsache, dass lediglich Störströme und Störspannungen ausgekoppelt werden, treten in der Bandsperre, im Vergleich zum Betriebsstrom tragenden Teil des Filters, nur sehr geringe Ströme und Spannungen auf. Üblicherweise bewegt man sich beispielsweise im Bereich unter 10 V und deutlich unter 1 A. Dies hat zur Folge, dass die zusätzlichen Bauelemente sich preislich um we nigstens eine Größenordnung unterhalb der Preisklasse der übrigen Entstörelemente im Filter bewegen können.
  • Gemäß der in 2 gezeigten Ausführungsform sind drei nebengeordnete Schaltungsanordnungen 202 vorgesehen, von denen aus Gründen der Klarheit nur eine mittels einer gestricheilten Linie hervorgehoben ist. In dieser Ausführungsform wird keine vierte Wicklung auf dem bereits vorhandenen Ringkern, im Folgenden Hauptkern genannt, benötigt. Die als nebengeordnete Schaltungsanordnung ausgeführte Bandsperre C_B_W, L_B_W wird mittels einer Parallelschaltung, bestehend aus einer zur Hauptfilterschaltung zusätzlichen Reihenschaltung eines Kondensators C_B_W und einer Drossel C_B_W parallel zur Induktivität L_W der Hauptfilterschaltung, realisiert. Wie in der 2 dargestellt, erfolgt diese Parallelschaltung gleichermaßen auf allen drei Phasen, mit anderen Worten parallel zu den jeweiligen Wicklungen der Hauptdrossel. Es sind also eine aus dem Kondensator C_B_V und der Drossel L_B_V gebildete Reihenschaltung parallel zur Induktivität L_V der Hauptdrossel und eine aus dem Kondensator C_B_U und der Drossel L_B_U gebildete Reihenschaltung parallel zur Induktivität L_U der Hauptdrossel geschaltet. Die jeweilige Bandsperre entsteht hierbei durch die Parallelresonanz der Hauptdrossel L_W und dem zusätzlichen Kondensator C_B_W. Die zweite Drossel L_B_W jeweils in Reihe zum Bandsperrenkondensator C_B_W stellt die Entstörinduktivität für Frequenzen oberhalb der Bandsperre zur Verfügung. Ähnliches gilt für die mit V und die mit U bezeichneten Schaltkreiskomponenten. Diese zweite Drossel kann ebenfalls als Ringkerndrossel ausgeführt werden, wodurch sich die zusätzlich benötigten Bauteile und das zusätzlich benötige Volumen bei der zweiten Ausführungsform reduzieren. Insgesamt wird das zusätzlich benötigte Volumen aber höher als bei der ersten Ausführungsform sein. Hinsichtlich ihrer Wirksamkeit ist ebenfalls die erste Ausführungsform zu bevorzugen, da sie bei gleicher Entstörwirkung im Allgemeinen eine höhere Ableitstromreduktion aufweist.
  • Ähnlich zur ersten Ausführungsform trägt der jeweilige, als nebengeordnete Schaltungsanordnung ausgeführte Bandsperrenkreis bei der zweiten Ausführungsform lediglich die wesentlich geringeren Störspannungen und Störströme, aber keine Nennströme oder- spannungen. Dadurch können auch hier Bauelemente eingesetzt werden, welche eine weit geringere Spannungs- und Stromtragfähigkeit besitzen und sich ebenfalls um wenigstens eine Größenordnung unterhalb der Preisklasse der übrigen Entstörelemente bewegen.
  • Bei beiden Filtervarianten tritt ein Effekt hinzu, dass durch die Reduktion der physikalischen wie der FI-relevanten Ableitströme, die bereits vorhandene Ringkerndrossel besser ausgenutzt werden kann. Ihre Dimensionierung hängt von der Belastung durch Gleichtaktstörströme ab, welche identisch mit den physikalischen Ableitströmen sind. Die zulässige Sättigungsinduktion ist ein entscheidender Faktor. Da durch die Ableitstromreduktion die Aussteuerung des Ringkernes zunächst in proportionaler Weise reduziert wird, kann in einem zweiten Schritt die auf dem Ringkern realisierte Drosselinduktivität in gleichem Maße erhöht werden. Im Gleichtaktfall wird diese Induktivitätserhöhung aufgrund der Bandsperre zwar wieder teilweise aufgehoben, im Gegentaktfall bleibt jedoch die erhöhte Streuinduktivität der Drossel erhalten. Hierdurch verbessert sich die Gegentaktentstörung. In einem nächsten Schritt kann dann an der Dimensionierung der im Gegentakt wirksamen Entstörkondensatoren gespart werden. Durch die Einsparung an benötigter Gegentaktkapazität wirkt sich die Bandsperre somit kostenneutral, bestenfalls sogar kostenreduzierend aus.
  • Der direkte Vergleich von konventionellen Filtern und den äquivalenten Filtern nach neuem Konzept zeigt, dass die durchschnittlich auftretenden Ableitströme in etwa um den Faktor 3, dies entspricht in etwa 10 dB reduziert werden können. Wenigstens ebenso bedeutend ist die Tatsache, dass durch die geänderte Einfügedämpfungscharakteristik das Filter weniger anfällig ist, Ableitströme aus Netzstörungen allgemein anzuregen und damit unerwartete Anlageausfälle und/oder Standzeiten aus FI-Fehlauslösungen reduziert werden.
  • Im Weiteren bedeutet dies, dass angepasste Filterlösungen, welche aufgrund der dargelegten Zusammenhänge bisher nicht mit gleicher Entstörwirkung oder Kosten realisierbar waren, mit dieser Erfindung umsetzbar sind. Hinsichtlich der zulässigen Pulsfrequenzen, mit welcher der Frequenzumrichter in Kombination mit dem neuen Filterkonzept betrieben werden kann, existieren wesentlich mehr Freiheitsgrade. Da die leitungsgebundene Störemission der Anlagen mit Frequenzumrichter und deren Ableitströme gleichermaßen sehr stark von einer verwendeten Leitungslänge beispielsweise Motorkabellänge zwischen gesteuertem Antrieb und Umrichter, abhängen, können mit dieser Erfindung Anlagen sowohl hinsichtlich ihrer Störemission als auch hinsichtlich ihrer Ableitströme betrieben werden, bei welchen dies aufgrund der zu hohen Leitungslänge vorher nicht der Fall war. Das bedeutet, dass die Hersteller und Anbieter derartiger Anlagen einen höheren Freiheitsgrad hinsichtlich der einsetzbaren Leitungslängen besitzen. Insbesondere im Fall eines gesteuerten Antriebs ist es beispielsweise möglich, eine größere Motorkabellänge vorzusehen.
  • Zusammenfassend ist die Erfindung in der Lage, Ableitströme elektrischer Anlagen mit Frequenzumrichter zu reduzieren, eine Anfälligkeit der Anlage gegen FI-Fehlauslösungen aufgrund von (zufälligen) Netzstörungen zu reduzieren, Freiheitsgrade bei einer Installation von Anlagen hinsichtlich einer Leitungslänge sowie Freiheitsgrade bei der Dimensionierung von Netzfiltern zur Einhaltung der EMV-Konformität zu erhöhen. Zudem werden die in diesem Bereich anfallenden Kosten gesenkt. Insbesondere gestattet es die Erfindung vorzugsweise, die einander entgegenstehenden Anforderungen möglichst geringer Ableitströme und der Einhaltung einer EMV-Konformität gleichzeitig zu erfüllen.
  • Im Folgenden werden Versuchsreihen verschiedener Filter miteinander verglichen. Die Wirksamkeit des vorgestellten Netzfilters in der ersten Ausführungsform wurde anhand einer Versuchsreihe mit einem kommerziellen Frequenzumrichter überprüft. Der kommerzielle Umrichter besaß bereits einen Netzfilter, mit welchem er auf die Entstörklasse C2 nach EN 61800-3 entstört wurde. Die Ableitströme dieses Umrichters wurden vermessen. Anschließend wurde das kommerziell bereits installierte Filter entfernt und durch ein elektrisches Filter gemäß der ersten Ausführungsform ersetzt. Das Maximum der physikalischen Ableitströme trat bei der kommerziellen Filterlösung, wie in der 3a unter dem Bezugszeichen 311 zu sehen ist, bei einer 4 kHz-Taktung auf und betrug etwa 82 mAeff. Mit Hilfe des gemäß der ersten Ausführungsform gebildeten Netzfilters können die Ableitströme auf maximal 26 mAeff reduziert werden, welche bei 2 kHz Taktung auftreten. Dies ist bei Bezugszeichen 313 bei der Frequenzangabe 2 kHz zu sehen. Dies entspricht im Ergebnis einer Reduzierung auf etwa 32%, also in etwa einer Ableitstromdrittelung. Zusätzlich ist der Aspekt zu berücksichtigen, dass mit dem gemäß der ersten Ausführungsform gebildeten Filter eine höhere Entstörwirkung erzielt wird, dieser entstört auf Entstörklasse C1. In einer zweiten Versuchsreihe, die in 3b dokumentiert ist, wurde aus diesem Grund ein konventionelles Vergleichsfilter eingesetzt, welches identisch gebaut ist, ebenfalls auf C1 entstört, aber ohne Bandsperre oder nebengeordnete Schaltungsanordnung ausgeführt ist. Hier ist zu sehen, dass beim Einsatz des konventionellen Filters bei der Frequenz 2 kHz unter Bezugszeichen 321 ein Ableitstrom von etwa 117 mAeff auftritt. Das gemäß der ersten Ausführungsform gebildete elektrische Filter weist bei dieser Frequenz, wie unter 323 gezeigt ist, lediglich 26 mAeff auf. Dies entspricht einer Reduzierung auf etwa 22%, das heißt einer Ableitstromviertelung.
  • In ähnlicher Weise stellen die 4a und 4b hinsichtlich FI-bewerteter Ableitströme die Ergebnisse eines Vergleichs eines kommerziellen Filters unter dem Bezugszeichen 411 mit den Ergebnissen eines gemäß der ersten Ausführungsform gebildeten Netzfilters unter Bezugszeichen 413 dar, sowie unter dem Bezugszeichen 421 die Ergebnisse eines konventionellen Filters im Vergleich zu einem Netzfilter gemäß der ersten Ausführungsform unter dem Bezugszeichen 423. Es ist eindeutig zu sehen, dass auch für den Fall der FI-bewerteten Ableitströme das gemäß der ersten Ausführungsform gebildete Netzfilter vorteilhaft gegenüber einem kommerziellen und/oder konventionellen Filter ist. Ein Netzfilter gemäß der zweiten Ausführungsform wurde bislang nicht experimentell untersucht.
  • In Bezug auf die FI-relevanten Ableitströme in den 4a und 4b ist zu berücksichtigen, dass diese wie bereits erläutert, gemäß den in VDE 0664 Teil 100 angegebenen Auslösegrenzwerten frequenzabhängig bewertet werden müssen. Allerdings besteht ein großer Unterschied zwischen den maximal und minimal zulässigen Auslösewerten. Dadurch variiert in der Praxis die frequenzabhängige Bewertung der Ströme durch FI-Schutzschalter ebenfalls sehr stark, sowohl hinsichtlich unterschiedlicher Anbieter, als auch hinsichtlich der verschiedenen Schaltertypen. Die Unterschiede, welche sich durch die Bewertung ergeben, können sich hierbei durchaus zwischen den Faktoren 2 bis 10 bewegen. Eine Bewertung zu definieren, welche repräsentativ für alle am Markt angebotenen FI-Schalter zeichnet, ist somit nicht vertrauenswürdig durchführbar. Sinnvoll ist in dieser Hinsicht lediglich der Vergleich verschiedener Filterlösungen unter einheitlicher Bewertung, die jeweilige einzelne Bewertung wiederum wird stets nur bedingt repräsentativ sein. Die Angaben in den 4a und 4b sind nach gemittelten Auslösewerten bewertet worden. Die hierüber ermittelten, maximal auftretenden, FI-relevanten Ableitströme wurden vom Prototypen auf 54% im Vergleich zur kommerziellen Lösung reduziert und auf 28% im Vergleich zur konventionellen Lösung. Die Reduzierungen sind in diesem Fall allerdings nur Orientierungswerte, da sie wie beschrieben von der exakten Frequenzbewertung durch den jeweiligen FI-Schalter abhängen. Bei besonders konservativen FI-Schaltern, also denjenigen Schaltern, welche besonders früh auslösen, da ein gewisser Sicherheitsabstand zu Normvorgaben garantiert werden soll, fiele die Wirkung des Prototypen tendenziell stärker aus, was also eine höhere Reduzierung bedeuten würde. Mit anderen Worten ist das elektrische Filter mit zu einer Hauptfilterschaltung nebengeordneten Schaltungsanordnung vorzugsweise in der Lage, auch bei herstellerbedingten Unterschieden einzelner FI-Schalter in flexibler Weise eine Reduzierung der Ableitströme bereitzustellen.
  • Die Versuchsergebnisse bestätigen somit insgesamt die Wirksamkeit der neu entwickelten Maßnahmen. Bei bekanntem Aufbau und gegebener Entstörklasse kann beispielsweise eine auf minimalen Ableitstrom angepasste Filterlösung erzielt werden. Zusammengefasst gestattet das mit einer nebengeordneten Schaltungsanordnung versehene elektrische Filter also eine Optimierung eines elektrischen Filters hinsichtlich eines Volumens oder Kosten und/oder einer erweiterbaren Kabellänge und/oder einem Einhalten von Ableitstromgrenzwerten im Vergleich zur herkömmlichen, lediglich eine Hauptfilterschaltung aufweisenden, Lösung.
  • Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihrem verschiedenen Ausführungsformen von Bedeutung sein.
  • 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 Nicht-Patentliteratur
    • - VDE 0664 Teil 100 [0006]
    • - DIN EN 61008-1 [0006]
    • - EN 61800-3 [0009]
    • - VDE 0664 Teil 100 [0009]
    • - Weber, S., „Effizienter Entwurf von EMV-Filtern für leistungselektronische Geräte unter Anwendung der Methode der partiellen Elemente”, Dissertation, TU Berlin, 2007 [0011]
    • - Buob, C., „Ableitströme im richtigen Blickwinkel”, Elektronik 14/2008 [0012]
    • - EN 61800-3 [0043]
    • - VDE 0664 Teil 100 [0045]

Claims (9)

  1. Elektrisches Filter, insbesondere EMV-Netzfilter an einem Versorgungsanschluss zur Versorgung einer mit einem Frequenzumrichter betriebenen elektrischen Anlage, mit einer Hauptfilterschaltung zum Filtern unerwünschter Frequenzanteile, insbesondere EMV-relevanter Störungen, sowie wenigstens einer nebengeordneten Schaltungsanordnung, die konfiguriert ist, eine Filtercharakteristik der Hauptfilterschaltung zu beeinflussen.
  2. Elektrisches Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine nebengeordnete Schaltung wenigstens eine Resonanzfrequenz der Hauptfilterschaltung dampfend ausgeführt ist.
  3. Elektrisches Filter nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine nebengeordnete Schaltung Ableitströme verringernd ausgeführt ist.
  4. Elektrisches Filter nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine nebengeordnete Schaltung mit einer Reihenschaltung aus einer Drossel und einem Kondensator gebildet ist.
  5. Elektrisches Filter nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine nebengeordnete Schaltung mit einer Drossel gebildet ist, die auf einen Kern einer Drossel der Hauptfilterschaltung gewickelt ist.
  6. Elektrisches Filter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer mehrphasigen Versorgung die wenigstens eine nebengeordnete Schaltung mit wenigstens einer aus einer Drossel und einem Kondensator gebildeten Reihenschaltung pro Phase gebildet ist.
  7. Elektrisches Filter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Drossel der Hauptfilterschaltung als stromkompensierte Drossel ausgeführt ist.
  8. Elektrisches Filter nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine nebengeordnete Schaltungsanordnung mit aktiven Komponenten gebildet ist.
  9. Versorgungsanordnung für eine mit einem Frequenzumrichter zu betreibende Anlage, umfassend: – wenigstens einen Anschluss zum Verbinden mit einer Stromversorgung, – ein mit dem Anschluss verbundenes elektrisches Filter nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, – wenigstens einen Frequenzumrichter, der mittels des elektrischen Filters versorgt wird, und – wenigstens einen Anschluss zum Verbinden eines Ausgangs des wenigstens einen Frequenzumrichters mit der mit einem Frequenzumrichter zu betreibenden Anlage.
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