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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.
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Hintergrund der Erfindung
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Ableitströme,
die im Zusammenhang mit einem Netzfilter auftreten, sind in Buob,
C., „Ableitströme im richtigen Blickwinkel",
Elektronik 14/2008 erläutert.
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Zusammenfassung der Erfindung
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Eine
vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass
die wenigstens eine nebengeordnete Schaltung mit einer Reihenschaltung
aus einer Drossel und einem Kondensator gebildet ist.
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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.
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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.
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Eine
weitere Fortbildung der Erfindung sieht bevorzugt vor, dass wenigstens
eine Drossel der Hauptfilterschaltung als stromkompensierte Drossel ausgeführt
ist.
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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.
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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.
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Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
der Erfindung
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf Figuren einer Zeichnung näher erläutert. Hierbei
zeigen:
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1a einen
Schaltplan eines elektrischen Filters gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel,
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1b einen
Aufbau des elektrischen Filters nach 1a,
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2 einen
Schaltplan für einen elektrischen Filter gemäß einer
zweiten Ausführungsform,
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3a physikalische
Ableitströme eines ersten Filters im Vergleich zu einem
Filter von einer der beiden Ausführungsformen,
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3b physikalische
Ableitströme eines zweiten Filters im Vergleich zu einem
Filter gemäß einer der beiden Ausführungsformen,
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4a FI-bewertete
Ableitströme für das erste Filter im Vergleich
zu einem der Filter der beiden Ausführungsformen und
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4b FI-bewertete
Ableitströme für das zweite Filter im Vergleich
zu einem Filter gemäß einer der beiden Ausführungsformen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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-
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
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