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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Unterdrücken von harmonischen Oberschwingungen in einem Hochspannungsnetz oder in einer Hochspannungsleitung mit passiven Filterelementen, denen wenigstens eine Abstimmfrequenz zuordenbar ist, bei der die passiven Filterelemente eine ausgewählte harmonische Oberschwingung in dem Hochspannungsnetz bedämpfen, und einem Hochpasswiderstand, der zusammen mit Teilen der passiven Filterelemente einen Hochpass ausbildet.
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Eine solche Vorrichtung ist beispielsweise aus dem Beitrag von C. Bartzsch, H. Huang, R. Roessel und K. Sadek mit dem Titel „Triple Tuned Harmonic Filters – Design Principle and Operating Experience" POWERCON 2002, October 13–17, 2002, Kunming, China bereits bekannt. Dort ist in 1 ein dreifach abgestimmtes passives Filter gezeigt, das zum Filtern von Oberschwingungen und zur Bereitstellung von Blindleistungen in einem Hochspannungsnetz eingerichtet ist.
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Eine Kombination eines passiven und eines aktiven Filters ist aus der
WO 1999/67868 bekannt. Dort ist ein hinsichtlich seiner Filtercharakteristik steuerbares Filter in Reihe zu einem zweifach abstimmten passiven Filter geschaltet.
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In elektrischen Energieversorgungssystemen treten neben den harmonischen Grundschwingungen von Strom und Spannungen im Bereich von 50 Hz oder 60 Hz auch Oberschwingungen höherer Ordnung auf. Insbesondere Umrichter, beispielsweise einer Hochspannungsgleichstromübertragungsanlage, speisen in der Regel ungewollte Oberschwingungsströme in das an den Umrichter angeschlossene Wechselspannungsnetz ein. Die eingespeisten Oberschwingungsströme rufen entsprechende Oberschwingungsspannungen hervor. Die Oberschwingungsspannungen bewirken dann Spannungsverzerrungen im Gleich- und Wechselspannungsnetz. Um den fehlerfreien Betrieb aller an das Netz angeschlossener Anlagen, Geräte und Systeme zu gewährleisten, sind für die maximale Spannungsverzerrung Grenzwerte vorgegeben.
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Zum Unterdrücken der für die Spannungsverzerrung ursächlichen Oberschwingungsspannungen werden passive und aktive Filter eingesetzt, die beispielsweise in Parallelschaltung an das Wechselspannungsnetz oder eine Gleichspannungsleitung angeschlossen werden. Dies erfolgt insbesondere dann, wenn leistungselektronische Anlage, wie z. B. Hochspannungsgleichstromübertragungsanlagen oder so genannte „Flexible AC Transmission Systems”, an ihren Anschlusspunkten harmonische Oberschwingungen in das angeschlossene Wechselspannungsnetz einspeisen. Die bekannten passiven Filter umfassen passive Filterelemente, wie Kondensatoren, Spulen und Ohmsche Widerstände, die so verschaltet sind, dass der Filter bei einer oder mehreren Frequenzen einen Strompfad mit niedriger Impedanz zur Erde hin ausbilden. Ströme mit einer solchen Frequenz werden dann quasi aus dem Hochspannungsnetz abgesaugt.
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Problematisch ist bei den besagten Filtern, dass diese im Bereich zwischen den Abstimmfrequenzen sowie im Frequenzbereich oberhalb der höchsten Abstimmfrequenz hohe Impedanzen aufweisen. Diese hohen Impedanzen können jedoch Störströme nicht abführen und somit nicht zur Reduzierung der Spannungsverzerrungen beitragen.
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Zur Lösung dieses Problems werden auch Ohmsche Hochpasswiderstände eingesetzt. Die Hochspannungswiderstände bilden in der Regel eine Verbindung zwischen dem niederspannungsseitigen Anschluss eines Hochspannungskondensators auf der einen Seite und der Erde oder einer neutralen Sammelschiene auf der anderen Seite. Ein solcher Hochpasswiderstand verringert die Impedanz des Filters bei den Frequenzen, die zwischen in Abstimmfrequenzen liegen oder größer sind als die höchste Abstimmfrequenz des Filters.
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Der Einsatz eines solchen Hochpassfilters führt jedoch zu zwei Nachteilen. Zum Einen wird die Impedanz des Filters im Bereich der Abstimmfrequenzen erhöht, so dass die Filterwirkung für die ausgewählten Oberschwingungen verschlechtert wird. Darüber hinaus verursachen Hochpasswiderstände erhebliche Verluste im Filter. Diese Verluste werden vor allem von der Grundharmonischen sowie den charakteristischen und nicht-charakteristischen harmonischen Oberschwingungen mit den größeren Amplituden verursacht.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die bei jeder Abstimmfrequenz eine möglichst geringe Impedanz aufweist und bei der weniger Verluste im Hochpasswiderstand auftreten.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe durch wenigstens einen Sperrkreis, der in Reihe zum Hochpasswiderstand geschaltet ist, wobei der Sperrkreis auf eine Abstimmfrequenz der passiven Filterelemente abgestimmt ist.
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Erfindungsgemäß wird in Reihe zum Hochpasswiderstand ein Sperrkreis geschaltet. Der zusätzliche Sperrkreis im Zweig des Hochpasswiderstands bedingt, dass die harmonischen Oberschwingungen, auf die der Sperrkreis abgestimmt ist, nicht mehr über den Hochpasswiderstand fließen können. Wechselströme mit dieser Frequenz werden stattdessen gezwungen, durch andere Zweige der Vorrichtung zu fließen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung verhält sich somit für die Frequenzen, auf welche der oder die besagten Sperrkreise abgestimmt sind, wie eine Vorrichtung ohne Hochpasswiderstand. Das ist für jene harmonischen Oberschwingungsströme von Vorteil, für die der Filter hauptsächlich abgestimmt ist. Für andere Frequenzen, auf welche der Sperrkreis nicht abgestimmt ist, tritt weiterhin eine Hochpasswirkung ein. Da die infolge des Sperrkreises gesperrten Ströme nicht mehr über den Hochpasswiderstand fließen, sind die Verluste der gesamten Vorrichtung verringert. Darüber hinaus kann der Hochpasswiderstand für geringere Leistungen ausgelegt werden, wodurch seine Kosten verringert sind.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der oder einer der Sperrkreise auf die Frequenz der harmonischen Oberschwingung mit der höchsten Amplitude abgestimmt. Insbesondere bei dieser Abstimmfrequenz der Filterelemente würden ohne Sperrkreis die größten Verluste im Hochpasswiderstand auftreten. Es ist daher zweckmäßig, die Sperrfrequenz des Sperrkreises auf diese Abstimmfrequenz abzustimmen.
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Zweckmäßigerweise ist jeder Sperrkreis als Parallelschaltung eines Kondensators und einer Spule ausgestaltet. Eine solche Ausgestaltung des Sperrkreises ist dem Fachmann bestens bekannt. Durch die Parallelschaltung von Kondensator und Spule wird ein Parallelschwingkreis realisiert. Der Parallelschwingkreis ist so mit dem Hochpasswiderstand verbunden, dass ein über den Hochpasswiderstand fließender Strom entweder über die Spule oder aber den Kondensator des Sperrkreises fließen kann. Ein Strom mit niedriger Frequenz fließt über die Spule. Ströme höherer Frequenzen fließen hingegen über den Kondensatorzweig des Sperrkreises. Die Abstimm- oder Sperrfrequenz des Sperrkreises ist gleich seiner Resonanzfrequenz.
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Zweckmäßigerweise sind mehrere in Reihe geschaltete Sperrkreise vorgesehen, die jeweils für unterschiedliche Abstimmfrequenzen ausgelegt sind. So sind beispielsweise bei einer Vorrichtung mit dreifach abgestimmten Filterelementen drei Sperrkreise vorgesehen, wobei jeder Sperrkreis auf eine unterschiedliche Abstimmungsfrequenz der Filterelemente abgestimmt ist. Mit anderen Worten weist jeder Sperrkreis eine Sperrfrequenz auf, die jeweils einer bestimmten Abstimmfrequenz entspricht. Auf diese Art und Weise verhält sich die gesamte Vorrichtung so, als ob diese für die jeweiligen Abstimmfrequenzen des Dreifachfilters keinen Hochpasswiderstand aufweisen würde.
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Die passiven Filterelemente umfassen zweckmäßigerweise Kondensatoren und Spulen. Selbstverständlich können auch Ohmsche Widerstände passive Filterelemente sein.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung verfügen die passiven Filtermittel über einen mit dem Hochspannungsnetz über Anschlussmittel verbindbaren Hochspannungskondensator, dessen niederspannungsseitige Anschlussklemme zum Einen mit einem Filterzweig und zum Anderen mit einem parallel zu dem besagten Filterzweig geschalteten Hochpasszweig verbunden ist, die jeweils den Hochspannungskondensator mit einem Erdpotenzial oder dem elektrischen Potenzial einer neutralen Sammelschiene verbinden, wobei die restlichen passiven Filterelemente in dem Filterzweig und der Hochpasswiderstand sowie jeder Sperrkreis in dem Hochpasszweig angeordnet sind. Mit anderen Worten sind dem Hochspannungskondensator, der beispielsweise über einen Schalter direkt mit dem Hochspannungsnetz verbunden ist, zwei parallele Zweige nachgeschaltet. Im ersten dieser Zweige, dem Filterzweig, sind die restlichen passiven Filtermittel angeordnet. Der zum Filterzweig parallele Hochspannungszweig weist den Hochpasswiderstand sowie die Sperrkreise auf. Filterzweig und Hochpasszweig sind jeweils mit dem Erdpotenzial oder aber beide mit einer neutralen Sammelschiene verbunden, dies ist insbesondere bei Gleichspannungsanwendungen der Fall, wobei die Hochspannungsleitung Gleichstrom führt, der mit einer Restwelligkeit beaufschlagt ist.
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Die passiven Filterelemente sind, wie bereits angedeutet wurde, zweckmäßigerweise durch Anschlussmittel, beispielsweise einen Schalter, mit einem Wechselspannungsnetz oder aber mit einem Gleichspannungs- oder Gleichstromkreis, verbunden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist bei Wechselspannungsanwendungen mehrpolig ausgebildet, weist also für jede Phase des Wechselspannungsnetzes zueinander identische Pole auf.
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Vorteilhafterweise bilden die passiven Filtermittel ein einfach, zweifach oder dreifach abgestimmtes Filter aus. Solche einfache oder mehrfach abgestimmten Filter sind dem Fachmann in ihrer Ausgestaltung bestens bekannt, so dass an dieser Stelle auf deren Schaltung und Wirkungsweise nicht genauer eingegangen zu werden braucht.
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Gemäß einer abweichenden Ausgestaltung bilden die passiven Filterelemente ein einfach oder mehrfach abgestimmtes C-Type-Filter aus. Auch C-Type-Filter sind dem Fachmann bekannt.
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Vorteilhafterweise umfassen die passiven Filtermittel Ohmsche Dämpfungswiderstände.
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Vorteilhafterweise ist ein Hochspannungsableiter zum Überbrücken mindestens eines Teils der passiven Filterelemente sowie des Hochpasswiderstandes und jedes Sperrkreises vorgesehen.
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Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung unter Bezug auf die Figuren der Zeichnung, wobei gleiche Bezugszeichen auf gleich wirkende Bauteile verweisen und wobei
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1 und 2 Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einfach abstimmten Filterelementen,
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3 und 4 Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit zweifach abgestimmten Filterelementen und
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5 und 6 Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit dreifach abgestimmten Filterelementen zeigen.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1. Die Vorrichtung 1 verfügt über einen Schalter 2 als Anschlussmittel zum Anschluss an eine Wechselspannung führende Hochspannungsleitung 3. Die Hochspannungsleitung 3 ist Teil eines Hochspannungsnetzes und in den Figuren jeweils nur einphasig dargestellt. Sie umfasst jedoch drei Phasen. Ebenso ist die Vorrichtung 1 lediglich einpolig dargestellt. Sie weist jedoch für jeden der Phasen der Wechselspannungsleitung 3 einen Pol auf, wobei alle Pole identisch aufgebaut und mit jeweils einer Phase der Wechselspannungsleitung 3 verbunden sind.
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Weiterhin umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 einen Hochspannungskondensator C1, der mit seiner hochspannungsseitigen Anschlussklemme direkt mit der Hochspannungsleitung 3 verbunden werden kann. Die niederspannungsseitige Anschlussklemme des Hochspannungskondensators C1 ist hingegen direkt einer ersten Spule L1 vorgeschaltet. Die erste Spule L1 verbindet den Hochspannungskondensator C1 mit einem Erdpotenzial. Der sich zwischen der niederspannungsseitigen Anschlussklemme des Hochspannungskondensators C1 und dem Erdpotenzial erstreckende Zweig, in dem die erste Spule S1 angeordnet ist, wird im Folgenden Filterzweig 4 genannt. Darüber hinaus ist ein Hochpasszweig 5 erkennbar, der ebenfalls die niederspannungsseitige Anschlussklemme des Hochspannungskondensators C1 mit dem Erdpotenzial verbindet. Der Hochpasszweig 5 ist somit parallel zum Filterzweig 4 geschaltet. Im Hochpasszweig 5 ist ein Hochpasswiderstand Rhp angeordnet sowie ein erster Sperrkreis 6 in Reihenschaltung zum Hochpasswiderstand Rhp. Der erste Sperrkreis 6 ist als Parallelschwingungskreis ausgebildet, in dem eine erste Sperrkreisspule LRhp1 und ein erster Sperrkreiskondensator CRhp1 parallel geschaltet sind.
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Der Hochspannungskondensator C1 und die erste Spule L1 sind so ausgewählt, dass die Vorrichtung 1 für eine bestimmte Oberschwingung der Grundschwingung einen Strompfad zur Erde hin mit niedriger Impedanz ausbildet. Dieser Strompfad führt über den Schalter 2, den Hochspannungskondensator C1 und die erste Induktivität L1. Um auch unerwünschte höhere harmonische Oberschwingungen aus dem Hochspannungsnetz 3 gegen Erde abfließen lassen können, ist der Hochpasswiderstand Rhp vorgesehen. Ohne den Sperrkreis 6 würde dieser jedoch die Wirkung der Vorrichtung bei der Abstimmfrequenz in dem Sinne verschlechtern, als dass er die Impedanz für die ausgewählte Oberschwingung erhöhen würde. Die ausgewählte Oberschwingung könnte daher nicht mehr so erfolgreich in dem angeschlossenen Hochspannungsnetz bedämpft werden. Der erste Abstimmkreis 6 verhindert jedoch die Ausbildung eines Strompfades über den Hochpasswiderstand für die besagten Oberschwingungen, also für die Ströme, welche die Abstimmfrequenz aufweisen. Ströme mit Abstimmfrequenz werden daher gezwungen, über den Filterzweig 4 zu fließen, wodurch die durch den Hochpasswiderstand erhöhte Gesamtimpedanz für diese Ströme verringert wird. Darüber hinaus werden die Verluste, die am Hochpasswiderstand Rhp auftreten, verringert. Die Bemessungsleistung des Hochpasswiderstandes kann daher kleiner und kostengünstiger dimensioniert werden.
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2 bildet das Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 dahin fort, dass ein Überspannungsschutz in Gestalt eines Hochspannungsableiters 7 vorgesehen ist, wobei der Hochspannungsableiter 7 dem Filterzweig 4 sowie dem Hochpasszweig 5 parallel geschaltet ist. Mit anderen Worten verbindet der Hochspannungsableiter 7 die niederspannungsseitige Anschlussklemme des Hochspannungskondensators C1 mit dem Erdpotenzial. Dabei hat der Hochspannungsableiter 7 die Eigenschaft, dass er unterhalb einer Grenzspannung eine sehr hohe Impedanz aufweist. Übersteigt jedoch die Spannung die Grenzspannung, wird der Hochspannungsableiter leitend, so dass die Ströme über den Hochspannungskondensator C1 und den Hochspannungsableiter 7 zur Erde hin abfließen. Ferner ist in dem Filterzweig 4 ein der ersten Spule L1 zugeordneter Kondensator C1L vorgesehen, der dafür sorgt, dass Ströme mit der Grundschwingungsfrequenz vom Hochpasswiderstand Rhp ferngehalten werden. Dies entspricht einer Ausführung eines so genannten C-Type-Filters. C-Type-Filter sind dem Fachmann jedoch bekannt, so dass an dieser Stelle hierauf nicht genauer eingegangen zu werden braucht.
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3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1. Es ist erkennbar, dass gegenüber der einfachsten Ausgestaltung eines einfach abgestimmten Filters gemäß der Erfindung, das in 1 dargestellt ist, in dem Filterzweig 4 eine erste Filterparallelschaltung 8 in Reihe zur ersten Spule L1 angeordnet ist, die aus einer zweiten Spule L2 sowie einem zweiten Filterkondensator C2 besteht. Die Kapazitäten der Kondensatoren C1 und C2 sowie die Induktivitäten der Spulen L1 und L2 sind so abgestimmt, dass der Filterzweig 4 einschließlich des Hochspannungskondensators C1 einen Strompfad ausbildet, der bei zwei Abstimmfrequenzen eine niedrige Impedanz aufweist. Die beiden Abstimmfrequenzen liegen bei ausgewählten harmonischen Oberschwingungen der harmonischen Grundschwingung. In dem Filterzweig 5 ist neben dem Hochpasswiderstand Rhp und dem ersten Sperrkreis 6 ein weiterer zweiter Sperrkreis 9 erkennbar, wobei der Hochpasswiderstand Rhp, der erste Sperrkreis 6 und der zweite Sperrkreis 9 in Reihe zueinander angeordnet sind. Auch der zweite Sperrkreis ist als Parallelschwingkreis realisiert. Der erste Sperrkreis 6 ist auf die erste Abstimmfrequenz und der zweite Sperrkreis 9 auf die zweite Abstimmfrequenz der zweifach abgestimmten Filterelemente abgestimmt, so dass der Hochpasszweig 5 für beide Abstimmfrequenzen eine hohe Impedanz aufweist. Somit sind Ströme mit der einen oder anderen Abstimmfrequenz gezwungen, über den Filterzweig 4 zu fließen. Die Verluste im Hochpasswiderstand Rhp sind somit verringert und die Impedanz im Filterzweig 4 bei den Abstimmfrequenzen ebenfalls.
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4 bildet das Ausführungsbeispiel gemäß 3 dahin fort, dass das zweifach abgestimmte Filter im Zweig der ersten Spule L1 und im Zweig der zweiten Spule L2 wieder Grundschwingungsunterdrückungskondensatoren C1L und C2L aufweisen, die dafür sorgen, dass die Grundharmonische vom Hochpasswiderstand Rhp ferngehalten wird. Darüber hinaus sind Dämpfungswiderstände R1 und R2 vorgesehen, wobei der Dämpfungswiderstand R1 der ersten Induktivität L1 sowie dem ersten Grundschwindungsunterdrückungskondensator CL1 parallel geschaltet ist und der zweite Dämpfungswiderstand R2 der Filterparallelschaltung 8 parallel geschaltet ist. Darüber hinaus ist wieder ein Hochspannungsableiter 7 vorgesehen, der dem Filterzweig 4 und dem Hochpasszweig 5 parallel geschaltet ist. Schließlich ist ein weiterer Ableiter 10 vorgesehen, der ebenfalls parallel zum Parallelkreis 8 angeordnet ist.
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5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1, die diesmal ein dreifach abgestimmtes Filter ausbildet. So ist gegenüber dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 im Filterzweig 4 ein dritte Filterparallelschaltung 11 vorgesehen, die aus einem dritten Filterkondensator C3 und einer dritten Induktivität L3 besteht, die parallel zueinander geschaltet sind. Die Kapazitäten der Kondensatoren C1, C2 und C3 sowie die Induktivitäten der Spulen L1, L2, L3 sind so ausgewählt, dass die Vorrichtung 1 bei drei Abstimmfrequenzen einen Strompfad über den Filterzweig 4 mit niedriger Impedanz aufweist, wobei die Abstimmfrequenzen harmonischen Oberschwingungen der Grundschwingung der Hochspannungsleitung 3 entsprechen.
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Im Filterzweig 5 sind dementsprechend drei Sperrkreise 6, 9 und 12 vorgesehen, die jeweils auf eine der Abstimmfrequenzen abgestimmt sind. Jeder Abstimmfrequenz ist daher ein Sperrkreis 6, 9, 12 zugeordnet, so dass bei diesen Abstimmfrequenzen ein Stromfluss über den Filterhochpasszweig 5 verhindert ist.
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6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1, das ebenfalls ein dreifach abgestimmtes Filter zeigt, wobei für jede Abstimmfrequenz der passiven Filterelemente ein Sperrkreis 6, 9 beziehungsweise 12 vorgesehen ist. Darüber hinaus sind Grundschwingungsunterdrückungskondensatoren C1L, C2L und C3L jeweils in dem Zweig der Spulen L1, L2 beziehungsweise L3 geschaltet. Auch sind Dämpfungswiderstände R1, R2 und R3 vorgesehen, wobei jeder zusätzlichen Filterparallelschaltung 8, 11 jeweils ein Ableiter 10, 13 parallel geschaltet ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- C. Bartzsch, H. Huang, R. Roessel und K. Sadek mit dem Titel „Triple Tuned Harmonic Filters – Design Principle and Operating Experience” POWERCON 2002, October 13–17, 2002, Kunming, China [0002]
