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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Unterdrückung von asymmetrischen elektromagnetischen Störungen auf elektrischen Hochstromleitungen.
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Bekannte EMV-Filter für Applikationen mit hoher elektrischer(Durchgangs-)Leistung und gleichzeitig hoher EMV-Dämpfung führen zu Volumen- und gewichtsintensiven Lösungen.
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Stand der Technik sind EMV-Filter, die aus einer Kombination von Induktivitäten und Kapazitäten bestehen. Für Energieversorgungsleitungen sind die Filter als Tiefpass einfacher oder höherer Ordnung ausgelegt. Zusätzlich ist zu unterscheiden, ob es sich bei den Störungen um Gleichtakt- oder Gegentaktstörungen bzw. asymmetrische oder symmetrische Störungen handelt. Im Falle von Gegentaktstörungen sind Reihenin-duktivitäten bzw. Drosseln in Verbindung mit sogenannten Cx-Kondensatoren vorgesehen, die zwischen den einzelnen Leitungen angeordnet sind. Im Falle von Gleichtaktstörungen sind stromkompensierte Drosseln (SKD) vorgesehen, die aus mindestens zwei gleichsinnig auf einen Kern gewickelten Spulen bestehen und in Kombination mit sog. Cy-Kondensatoren (zwischen Leitung und Gehäuse-Masse) verwendet werden.
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Gleichtaktstörungen werden auch als asymmetrische Störungen bezeichnet und es sind diese Störungen, die durch die Erfindung unterdrückt werden sollen. Gleichtaktstörungen finden hierbei ihren weg über im System vorhandene parasitäre, meist kapazitive Wegstrecken (z. B. Wicklungskapazität des Motors zum Gehäuse oder Modul-/Bauteilkapazität zum Kühlkörper).
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Das Prinzip einer aktiven Störunterdrückung ist bereits bekannt. Beispielsweise wird es im Bereich der Nebengeräuschunterdrückung im Audiobereich in Flugzeugen eingesetzt. Auch im Bereich der Elektronik gibt es bereits Anwendungen. So werden beispielsweise Oberwellen bzw. Harmonische derart unterdrückt, dass ein um 180° phasenversetztes Signal eingekoppelt wird, um ein sich im Idealfall zu Null ergebendes Stör-Signal zu erhalten.
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Die bekannten Filtervorrichtungen sind noch nicht dafür geeignet, eine wirkungsvolle Unterdrückung von asymmetrischen elektromagnetischen Störungen bei kompaktem und leichtem Aufbau bereitzustellen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung der einleitend genannten Art derart zu konstruieren, daß die Störungsunterdrückung zuverlässig, wirkungsvoll und zugleich gerätetechnisch einfach erreicht wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß sich mindestens ein Ringbandkern um mindestens zwei Leitungen herum erstreckt und mindestens eine Wicklung aufweist, die mit einer Kompensationsschaltung zur Generierung eines Kompensationssignals verbunden ist, das zum Störsignal eine Phasenverschiebung von 180 Grad aufweist, wobei die Kompensationsschaltung mindestens einen aktiven Schaltungsteil sowie mindestens eine passive Filterkomponente aufweist.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann sowohl zur Unterdrückung von asymmetrischen elektromagnetischen Störungen auf Gleichstromleitungen, als auch auf Wechselstromleitungen verwendet werden.
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Anstelle einer oder mehrerer stromkompensierter Drosseln mit einer aufwendigen und schweren Kupferwicklung (Querschnitt bedingt durch Stromstärke) werden hochpermeable Ringbandkerne auf die Leitungen geschoben. Das ist besonders vorteilhaft, da die Wicklungen auf dem Kern bei einer konventionellen Ausführung zwei wesentliche weitere Nachteile haben, die nun nicht mehr auftreten: Temperaturentwicklung durch die Kupfereigenerwärmung und einen deutlich eingeschränkten Strombereich, da die unvermeidbare Streuinduktivität der SKD dazu führt, dass der Kern in Sättigung gerät, die Induktivität also nicht mehr vorhanden ist, genau so wenig wie eine Filterwirkung.
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Hochpermeable Ringbandkerne der vorgeschlagenen Art haben AL-Werte in der Größenordnung von ca. 50–100 uH. Um die Induktivität L = AL × N2 (N = 1) zu erhöhen ist es vorteilhaft, mehrere dieser Kerne in Reihe zu verwenden. Diese Kerne haben dann keine galvanische Verbindung zu der zu entstörenden Leitung.
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Die Ringbandkerne bestehen üblicherweise aus nano-kristallinem Werkstoff, z. B. einer Eisenlegierung der Art Fe73,5 Cu1 Nb3 Si15,5 B7.
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Eine weitere Steigerung der Störunterdrückung kann dadurch erreicht werden, dass die Induktivität mit Kondensatoren zusammengeschaltet wird, wobei die Kondensatoren für den Anwendungsfall der Gleichtaktunterdrückung zwischen Leitung und Gehäusemasse geschaltet werden.
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Zur Auskopplung des Störsignals erweist es sich als vorteilhaft, daß die Kompensationsschaltung an mindestens einen Kondensator für eine kapazitive Störgrößenauskopplung angeschlossen ist.
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Externe Versorgungsleitungen können dadurch vermieden werden, daß die Kompensationsschaltung über Versorgungsleitungen mit den Stromleitungen verbunden ist.
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Eine Einkopplung von Störsignalen kann dadurch vermieden werden, daß die Kompensationsschaltung über mindestens einen EMV-Filter mit den Stromleitungen verbunden ist, um eine Spannungsversorgung zu realisieren.
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Insbesondere erweist es sich als vorteilhaft, daß ein induktives Querelement galvanisch getrennt zu den Stromleitungen angeordnet ist.
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Eine galvanische Trennung in Bezug auf die Stromschienen wird dadurch erreicht, daß ein den Ringbandkern sowie die Kompensationsschaltung positionierendes Gehäuse relativ zu den Stromleitungen elektrisch isoliert angeordnet ist.
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Eine kompakte Konstruktion wird dadurch unterstützt, daß eine elektrische Isolierung des Gehäuses als Tragelement für passive Filterelemente verwendet ist.
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Eine leistungsfähige Signalverstärkung wird dadurch erreicht, daß eine Verstärkerschaltung der Kompensationsschaltung mindestens einen Operationsverstärker mit einem nachgeordneten Transistortreiber aufweist.
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Eine induktive Einkopplung wird über eine zusätzliche Windung auf dem Ringbandkern erreicht, der von der Störquelle aus gesehen der Kondensatoranordnung folgt. Zwischen der Kompensationswicklung und den Stromschienen (Sekundärwicklung) wird eine Kopplung von nahezu 1 realisiert.
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Eine exakte Erfassung des Störsignals wird dadurch unterstützt, daß die Kompensationsschaltung mit einer Kompensationseinkopplung verbunden ist, die in Richtung auf eine Störquelle mit den Stromleitungen verbunden ist.
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Eine Reduzierung von Resonanzeffekten kann dadurch erreicht werden, daß die passive Filterkomponente in Richtung auf die Störquelle mit den Stromleitungen verbunden ist und eine R-C-Schaltung parallel zu den Kondensatoren aufweist. Insbesondere ist an eine Ausführung als L-C II R-C Schaltung gedacht.
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Gemäß einer typischen Ausführungsform ist vorgesehen, daß die Stromleitungen einen Querschnitt für Stromstärken von mindestens 100 Ampere aufweisen. Die Stromleitungen können im Anschlußbereich starr oder flexibel ausgeführt werden.
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In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt. Es zeigen:
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1 ein Schaltbild zur Veranschaulichung der Verwendung von EMV-Filtern zur Vermeidung einer Ausbreitung von Gleichtaktströmen am Beispiel einer Motoransteuerung,
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2 ein Schaltbild zur Veranschaulichung des Grundpinzips einer aktiven Störkompensation durch ein Einprägen einer Kompensationsspannung,
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3 ein Schaltbild zur Veranschaulichung des Prinzips einer aktiven Störkompensation mit kapazitiver Störgrößenauskopplung und induktiver Kompensationseinkopplung,
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4 eine schematische Darstellung einer Verstärkerschaltung, bei der einem Operationsverstärker eine Transistorstufe nachgeschaltet ist,
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5 ein Schaltbild zur Veranschaulichung einer Filterung bei einer zweiadrigen Gleichstrom-Leitung mit linksseitigem Filtereingang und rechtsseitigem Filterausgang,
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6 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Auswirkung einer zusätzlichen aktiven Störgrößenkompensation für zwei verschiedene Bauteildimensionierungen und
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7 eine perspektivische Darstellung eines Gehäuses mit Ringbandkernen und Kompensationsschaltung.
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1 veranschaulicht die Versorgung eines dreiphasigen Motors aus einer Batterie bei Zwischenschaltung von steuerbaren Invertern. Zur Vermeidung einer Ausbreitung von Gleichtaktströmen ist sowohl zwischen dem Inverter und der Batterie als auch zwischen dem Inverter und dem Motor jeweils ein EMV-Filter angeordnet.
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2 veranschaulicht das Grundprinzip einer aktiven Kompensation von Störungen durch Einprägen einer Kompensationsspannung. Der Nachweis einer Störspannung erfolgt in der Regel an einer Netznachbildung (engl.: Line-Impedance-Stabilisation-Network).
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Gemäß der Ausführungsform in 3 erfolgt eine aktive Kompensation von Störgrößen durch eine kapazitive Störgrößenauskopplung sowie eine induktive Störgrößeneinkopplung.
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Eine Möglichkeit, eine erhöhte Dämpfung bei kleinem Volumen der erforderlichen Bauteile zu lösen, bietet ein Hochstromfilter mit zusätzlicher aktiver Komponente. Hierbei hat sich folgender Aufbau als besonders praktikabel herausgestellt:
Das (Gleichtakt-)Störsignal der Leitung wird gemäß 3 über Kondensatoren ausgekoppelt und einer Verstärkerschaltung (Operationsverstärker ausreichender Bandbreite mit nachgeordneter Transistorverstärkerschaltung) gemäß 4 zugeführt. Über eine zusätzliche Windung auf einem oder mehreren der verwendeten Ringbandkerne entsprechend 5 erfolgt dann eine Einkopplung eines kompensierenden Signals (180° Phasenverschiebung zu dem ursprünglichen Störsignal). Hierbei wird entweder ein invertierender Verstärker verwendet oder aber über den Wicklungssinn der kompensierenden Einspeisewicklung eine Phasendrehung des Störsignals erzeugt. Hierbei ist der Vorteil der vorgeschlagenen Lösung, dass sowohl die Messung als auch die Kompensation als Spannungssignal verarbeitet wird.
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Insgesamt ist der Filter an die Leitungsimpedanzen anzupassen. D. h. eine hochohmige Leitung korrespondiert mit einem C, eine niederohmige Leitungsimpedanz mit einem L des Filters als je letzte Stufe des Filters. In der Praxis konnten gute Ergebnisse mit einem Aufbau erzielt werden, der am Filtereingang/Geräteseite Kondensatoren und am Filterausgang/Leitungsseite Induktivitäten vorsieht. Gleichzeitig wird auch empfohlen, immer eine hybride (aktive + passive) Variante der Schaltung zu verwenden, da es unter bestimmten Bedingungen dazu kommen kann, dass die aktive Schaltung die Störung sogar geringfügig verstärkt, was allerdings durch eine passive Zusatzschaltung ausreichend gedämpft werden kann.
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Besonders einfach wird der Aufbau, wenn die Spannungsversorgung der aktiven Schaltung (in der Regel +/–15 VDC, +/–5 VDC) nicht aus dem Gerät erfolgt, das entstört werden soll, sondern direkt aus der Leitung, die entstört werden soll. Es sind also DC/DC-Wandler vorgesehen, die z. B. aus der zu entstörenden Leitungsspannung von 28 VDC oder einer anderen Betriebsspannung der Leitung die entsprechenden Kleinspannungen erzeugen.
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Das hat große Vorteile. So ist zum einen eine galvanische Verbindung zu anderen Schaltungsteilen nicht vorhanden (Sicherheitsforderung gerade bei Leitungen höherer Spannungsniveaus) und auch der EMV-Filterbereich ist frei von Querkopplungen (ungewollte Einkopplung in den eigentlich ”sauberen” Bereich). Gleichzeitig wird sichergestellt, dass der EMV-Filter funktioniert, solange die Leitung in Betrieb ist bzw. Spannung führt. Somit wird der Fehlerfall eines Kabelbruchs etc. vermieden.
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Zweckmäßigerweise wird die Spannungsversorgung über die gleiche Verbindung realisiert, über die auch die Störgrößenauskopplung geschieht. Zwischen diesem Punkt und dem DC/DC-Wandler ist ein EMV-Filter platziert, der einen zusätzlichen Störgrößeneintrag durch die Wandler, die im allgemeinen eine Störquelle darstellen, auf die zu filternde Leitung verhindert.
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Während also eine mindestens zweiadrige Verbindung zwischen der Platine mit aktiver Schaltung und der Hochstrom-Leitung besteht (Spannungsversorgung und Störgrößenauskopplung), besteht eine weitere zweiadrige Leitung zwischen aktiver Platine und Ringbandkern zur Einkopplung der 180°-phasenverschobenen Störgröße. Hierbei wird auf mindestens einem Kern eine Wicklung verwendet, die mindestens eine Windung hat. Es hat sich gezeigt, dass eine geringe Zahl von Windungen zu phasentreuerem Verlauf führt.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dieser Anordnung Cy-Kondensatoren zuzuordnen und insgesamt eine integrierte Baugruppe zu schaffen, die in einem einzigen Gehäuse untergebracht ist.
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Vorteilhafterweise lassen sich die Kondensatoren zwischen den Kupferschienen und der Gehäuseerde platzieren. Im Bereich des Austritts der Kupferschienen aus dem Gehäuse ist eine Isolierung vorzusehen. Hier ist ein Bereich aus Kunststoff vorgesehen.
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Besonders vorteilhaft kann dieser Kunststoffbereich aus Platinenmaterial (FR4) gefertigt werden. Das hat den Vorteil, dass die Rückseite mit Cy Kondensatoren bestückt werden kann. Die Montage der beiden zusätzlichen Platinen mit Cy-Kondensatoren wird eingespart, was zu einer weiteren Volumenreduktion führt. Die Kontaktierung der Platine wird über übliche Verbindungstechnologie (Löten, Schrauben etc.) hergestellt.
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Um ein Mindestmaß auch an Gegentaktreduktion vorzusehen, kann an dieser Stelle auch ein Cx-Kondensator vorgesehen werden. Anders als bei Cy-Kondensatoren ist hier der Ableitstrom kein Kriterium und es können relativ große Werte vorgesehen werden, z. B. in der Größenordnung 10–100 uF.
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Um Vibrations- und Schockanforderungen zu erfüllen, kann die gesamte Baugruppe aus- bzw. vergossen werden.
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In einer Ausführung der Erfindung werden drei Ringbandkerne des Typs VAC (Vaccumschmelze) W517 verwendet. Wobei ein dem Filtereingang zugewandter Kern mit einer zweifachen Wicklung versehen wird, die durch die aktive Kompensationsschaltung aus einen OP LM6171 sowie einer nachgeordneten Schaltung aus zwei PNP- und NPN-Transistoren MJD44H11 gespeist wird. Am Filtereingang sind dieser Schaltung Keramik-Kondensatoren von 100 nF vorgeschaltet, die zusätzlich über eine R-C-Schaltung bedämpft werden können, um Resonanzstellen zu entschärfen. Diese entstehen bei Filtern höherer Ordnung im Bereich der Knickstelle. Die Platinen sind in ein Metallblech verschraubt, das mit der Grundplatte des Gerätes niederinduktiv verbunden ist.
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6 veranschaulicht einen Vergleich zwischen den Auswirkungen einer passiven und einer aktiven Kompensation von Störgrößen. Es ist insbesondere zu erkennen, daß durch die aktive Kompensation zusätzliche Dämpfungen der Störungen bis zu 40 dB erreichbar sind.
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7 veranschaulicht perspektivisch einen gerätetechnischen Aufbau. Durch ein Gehäuse (1) hindurch erstrecken sich zwei Stromschienen (2), vorzugsweise Kupferschienen. Innerhalb des Gehäuses (1) sind die Stromschienen (2) von Ringbandkernen (3) umgeben. Das dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt die Verwendungen von vier Ringbandkernen (3). Vom Gehäuse (1) wird eine Kompensationsschaltung (4) gehaltert, die mit den Ringbandkernen (3) verbunden ist. Zusätzlich ist die Kompensationsschaltung (4) auch mit den Stromschienen (2) verbunden, um die erforderliche Betriebsenergie bereitzustellen und das Störsignal zu detektieren. Die Energieversorgung erfolgt somit direkt aus der zu filternden Leitung.
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Die Kompensationswicklung kann auf einem einzelnen Ringbandkern (3) angeordnet werden, es ist aber auch möglich, daß die Kompensationswicklung (8) an mehreren Ringbandkernen (3) vorgesehen ist. Die Kompensationswicklungen (8) können entweder durch einen Wicklungsdraht ausgebildet sein oder flächig realisiert werden. Hierdurch wird eine möglichst homogene Feldverteilung unterstützt.
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Hinsichtlich der Materialauswahl für das Gehäuse (1) ist es möglich, den Gehäuseboden und die seitlichen Längswandungen durch ein metallisches U-Profil bereitzustellen, das beispielsweise aus Aluminium besteht. Die von den Stromschienen (1) durchdrungenen Querseiten können aus Kunststoff hergestellt sein, um die erforderliche elektrische Isolierung bereitzustellen. Nach einer Montage der erforderlichen Bauelemente kann die Gesamtkonstruktion vergossen werden.
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8 veranschaulicht bei einer Blickrichtung von oben einen Aufbau des Gehäuses (1) mit metallischen Längsseiten (5) und Querseiten (6) aus Kunststoff. Die Längsseiten (5) können an ihren Enden abgewinkelt sein, um eine Montagefläche für die Querseiten (6) bereitzustellen. Zu erkennen sind in 8 auch die mit den Stromschienen (2) verbundenen Versorgungsleitungen (7) der Kompensationsschaltung (4) sowie die Kompensationswicklung (8).
