DE102012101045A1

DE102012101045A1 - Eingangsfiltereinrichtung

Info

Publication number: DE102012101045A1
Application number: DE201210101045
Authority: DE
Inventors: Gregor Kniegl
Original assignee: Transtechnik GmbH and Co KG
Current assignee: Transtechnik GmbH and Co KG
Priority date: 2012-02-09
Filing date: 2012-02-09
Publication date: 2013-08-14

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Eingangsfiltereinrichtung (1a bis 1d) zum Filtern von Transienten in einem Eingangsspannungsnetz, insbesondere in einem Bahnnetz. Die Eingangsfiltereinrichtung weist eine – serielle Induktivität (L1); – eine parallel zu einem Ausgang (A) der Eingangsfiltereinrichtung (E) geschaltete Kapazität (C1); – ein Schaltelement (S1), welches zwischen der Induktivität (L1) und der Kapazität (C1) angeordnet ist, zum Unterbrechen und Herstellen einer Verbindung zwischen einem Eingang (E) und dem Ausgang (A) der Eingangsfiltereinrichtung (1a–1d), und – eine Strom- und/oder Spannungsmesseinrichtung (42) zur Regelung der Taktung des Schaltelements (S1) auf. Die Eingangsfiltereinrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass wenigstens das Zwischenspeicherelement (C, Ca, Cb) vorgesehen ist, welches so ausgebildet und angeordnet ist, dass es im geöffneten Zustand des Schaltelements (S1) Energie der Induktivität L1 speichert und in einem geschlossenen Zustand des Schaltelements S1 gespeicherte Energie an den Ausgang (A) der Eingangsfiltereinrichtung (1a bis 1d) abgibt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Eingangsfiltereinrichtung zum Filtern von Transienten in einem Eingangsspannungsnetz, insbesondere in einem Bahnnetz, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Eingangsfiltereinrichtungen der hier angesprochenen Art sind grundsätzlich bekannt. Sie dienen zum Wegfiltern von energiereichen Spannungsspitzen, die der Eingangsspannung, beispielsweise in einem Bahnnetz oder dergleichen Eingangsspannungsnetz, überlagert sind. Eine oft benötigte Anforderung in der Leistungselektronik ist die Umsetzung einer schwankenden Eingangsspannung in eine galvanisch isolierte und konstante Gleichspannung. Üblicherweise sind die Spannungsgrenzen eines schwankenden Eingangsspannungsnetzes relativ groß. So können die Schwankungen in einem Eingangsspannungsnetz bis zu +/–30% in Bezug auf die nominale Eingangsspannung des Eingangsspannungsnetzes betragen. Derartige Schwankungen treten bei Versorgungsnetzen allgemeiner Art auf. Im Folgenden sei beispielhaft auf das Bahnnetz verwiesen, welches eine nominale Eingangsspannung von 750 Volt Gleichstrom aufweist. Die untere Dauerspannung des Bahnnetzes ist mit 500 V und die obere Dauerspannung mit 900 V spezifiziert. Energiereiche, unregelmäßig auftretende Spannungsspitzen, sogenannte Transienten, die der Eingangsspannung überlagert sind, können bis zu 3 kV Spannungshöhe erreichen.
Ziel von Eingangsfiltereinrichtungen der vorgenannten Art ist es, Transienten, welche der Eingangsfiltereinrichtung nachgeschaltete leistungselektronische Komponenten zerstören könnten, aus der Eingangsspannung herauszufiltern.
Hierzu ist aus dem Stand der Technik ein einstufiges System bekannt, welches eine einstufige Eingangsfiltereinrichtung zum Herausfiltern der Transienten aufweist, so dass ein nachgeschalteter galvanisch trennender Wandler nicht von den Transienten zerstört wird. Die 1 zeigt eine derartige bekannte einstufige Eingangsfiltereinrichtung 10. Die bekannte Eingangsfiltereinrichtung 10 ist einem galvanisch trennenden Wandler 11 vorgeschaltet, bei dem es sich üblicherweise um einen DC/DC-Wandler zur Erzeugung einer konstanten Ausgangsspannung U_aus handelt. Der Wandler 11 umfasst Leistungshalbleiterelemente, insbesondere IGBTs, die eine Spannungsfestigkeit von 1200 V aufweisen. Zwar ist es auch denkbar, einen Wandler mit 1700 V-Leistungshalbleitern vorzusehen, diese weisen jedoch wesentlich schlechtere Betriebseigenschaften als 1200 V-Leistungshalbleiter auf. Aufgrund der Spannungsbegrenzung der Leistungshalbleiter in dem Wandler 11, darf die Ausgangsspannung der Eingangsfiltereinrichtung 10 und somit die Eingangsspannung U_ein2 des Wandlers 11, 1000 V nicht übersteigen, um eine Beschädigung der Leistungshalbleiter in dem Wandler 11 zu vermeiden.
Die Eingangsfiltereinrichtung 10 umfasst einen LC-Filter mit einer Induktivität L11 und einer Kapazität C11. Weiterhin ist eine Verpolschutzdiode D11 der Induktivität L11 vorgeschaltet. Typischerweise liegt die Filtergrenzfrequenz dieses LC-Filters bei einem Einsatz der Eingangsfiltereinrichtung 10 am Bahnnetz im Bereich von 30 ... 70 ... 120 Hz. Dies setzt jedoch voraus, dass der nachgeschaltete Wandler eine Dauersperrfähigkeit in Höhe von etwa 2 kV aufweist. Bei der Induktivität L11 handelt es sich üblicherweise um eine sättigungsfreie Luftspule. Die Induktivität L11 wird von einer Überspannungsbegrenzungseinrichtung 12 überbrückt, die insbesondere eine Thyristor-Schaltung aufweist. Falls die Eingangsspannung U_ein der Eingangsfiltereinrichtung 10 einen bestimmten Spannungswert bzw. der Strom in der Induktivität L11 einen bestimmten Stromwert übersteigt, zündet der Thyristor in der Überspannungsbegrenzungseinrichtung 12, so dass die Induktivität L11 über die Überspannungsbegrenzungseinrichtung 12 entladen wird.
Die in 1 gezeigte, aus dem Stand der Technik bekannte, Eingangsfiltereinrichtung 10 ist mit einigen Nachteilen verbunden. So neigt das passive LC-Filter, bestehend aus der Induktivität L11 und der Kapazität C11 zu einem unerwünschten Überschwingverhalten, das durch den relativen großen Stromanstieg in der Induktivität L11 durch Transienten bewirkt wird. Weiterhin benötigt die Schaltung relativ große Filterkomponenten L11 und C11 und verursacht einen relativ hohen Filterladestrom bzw. Stoßstrom. Durch die begrenzte Spannungsfestigkeit der Halbleiter in dem Wandler 11 ist die dauerhafte Eingangsspannung der Eingangsfiltereinrichtung 10 auf maximal 1000 V begrenzt. Weiterhin führen Sprünge in der Eingangsspannung häufig zum Abschalten des Wandlers 11, weil die Überspannungsbegrenzung lediglich auf einen dynamischen Spannungspunkt klemmen kann.
Eine weitere aus dem Stand der Technik bekannte Eingangsfiltereinrichtung 20 ist in der 2 gezeigt. Die Ausführungsform einer Eingangsfiltereinrichtung 20 gemäß 2 soll die Nachteile der einstufigen Eingangsfiltereinrichtung 10 gemäß 1 überwinden, indem zusätzlich zu dem Transientenfilter, bestehend aus L11 und C11 eine Vorreglerstufe vorgesehen ist, die als Abwärtswandler (Buck-Converter) ausgebildet ist. Der Transientenfilter der Eingangsfiltereinrichtung 20 weist eine Induktivität L21 und eine Kapazität C21 auf, wobei die Induktivität L21 wiederum von einer Überspannungsbegrenzungseinrichtung 22 überbrückt wird. Die Vorreglerstufe umfasst gemäß einer bekannten Ausführungsform eines Abwärtswandlers einen Schalter S21, eine Diode D22 sowie eine Induktivität L22 und eine Kapazität C22. Nach dem bekannten Prinzip eines Abwärtswandlers wird somit die Eingangsspannung U_ein2, welche die Ausgangsspannung des Transientenfilters bildet, auf einen Spannungswert heruntergesetzt, der 1000 V nicht übersteigt. Die Eingangsspannung des Wandlers 21 U_vor kann somit auf einen Spannungswert herabgesetzt werden, der unschädlich für die Leistungshalbleiter des Wandlers 21 ist. Auf diese Weise ist es möglich, höhere Eingangsspannungen U_ein durch die Eingangsfiltereinrichtung 20 zu verarbeiten, ohne dass der Wandler 21 beschädigt wird. Bei der Diode D21 handelt es sich wiederum um eine Verpolschutzdiode, die Schäden durch eine falsche Polung eines an die Eingangsfiltereinrichtung 20 angeschlossenen Netzes vermeidet. Die Verpolschutzdiode verhindert darüber hinaus das Entladen des Kondensators C22 während einer Trennstelle in der Eingangsleitung des Versorgungsnetzes, so dass der nachgeschaltete DC/DC-Wandler möglichst lange seinen Betrieb aufrecht erhalten kann. Allerdings weist auch das Schaltelement S21 eine Spannungsbegrenzung auf, die üblicherweise 1700 V beträgt. Somit darf die Spannung U_ein2 am Ausgang des Transientenfilters einen Wert von ungefähr 1500 V nicht übersteigen, um das Schaltelement S21 nicht zu beschädigen. Hierzu müsste jedoch die Filtergrenzfrequenz des LC-Filters abgesenkt werden. In der Praxis wird deshalb, insbesondere aufgrund der besseren Schalteigenschaften, ein Vorregler mit zwei seriell geschalteten Leistungshalbleitern S31 und S32 realisiert Dadurch ergibt sich eine Sperrfähigkeit in Höhe von ca. 2000 V, so dass die Filtergrenzfrequenz des LC-Filters bei 70 Hz verbleiben kann. Eine derartige Eingangsfiltereinrichtung 30 ist in 3 gezeigt. Nachteilig an den in 2 und 3 gezeigten Eingangsfiltereinrichtungen 20 und 30 gemäß dem Stand der Technik ist die relativ hohe Anzahl von Leistungskomponenten, ein relativ großes Transientenfilter mit Aufladestromstoß sowie eine zusätzliche Einheit zur Beherrschung von Filterüberschwingern.
Zur Ausräumung der vorgenannten Nachteile der bekannten Eingangsfiltereinrichtungen 10, 20 und 30 wurde eine Eingangsfiltereinrichtung 40 entwickelt, die in 4 gezeigt ist. Der der Eingangsfiltereinrichtung 40 üblicherweise nachgeschaltete galvanisch trennende Wandler ist in der 4 nicht gezeigt. Die Eingangsfiltereinrichtung 40 umfasst eine Induktivität L40 sowie eine Kapazität C40. Zwischen der Induktivität L40 und der parallel zum Ausgang geschalteten Kapazität C40 ist ein Schaltelement S40 angeordnet, welches die Verbindung zwischen dem Eingang E und dem Ausgang A der Eingangsfiltereinrichtung 40 unterbrechen oder eine solche herstellen kann. Das Schaltelement S40 wird von einem Widerstandselement 41 überbrückt, über welches die Energie der Induktivität L40 im geöffneten Zustand des Schaltelements S40 entladen werden kann. Die Taktung, d.h. das Öffnen und Schließen des Schaltelements S40 wird mit Hilfe einer Spannungs- und/oder Strommesseinrichtung 42 bewerkstelligt, die vorteilhafterweise den Stromfluss zwischen der Induktivität L40 und dem Schaltelement S40 und die Ausgangsspannung an der Kapazität C40 messen kann. Die Spannungs- und/oder Strommesseinrichtung 42 wirkt mit einer in der 4 nicht gezeigten Steuerungseinheit zusammen, die auf der Grundlage der gemessenen Strom- und/oder Spannungswerte ein Öffnen oder Schließen des Schaltelements S40 bewirkt. Die Regelung der Ausgangsspannung U_aus der Eingangsfiltereinrichtung 40 erfolgt durch ein Öffnen des Schaltelements S40, falls der gemessene Strom und/oder die gemessene Spannung bestimmte Grenzwerte übersteigen. Das Schaltelement S40 wird daraufhin geöffnet und die Energie der Induktivität L40 über das Widerstandselement 41 abgeführt.
Nachteilig an dieser bekannten Eingangsfiltereinrichtung 40 ist es, dass das Schaltelement S40 aufgrund der großen Stromstärken beim Auftreten von Transienten jeweils nur sehr kurz, insbesondere maximal 100 ms, geöffnet sein kann. Jedoch ist es durch die Anordnung des Schaltelements S40 möglich, eine Induktivität mit einem magnetischen Kern, also insbesondere eine eisenbehaftete Induktivität zu verwenden, deren Gewicht wesentlich kleiner ist als das Gewicht einer Luftspule, die üblicherweise bei Eingangsfiltereinrichtungen eingesetzt wird. Somit kann auch das Gehäuse der Induktivität L40 kleiner gewählt werden, so dass die Eingangsfiltereinrichtung 40 insgesamt kompakter baut. Je nach Ausführungsform der Eingangsfiltereinrichtung 40 kann der Strom oder die Spannung als Entscheidungskriterium für das Schaltelement S40 (Öffnen oder Schließen) dienen. Die Überspannungsbegrenzungseinrichtung 12, 22 und 32 der vorbekannten Eingangsfiltereinrichtungen 10, 20, 30 kann im Übrigen durch das Schaltelement S40 entfallen.
Nachteilig an der bekannten Lösung gemäß 4 ist es, dass eine große Menge an Verlustleistung im Widerstandselement 41 abfällt, wenn das Schaltelement S40 geöffnet ist. Weiterhin ist das Schaltelement S40 einer hohen Belastung durch die Energie der Induktivität L40 ausgesetzt, was es zu vermeiden gilt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Eingangsfiltereinrichtung zu schaffen, welche die Aufnahme einer hohen Verlustleistung und dadurch eine hohe Belastung des Schaltelements S40 vermeidet.
Die oben genannte Aufgabe wird durch eine Eingangsfiltereinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Eingangsfiltereinrichtung weist eine serielle Induktivität, eine parallel zu einem Ausgang der Eingangsfiltereinrichtung geschaltete Kapazität, ein Schaltelement, welches zwischen der Induktivität und der Kapazität angeordnet ist, zum Unterbrechen und Herstellen einer Verbindung zwischen dem Eingang und dem Ausgang der Eingangsfiltereinrichtung, sowie ein Strom- und/oder Spannungsmesseinrichtung zur Regelung der Taktung des Schaltelements auf. Die Eingangsfiltereinrichtung gemäß der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass wenigstens ein Zwischenspeicherelement vorgesehen ist, welches so ausgebildet und angeordnet ist, dass es im geöffneten Zustand des Schaltelements Energie der Induktivität speichert und in einem geschlossenen Zustand des Schaltelements die gespeicherte Energie an den Ausgang der Eingangsfiltereinrichtung abgibt.
Ein wesentlicher Punkt der Erfindung liegt also darin, dass Schaltverluste des Schaltelements wesentlich reduziert werden. Darüber hinaus wird die Verlustleistung der Eingangsfiltereinrichtung wesentlich reduziert, weil die Energie der Induktivität nicht in einem Widerstandselement, insbesondere als Wärme, umgesetzt wird, sondern in dem Zwischenspeicherelement so lange zwischengespeichert wird, wie das Schaltelement geöffnet ist. Erst nach Schließen des Schaltelements wird die in dem Zwischenspeicherelement gespeicherte Energie der Induktivität an den Ausgang abgegeben. Auf diese Weise ist es darüber hinaus möglich, das Schaltelement so lange geöffnet zu lassen, bis die gewünschte reduzierte Ausgangsspannung erreicht ist. Eine zeitliche Begrenzung der Taktung des Schaltelements kann auf diese Weise vermieden werden.
Besonders bevorzugt wird eine Eingangsfiltereinrichtung, bei der das wenigstens eine Zwischenelement auf der Eingangsseite des Schaltelements vorgesehen und diesem vorgeschaltet ist. Das Zwischenspeicherelement ist vorzugsweise eine Kapazität. Ferner wird ein Zwischenspeicherelement bevorzugt, welches zwischen der Induktivität und dem Schaltelement parallel zum Eingang bzw. zum Ausgang der Eingangsfiltereinrichtung geschaltet ist. Das Zwischenspeicherelement dient vorzugsweise zum Speichern der Energie der Induktivität. Weiterhin kann ein zusätzliches Zuleitungsspeicherelement vorgesehen sein, welches so ausgebildet und angeordnet ist, dass es im geöffneten Zustand des Schaltelements Energie einer eingangsseitigen Zuleitungsinduktivität speichert und die gespeicherte Energie im geschlossenen Zustand des Schaltelements an den Ausgang der Eingangsfiltereinrichtung abgibt. Das Schaltelement kann vorzugsweise als Transistor, insbesondere als IGBT oder neuartiger Feldeffekttransistor ausgebildet sein. Es versteht sich, dass auch andere geeignete Schaltelemente verwendet werden können. Das Schaltelement weist vorzugsweise eine Spannungsfestigkeit von 1700 V auf. Damit beim Schließen des Schaltelements eine ausgangsseitige übermäßige Strombelastung vermieden ist, ist vorzugsweise eine Strombegrenzungsinduktivität zum Begrenzen eines Stromflusses beim Schließen des Schaltelements und beim nachfolgenden Entladen des Zwischenspeicherelements vorgesehen. Die Strombegrenzungsinduktivität ist vorzugsweise über eine Diode mit dem wenigstens einen Zwischenspeicherelement verbunden. Das wenigstens eine Zwischenspeicherelement bildet vorzugsweise zusammen mit einer Diode eine Zwischenspeichereinheit. Über die Zwischenspeichereinheit ist es möglich, eine in dem Zwischenspeicherelement gespeicherte Energie über die Induktivität bei geöffnetem Schalter zum Ausgang der Eingangsfiltereinrichtung zu führen. Das Zwischenspeicherelement kann sich dabei entweder über die Induktivität des LC-Filters und/oder über die Strombegrenzungsinduktivität entladen. Entsprechend kann das Zuleitungsspeicherelement zum Speichern der Energie der Zuleitungsinduktivität über die Induktivität und/oder über die Strombegrenzungsinduktivität entladen werden.
Weiterhin kann der Induktivität eine Verpolschutzdiode vorgeschaltet sein, welche die Eingangsfiltereinrichtung vor einem fehlerhaften Anschluss an ein Eingangsspannungsnetz, insbesondere an ein Bahnnetz, schützt. Das Schaltelement kann von einem Widerstand, insbesondere von einem spannungsabhängigen Widerstand, vorzugsweise von einem Varistor, überbrückt werden. Es versteht sich, dass noch andere geeignete Elemente vorgesehen sein können, welche das Schaltelement überbrücken.
Vorzugsweise ist eine Strom- und/oder Spannungsregelung vorgesehen, die dazu dient, das Schaltelement in seiner Öffnungs- und Schließfunktion anzusteuern, so dass eine gewünschte Ausgangsspannung erzeugt wird. Dabei kann sowohl ein zwischen der Induktivität und dem Schaltelement fließender Strom sowie eine Eingangs- und eine Ausgangsspannung als Regelgrößen herangezogen werden. Die Strom- und/oder Spannungsmesseinrichtung wirkt mit einer Steuerungseinheit zusammen, die wiederum das Schaltelement so ansteuert, dass es in Abhängigkeit von den gemessenen Strom- und/oder Spannungswerten geöffnet oder geschlossen ist. Vorzugsweise ist bei einer derartigen Regelung eine Pulsbreitenmodulation vorgesehen, die jeweils die Dauer eines geöffneten und eines geschlossenen Zustandes des Schaltelements festlegt.
Aufgrund der Ausbildung der Eingangsfiltereinrichtung mit dem Schaltelement kann die Induktivität einen magnetischen Kern aufweisen und folglich sättigend ausgebildet sein. Das Gewicht der Induktivität reduziert sich dadurch wesentlich gegenüber einer Luftspule.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine erste Eingangsfiltereinrichtung nach dem Stand der Technik;
2 eine zweite Eingangsfiltereinrichtung nach dem Stand der Technik;
3 eine dritte Eingangsfiltereinrichtung nach dem Stand der Technik;
4 eine vierte Eingangsfiltereinrichtung nach dem Stand der Technik;
5 ein Schaltbild einer Eingangsfiltereinrichtung nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
6 ein Schaltbild einer Eingangsfiltereinrichtung nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
7 ein Schaltbild einer Eingangsfiltereinrichtung nach einer dritten Ausführungsform der Erfindung, und
8 ein Schaltbild einer Eingangsfiltereinrichtung nach einer vierten Ausführungsform der Erfindung.
5 zeigt ein Schaltbild einer Eingangsfiltereinrichtung 1 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Die der Eingangsfiltereinrichtung 1 nachgeschaltete Wandlereinheit (siehe 1 bis 3) ist in der 5 nicht dargestellt. Die Eingangsfiltereinrichtung 1 umfasst eine Induktivität L1 und eine Kapazität C1, die zusammen ein LC-Filter bilden. Zwischen der Serieninduktivität L1 und der parallelen Kapazität C1 ist ein Schaltelement S1 angeordnet, welches in der 5 in geöffnetem Zustand dargestellt ist.
Die Eingangsfiltereinrichtung 1 umfasst ein Zwischenspeicherelement C, welches zwischen der Induktivität L1 und dem Schaltelement S1 so angeordnet ist, dass es parallel zu der Kapazität C1 angeordnet ist. Das Zwischenspeicherelement C bildet zusammen mit der Diode D2 eine Zwischenspeichereinheit, die einerseits eine Speicherung der Energie der Induktivität L1 in dem Zwischenspeicherelement C ermöglicht, wenn das Schaltelement S1 geöffnet wird, und die andererseits die Rückführung der in dem Zwischenspeicherelement C gespeicherten Energie über die Diode D2 und weiter über die Induktivität L1 ermöglicht, wenn das Schaltelement S1 geschlossen wird. In Serie zu dem Zwischenspeicherelement C ist eine weitere Induktivität L geschaltet, die als Strombegrenzungsinduktivität fungiert. Diese Strombegrenzungsinduktivität L ist wiederum mit einer Diode D3 in Serie geschaltet. Das Zwischenspeicherelement C, die Diode D3 und die Induktivität L sind folglich in Serie geschaltet und parallel zu der Kapazität C1 angeordnet. Der Induktivität L1 ist vorzugsweise eine Verpolschutzdiode D1 vorgeschaltet, die gewährleistet, dass bei einer fehlerhaften Polung des Eingangsspannungsnetzes die Eingangsfiltereinrichtung 1 nicht zu Schaden kommt.
Die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Eingangsfiltereinrichtung 1 wird im Folgenden beschrieben: Sofern eine Spannungs- und/oder Strommesseinrichtung (siehe 4, Bezugszeichen 42), die in 5 aus Gründen der Einfachheit nicht dargestellt ist, einen unerwünscht hohen Strom und/oder eine unerwünscht hohe Eingangsspannung detektiert, bewirkt eine ebenfalls nicht gezeigte Steuereinheit das Öffnen das Schalters S1. Besonders bevorzugt erfolgt ein Öffnen des Schaltelements S1 erst dann, wenn die Eingangsspannung U_ein einen Wert von 950 V übersteigt. Da, wie eingangs erläutert wurde, der nachfolgende Wandler Leistungshalbleiter umfasst, die bis zu 1200 V ausgelegt sind, sollte die Spannung von 950 V nicht überschritten werden. Als Kriterium, ob das Schaltelement S1 geöffnet werden soll, kann folglich die Eingangsspannung, die Ausgangsspannung oder ein Stromfluss am Ausgang der Induktivität L1 herangezogen werden, oder eine Kombination dieser Werte. Sobald das Schaltelement S1 geöffnet ist (siehe 5), entlädt sich die Induktivität L1 über das Zwischenspeicherelement C. Folglich wird die Energie der Induktivität L1 in der Kapazität bzw. dem Zwischenspeicherelement C gespeichert. Wenn sich die Eingangsspannung, die Ausgangsspannung und/oder der ausgangsseitige Stromfluss der Induktivität L1 wieder in den Grenzbereichen befinden, wird der Schalter S1 geschlossen. Daraufhin entlädt sich das Zwischenspeicherelement C über die Diode D2 und die Induktivität L1 in Richtung des Pfeils 2 zum Ausgang A der Eingangsfiltereinrichtung 1. Die Induktivität L1 fungiert in diesem Fall vorteilhafterweise als Strombegrenzungseinrichtung.
6 zeigt ein Schaltbild einer Eingangsfiltereinrichtung 1' gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Auch die Eingangsfiltereinrichtung 1' weist eine Induktivität L1, eine Kapazität C1 und ein dazwischengeschaltetes Schaltelement S1 auf, welche eine Verbindung vom Eingang der Eingangsfiltereinrichtung 1' zum Ausgang derselben unterbrechen kann. Auch in der 6 ist eine entsprechende Spannungs- und/oder Strommesseinrichtung, wie in 4 gezeigt, zur Vereinfachung nicht dargestellt. Auch etwaige über dem Schaltelement S1 vorgesehene Überbrückungsmittel, wie beispielsweise ein Widerstandselement oder dergleichen, ist in der 6 nicht dargestellt. Die Eingangsfiltereinrichtung 1' nach 6 berücksichtigt zusätzlich zu der Energie der Induktivität L1 eine Energie, die aus einer Zuleitungsinduktivität L_Zuleitung des angeschlossenen Eingangsspannungsnetzwerkes resultiert. Sobald das Schaltelement S1 auf der Grundlage des oben erläuterten Regelungsprozesses geöffnet wird, wird die Energie der Induktivität L1 in dem Zwischenspeicherelement C gespeichert. Zusätzlich erfolgt ein Energiefluss aus der Zuleitungsinduktivität L_Zuleitung, die sich über die Induktivität L1, das Zwischenspeicherelement C und über die Diode D2 in die Kapazität C1 hinein entlädt. Vorzugsweise ist bei dieser Ausführungsform das Zwischenspeicherelement C kleiner ausgebildet als die Kapazität C1.
Bei einem Schließen des Schaltelements S1 entlädt sich das Zwischenspeicherelement C über die Diode D2, die Kapazität C1, die Strombegrenzungsinduktivität L und die Diode D3. Bei dieser Ausführungsform ist die Diode D2, welche zusammen mit dem Zwischenspeicherelement C eine Zwischenspeichereinheit bildet, nicht mit der Induktivität L1 verbunden, sondern mit der Kapazität C1.
7 zeigt ein Schaltbild einer dritten Ausführungsform der Eingangsfiltereinrichtung gemäß der Erfindung. Wiederum umfasst die Eingangsfiltereinrichtung 1'' eine Induktivität L1, ein Schaltelement S1 und eine Kapazität C1. Die dritte Ausführungsform der Erfindung stellt eine Kombination der ersten und der zweiten Ausführungsform dar. Somit sind zwei Zwischenspeicherelemente Ca und Cb vorgesehen, sowie zwei Dioden D4 und D2. Dementsprechend bildet das Zwischenspeicherelement Ca mit der Diode D4 eine Zwischenspeichereinheit, während das Zwischenspeicherelement Cb mit der Diode D2 eine zweite Zwischenspeichereinheit bildet.
Wenn das Schaltelement S1 geöffnet wird, erfolgt eine Entladung der Induktivität L1 über das Zwischenspeicherelement Ca, so dass das Zwischenspeicherelement Ca aufgeladen wird. Die Zuleitungsinduktivität entlädt sich darüber hinaus in ein Zuleitungsspeicherelement Cb, so dass dieses Zuleitungsspeicherelement Cb aufgeladen wird. Bei den Zwischenspeicherelementen Ca und Cb handelt es sich vorzugsweise um Kapazitäten.
Wenn das Schaltelement S1 geschlossen wird, entlädt sich das Zwischenspeicherelement Ca in Richtung des Pfeils 2 über die Diode D4 und die Induktivität L1 und das geschlossene Schaltelement S1 zur Ausgangsseite der Eingangsfiltereinrichtung 1''. Das Zuleitungsspeicherelement Cb hingegen entlädt sich über die Diode D2, die Kapazität C1 und die Strombegrenzungsinduktivität L in Richtung des Pfeils 3. Die Strombegrenzungsinduktivität L vermeidet, dass beim Entladen des Zuleitungsspeicherelements Cb ein zu großer Strom zur Ausgangsseite der Eingangsfiltereinrichtung 1'' geleitet wird. Vorzugsweise ist bei dieser Ausführungsform das Zuleitungsspeicherelement Cb wesentlich kleiner ausgebildet als das Zwischenspeicherelement Ca, welches seinerseits vorzugsweise kleiner ausgebildet ist als die Kapazität C1. Die getrennte Ausgestaltung des Zwischenspeicherelements Ca und des Zuleitungsspeicherelements Cb ermöglicht in vorteilhafter Weise eine getrennte Einstellung der beiden Speicherelemente.
8 zeigt ein Schaltbild einer vierten Ausführungsform einer Eingangsfiltereinrichtung 1'''. Die Eingangsfiltereinrichtung 1''' umfasst wiederum eine Induktivität L1, ein Schaltelement S1 und eine Kapazität C1. Im Gegensatz zu der zweiten und dritten Ausführungsform der Erfindung entfällt bei dieser Ausführungsform eine unmittelbare Verbindung durch die Diode D2 zwischen der Eingangs- und Ausgangsseite der Eingangsfiltereinrichtung 1'''.
Die Eingangsfiltereinrichtung 1''' umfasst wiederum zwei getrennte Zwischenspeicherelemente Ca und Cb, wobei insbesondere das zweite Zwischenspeicherelement Cb als Zuleitungsspeicherelement zum Speichern einer Energie der Zuleitungsinduktivität L_Zuleitung dient. Beim Öffnen des Schaltelements S1 entlädt sich die Induktivität L1 in das Zwischenspeicherelement Ca. Weiterhin entlädt sich die Zuleitungsinduktivität L_Zuleitung in das Zwischenspeicherelement Cb. Sobald das Schaltelement S1 geschlossen wird, entlädt sich das Zwischenspeicherelement Ca über die Diode D2, die Diode D4 und die Induktivität L1 in den Ausgang der Eingangsfiltereinrichtung 1''' in Richtung des Pfeils 2. Das als Zuleitungsspeicherelement ausgebildete Zwischenspeicherelement Cb entlädt sich hingegen über die Strombegrenzungsinduktivität L, die Diode D3, die Diode D2, die Diode D4 und schließlich über die Induktivität L1 ebenfalls in den Ausgang der Eingangsfiltereinrichtung 1'''. Die Ausführungsform nach 8 ist besonders vorteilhaft, weil hier wie gesagt keine unmittelbare Verbindung zwischen der Eingangsseite und der Ausgangsseite der Eingangsfiltereinrichtung besteht.
Insgesamt zeigt sich somit, dass die vorliegende Erfindung in vorteilhafter Weise einen Transientenfilter bereitstellt, der die Energien der Induktivität L1 und insbesondere auch der Zuleitungsinduktivität L_Zuleitung bei geöffnetem Schaltelement S1 nicht als Verlustleistung abführt, sondern vielmehr die Energie in einem oder mehreren Zwischenspeicherelementen zwischenspeichert. Auf diese Weise sind die Öffnungs- und Schließzeiten des Schaltelements S1 zeitlich nicht begrenzt, sondern die Taktung des Schaltelements S1 kann so erfolgen, dass eine gewünschte Ausgangsspannung sicher gewährleistet ist. Wie gesagt ist es vorteilhaft, wenn eine Taktung des Schaltelements S1 erst dann beginnt, wenn die Eingangsspannung U_ein 950 V übersteigt, so dass ein an die Eingangsfiltereinrichtung angeschlossener Wandler durch eine übermäßige Spannung nicht beschädigt werden kann. Bei Spannungen unter 950 V bleibt das Schaltelement S1 vorzugsweise geschlossen und es wirken folglich lediglich die Induktivität L1 und die Kapazität C1 als Transientenfilter zusammen. Besonders vorteilhaft ist die vorliegende Erfindung aufgrund ihrer Zwischenspeicherung der Energien der Induktivitäten bei einem Öffnungstakt des Schaltelements einerseits und andererseits die verlustlose Weiterleitung dieser Energien im nachfolgenden Schließtakt des Schließelements S1.
Bezugszeichenliste

10, 20, 30, 40: Eingangsfiltereinrichtung
11, 21, 31: Wandler
12, 22, 32: Überspannungsbegrenzungseinrichtung
41: Widerstandselement
42: Spannungs- und/oder Strommesseinrichtung
1, 1', 1'', 1''': Eingangsfiltereinrichtung
L11, L21, L31, L41: Induktivität
C11,: C21, C31, C41 Kapazität
L1: Induktivität
L_Zuleitung: Zuleitungsinduktivität
L: Strombegrenzungsinduktivität
D11, D21, D31, D1: Verpolschutzdiode
D2 bis D4: Dioden
C, Ca, Cb: Zwischenspeicherelement
A: Ausgang
E: Eingang
S1, S21, S31: Schaltelement
S32, S40: Schaltelement
2: Pfeil
3: Pfeil
4: Pfeil
U_ein: Eingangsspannung
U_ein2: Eingangsspannungswandler
U_aus: Ausgangsspannung

Claims

Eingangsfiltereinrichtung (1a–1d) zum Filtern von Transienten in einem Eingangsspannungsnetz, insbesondere in einem Bahnnetz, aufweisend eine – serielle Induktivität (L1); – eine parallel zu einem Ausgang (A) der Eingangsfiltereinrichtung (E) geschaltete Kapazität (C1); – ein Schaltelement (S1), welches zwischen der Induktivität (L1) und der Kapazität (C1) angeordnet ist, zum Unterbrechen und Herstellen einer Verbindung zwischen einem Eingang (E) und dem Ausgang (A) der Eingangsfiltereinrichtung (1a–1d), und – eine Strom- und/oder Spannungsmesseinrichtung (42) zur Regelung der Taktung des Schaltelements (S1), dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Zwischenspeicherelement (C, Ca, Cb) vorgesehen ist, welches so ausgebildet und angeordnet ist, dass es im geöffneten Zustand des Schaltelements (S1) Energie der Induktivität (L1) speichert und in einem geschlossenen Zustand des Schaltelements (S1) die gespeicherte Energie an den Ausgang (A) der Eingangsfiltereinrichtung (1a–1d) abgibt.
Eingangsfiltereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Zwischenspeicherelement (C, Ca, Cb) auf der Eingangseite des Schaltelements (S1) vorgesehen und diesem vorgeschaltet ist.
Eingangsfiltereinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Zwischenspeicherelement (C, Ca, Cb) eine Kapazität ist.
Eingangsfiltereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Zwischenspeicherelement (C, Ca, Cb) zwischen der Induktivität (L1) und dem Schaltelement (S1) parallel zum Eingang (E) der Eingangsfiltereinrichtung (1a–1d) geschaltet ist.
Eingangsfiltereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Zwischenspeicherelement (C, Ca, Cb) zum Speichern der Energie der Induktivität (L1) ausgebildet ist.
Eingangsfiltereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Zuleitungsspeicherelement (Cb) vorgesehen ist, welches so ausgebildet und angeordnet ist, dass es im geöffneten Zustand des Schaltelements (S1) Energie einer eingangsseitigen Zuleitungsinduktivität (L_Zuleitung) speichert und die gespeicherte Energie im geschlossenen Zustand des Schaltelements (S1) an den Ausgang (A) der Eingangsfiltereinrichtung (1a–1d) abgibt.
Eingangsfiltereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (S1) als Transistor, insbesondere als Feldeffekttransistor, ausgebildet ist.
Eingangsfiltereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Strombegrenzungsinduktivität (L) zum Begrenzen eines Stromflusses beim Schließen des Schaltelements (S1) und Entladen des Zwischenspeicherelements (C, Ca, Cb) vorgesehen ist.
Eingangsfiltereinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Strombegrenzungsinduktivität (L) über eine Diode mit dem wenigstens einen Zwischenspeicherelement (C, Ca, Cb) verbunden ist.
Eingangsfiltereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Zwischenspeicherelement (C, Ca, Cb) zusammen mit einer Diode (D2, D4) eine Zwischenspeichereinheit bildet.
Eingangsfiltereinrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass sich das wenigstens eine Zwischenspeicherelement (C, Ca, Cb) über die Induktivität (L1) und/oder die Strombegrenzungsinduktivität (L) entlädt.
Eingangsfiltereinrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass sich das wenigstens eine Zuleitungsspeicherelement (Cb) über die Induktivität (L1) und/oder die Strombegrenzungsinduktivität (L) entlädt.
Eingangsfiltereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Induktivität (L1) eine Verpolschutzdiode (D1) vorgeschaltet ist.
Eingangsfiltereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (S1) eine Spannungsfestigkeit von 1700 V aufweist.
Eingangsfiltereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltelement (S1) von einem Widerstand (41), insbesondere von einem spannungsabhängigen Widerstand, vorzugsweise von einem Varistor, überbrückt wird.
Eingangsfiltereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Strom- und/oder Spannungsregelung das Schaltelement (S1) so taktet, dass die Ausgangsspannung der Eingangsfiltereinrichtung (1a–1d) auf 950 V begrenzt wird.
Eingangsfiltereinrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Strom- und/oder Spannungsregelung eine Pulsbreitenmodulation umfasst.
Eingangsfiltereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Induktivität (L1) einen magnetischen Kern aufweist.