DE102015112020A1

DE102015112020A1 - Filterschaltung für Neutralleiterstromkompensation in Energienetzen

Info

Publication number: DE102015112020A1
Application number: DE102015112020.8A
Authority: DE
Inventors: Robert Reckmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2015-07-23
Filing date: 2015-07-23
Publication date: 2017-01-26

Abstract

Schaltung zum Anschluss an einen Phasenleiter und einen Neutralleiter eines für Energienetzes, umfassend einen ersten Leitungsstrang, der eingangsseitig über ein erstes Diodenelement mit dem Phasenleiter verbindbar ist, einen zweiten Leitungsstrang, der eingangsseitig über ein zweites Diodenelement mit dem Phasenleiter verbindbar ist, wobei die beiden Diodenelemente mit Bezug zum Phasenleiter entgegengesetzt zueinander orientiert sind, wobei zwischen dem ersten Leitungsstrang und dem Neutralleiter des Niederspannungsnetzes ein erstes Spulenelement angeordnet ist und zwischen dem zweiten Leitungsstrang und dem Neutralleiter ein zweites Spulenelement angeordnet ist, wobei die beiden Spulenelemente induktiv miteinander gekoppelt sind, und wobei zwischen dem ersten Leitungsstrang und dem Neutralleiter ein erstes Kondensatorelement angeordnet ist und zwischen dem zweiten Leitungsstrang und dem Neutralleiter ein zweites Kondensatorelement) angeordnet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Filterschaltung für elektrische Energienetze. Derartige Schaltungen werden z.B. im Stromnetz des Endverbrauchers zwischen dem Energiezähler des Energieversorgungsunternehmens (EVU) und dem Niederspannungsverteiler (also bis etwa 400 Volt) eingesetzt, um beim Endverbraucher entstehende Störgrößen zu unterdrücken, z.B. die Blindleistung zu kompensieren. Bei dem Endverbraucher handelt es sich üblicherweise um Abnehmer größerer Energiemengen und Leistungen (Größenordnung z.B. 10 kVA oder mehr pro Phase oder Leitungsstrang), also um Gewerbebetriebe und Großunternehmen. In solchen Netzen müssen vorgegebene elektrische Standards erfüllt sein. Die Schaltungen können allgemein in Klein-, Nieder- und Hochspannungsnetzen eingesetzt werden.
Andererseits können solche Störungen auch bei der Erzeugung von elektrischer Energie in dezentralen Anlagen entstehen, also etwa in Windenergieanlagen, Photovoltaik-Anlagen und Biogasanlagen.
Die Erfindung, wie sie in den Schutzansprüchen definiert ist, stellt eine Filterschaltung bereit, welche Störgrößen auf dem Neutralleiter unterdrückt.
Bei dem Niederspannungsnetz kann es sich um ein ein- oder mehrphasiges Netz handeln. Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung näher beschrieben. Hierin zeigt
1 die Schaltung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung für ein einphasiges Netz,
2 Diagramme zur Erläuterung der Schaltung gemäß 1;
3–5 den Aufbau der Spulenelemente gemäß Ausführungsformen der Erfindung.
1 zeigt die Schaltung gemäß der Erfindung für den Einsatz in einem einphasigen Niederspannungsnetz mit dem Phasenleiter L1 und dem Neutralleiter N. Die Schaltung umfasst einen ersten Leitungsstrang L1.1, der eingangsseitig über ein erstes Diodenelement D1 mit dem Phasenleiter L1 verbindbar ist, einen zweiten Leitungsstrang L1.2, der eingangsseitig über ein zweites Diodenelement D2 mit dem Phasenleiter L1 verbindbar ist, wobei die beiden Diodenelemente D1, D2 mit Bezug zum Phasenleiter L1 entgegengesetzt zueinander orientiert sind, wobei zwischen dem ersten Leitungsstrang L1.1 und dem Neutralleiter N des Niederspannungsnetzes ein erstes Spulenelement DR1 angeordnet ist und zwischen dem zweiten Leitungsstrang L1.2 und dem Neutralleiter N ein zweites Spulenelement DR2 angeordnet ist, wobei die beiden Spulenelemente DR1, DR2 induktiv miteinander gekoppelt sind.
Des Weiteren ist zwischen dem ersten Leitungsstrang L1.1 und dem Neutralleiter N ein erstes Kondensatorelement C1.1 angeordnet, und zwischen dem zweiten Leitungsstrang L1.2 und dem Neutralleiter N ist ein zweites Kondensatorelement C1.2 angeordnet. Diese beiden Kondensatorelemente C1.1, C1.2 dienen dazu, den Leistungsfaktor cos φa zu kompensieren. R1 und R2 symbolisieren die sekundärseitig angeschlossenen Verbraucher.
Die beiden Spulenelemente DR1, DR2 sind über einen gemeinsamen Kern induktiv miteinander gekoppelt. Die bilden einen Transformator mit dem Übersetzungsverhältnis 1, also identischen Wicklungszahlen n1 = n2.
Das Spulenelement DR1 und das Kondensatorelement C1.1 sind hierbei so dimensioniert, dass sie bei einer Frequenz von 50 Hz einen Resonanzkreis bilden. In gleicher Weise sind das Spulenelement DR2 und das Kondensatorelement C1.2 so dimensioniert, dass sie bei einer Frequenz von f = 50 Hz einen Resonanzkreis bilden.
Es gilt also jeweils die Bedingung: ωL = 1/ωC, mit der Kreisfrequenz ω = 2πf und wobei L die Induktivität des Spulenelements DR1 bzw. DR2 und C die Kapazität des Kondensatorelements C1.1 bzw. C1.2 ist.
Wenn eingangsseitig der Filterschaltung, also zwischen den Leitern L1 und -N, eine sinusförmige elektrische Größe mit der Frequenz 50Hz anliegt, also z.B. die 230V-Netzwechselspannung aus dem Versorgungsnetz, so wird diese periodische Vollwelle durch die beiden Diodenelemente D1 und D2 in zwei Halbwellen aufgeteilt, und zwar in eine positive (obere) und eine negative (untere) Halbwelle.
In 2 zeigt das obere Diagramm den zeitlichen Verlauf des Stromes iD1, der durch das erste Diodenelement D1 fließt. Wie zu erkennen ist, lässt das erste Diodenelement D1 nur die positiven sinusförmigen Halbwellen durch. Das zweite Diodenelement D2 lässt nur die negativen sinusförmigen Halbwellen durch, vgl. das zweite Diagramm. Die negative Halbwellen werden im ersten (oberen) Leitungsstrang mittels des magnetischen Flusses erzeugt, der durch das zweite Spulenelement DR2 durch die negativen Halbwellen im zweiten (unteren) Leitungsstrang L1.2 generiert wird, so dass am Ausgang L1.1 wieder eine periodische sinusförmige Vollwelle I1.1 bereitgestellt wird, vgl. das dritte Diagramm der 2.
Im Leitungsstrang L1.2 sind alle Polaritäten umgekehrt. Das entgegengesetzt geschaltete Diodenelement D2 lässt nur die negativen Halbwellen passieren und sperrt die positiven Halbwellen. Hier werden die positiven Halbwellen durch den magnetischen Fluss induziert, der durch im ersten Spulenelement DR1 die positiven Halbwellen im ersten Leitungsstrang L1.1 erzeugt werden, vgl. das vierte Diagramm der 2. Es wird also am Ausgang L1.2 eine periodische Vollwelle I1.2 bereitgestellt, die um 180 Grad phasenverschoben gegenüber der Vollwelle am Ausgang L1.1 ist.
Auf diese Weise werden ausgangsseitig saubere sinusförmige Wellen generiert, ohne Oberwellenanteile und nahezu ohne Gleichanteile auf dem Neutralleiter, und zwar unabhängig von der Belastung am Ausgang.
Zwischen dem Phasenleiter L1 und dem Neutralleiter N kann ein drittes Kondensatorelement C1 angeordnet sein.
Was die Spulenelemente DR1, DR2 anbelangt, so ist der Kern in dieser Ausführungsform der Erfindung UI-förmig mit zwei Schenkeln und einem Joch ausgestaltet, wobei auf jedem Schenkel eines der Spulenelemente DR1, DR2 aufgewickelt ist. vgl. 3a. Der Kern weist zwischen Joch und Schenkeln jeweils einen Luftspalt LS auf. Die beiden Spulenelemente DR1, DR2 sind gegensinnig aufgewickelt bzw. angeschlossen, d.h. so, dass die Position des Eingangs E1 des ersten Spulenelements DR1 am einen Schenkel der Position des Ausgangs A2 des zweiten Spulenelements DR2 am anderen Schenkel entspricht und die Position des Ausgangs des ersten Spulenelements DR1 der Position des Eingangs E2 des anderen Spulenelements DR2 entspricht, vgl. 3b.
Der Kern kann aber auch UU-förmig mit jeweils zwei Halbschenkeln ausgestaltet sein, wobei auf jedem Halbschenkel eines der Spulenelemente DR1, DR2 aufgewickelt ist. Der Kern weist dann zwischen den Halbschenkeln jeweils einen Luftspalt LS auf, vgl. 4.
Die Leistungen sind abhängig vom Kern der Spule, dem entstehenden magnetischen Fluss, den Windungsquerschnitten, dem Luftspalt und der anliegenden Spannung. Somit sind mit dieser Schaltung nahezu alle Größenordnungen möglich in beliebigen Leistungsstufen.
5 illustriert den Aufbau der Spulenelemente DR1 und DR2 gemäß einer ausführungsform der Erfindung. Diese sind jeweils durch Kupferdraht mit dem Querschnitt von 21,82mm² gebildet, der auf einen gemeinsamen Transformatorkern mit dem aufgewickelt ist. Die Wicklungszahlen sind für beide Spulenelemente DR1, DR2 identisch, und zwar n1 = n2 = 200. Der magnetische Fluss durch den Transformatorkern ist über ein Joch J mit Luftspalt LS geschlossen. Die Höhe des Transformatorkerns inklusive Joch beträgt 440mm und die Breite beträgt 315 mm. Geringfügige Abweichungen hiervon sind möglich.
Die Schaltung kann aber auch mittels zweier getrennter Drosselspulen realisiert sein, die aber auch im Gegensinn betrieben werden.
Der durch den Gleichrichter entstehende Gleichstrom- und Gleichspannungsanteil wird durch die erfindungsgemäße Schaltung nahezu auf Null gesetzt. Somit wird durch diese Schaltung eine hervorragende Netzqualität nahezu ohne Gleichanteile am Ausgang L1.1 und L1.2 gegen den Neutralleiter zur Verfügung stehen und somit auch die Oberschwingungen reduziert werden. Der Vorgang ist leistungsabhängig und kann mittels der Kondensatorenelemente C1.1 und C1.2 verändert werden.
Die Schaltungsanordnung kann für Industrieanlagen verwendet werden, die hohe Energiemengen beziehen, z.B. Galvanisierungsanlagen. Andererseits auch für Kleinstromverbraucher und allgemein in Netzteile. Ein weiterer Anwendungsfall ist die Parallelschaltung mehrerer Stromerzeuger. Die Schaltung kann auch in der Energieversorgung für Kfz-Ladeeinrichtungen verwendet werden, ebenso bei der Energieerzeugung in Photovoltaikanlagen, Windenergieanlagen oder Biogasanlagen. Ein weiterer Anwendungsfall sind Klimaanlagen.
Das beschriebene Beispiel ist zum Betrieb an einem 230V-/50Hz-Wechselspannungsnetz vorgesehen. Selbstverständlich lässt sich die erfindungsgemäße Schaltung auch an einem 110V-/60Hz-Wechselspannungsnetz betreiben, dann mit geänderten Werten für die Spulenelemente und die Kondensatorelemente.
Die Schaltung kann auch im Mehrphasennetz Anwendung finden. Z.B. in einem Dreiphasennetz mit den Phasen L1, L2, L3 sind alle Komponenten jeweils dreifach identisch vorhanden mit Ausnahme des gemeinsamen Neutralleiters N, der nur einmal vorhanden ist. Hier kann die Schaltung mit einem Dreiphasen-Joch ausgeführt werden. Die Schaltung kann in Stern- oder in Dreieckschaltung ausgeführt sein.

Claims

Schaltung zum Anschluss an einen Phasenleiter (L1) und einen Neutralleiter (N) eines für Energienetzes, umfassend einen ersten Leitungsstrang (L1.1), der eingangsseitig über ein erstes Diodenelement (D1) mit dem Phasenleiter (L1) verbindbar ist, einen zweiten Leitungsstrang (L1.2), der eingangsseitig über ein zweites Diodenelement (D2) mit dem Phasenleiter (L1) verbindbar ist, wobei die beiden Diodenelemente (D1, D2) mit Bezug zum Phasenleiter (L1) entgegengesetzt zueinander orientiert sind, wobei zwischen dem ersten Leitungsstrang (L1.1) und dem Neutralleiter (N) des Niederspannungsnetzes ein erstes Spulenelement (DR1) angeordnet ist und zwischen dem zweiten Leitungsstrang (L1.2) und dem Neutralleiter (N) ein zweites Spulenelement (DR2) angeordnet ist, wobei die beiden Spulenelemente (DR1, DR2) induktiv miteinander gekoppelt sind, und wobei zwischen dem ersten Leitungsstrang (L1.1) und dem Neutralleiter (N) ein erstes Kondensatorelement (C1.1) angeordnet ist und zwischen dem zweiten Leitungsstrang (L1.2) und dem Neutralleiter (N) ein zweites Kondensatorelement (C1.2) angeordnet ist.
Schaltung gemäß Anspruch 1, wobei die beiden Spulenelemente (DR1, DR2) über einen gemeinsamen Kern induktiv miteinander gekoppelt sind.
Schaltung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die beiden Spulenelemente (DR1, DR2) einen Transformator mit dem Übersetzungsverhältnis 1 bilden, insbesondere identische Wicklungszahlen (n1, n2) ausweisen.
Schaltung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei das erste Spulenelement (DR1) und das erste Kondensatorelement (C1.1) so dimensioniert sind, dass sie bei einer Frequenz von 50 Hz einen Resonanzkreis bilden.
Schaltung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei das zweite Spulenelement (DR2) und das zweite Kondensatorelement (C1.2) so dimensioniert sind, dass sie bei einer Frequenz von 50 Hz einen Resonanzkreis bilden.
Schaltung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Bedingung gilt: ωL = 1/ωC, mit Kreisfrequenz ω = 2πf und wobei L die Induktivität jeweils des ersten Spulenelements (DR1) und des zweiten Spulenelements (DR2) und C die Kapazität jeweils des ersten Kondensatorelements (C1.1) und des zweiten Kondensatorelements (C1.2) ist.
Schaltung gemäß einem der vorherigen Ansprüche, weiter aufweisend: ein drittes Kondensatorelement (C1), dazu ausgelegt ist, den Leistungsfaktor (cos φa) der Schaltung zu korrigieren.
Dreiphasen-Schaltung, aufweisend drei Phasen-Stränge (L1, L2, L3) und einen Nullleiter-Strang (N), wobei jeder der drei Phasen-Stränge mit einer elektrischen Phase (L1, L2, L3) führt, wobei jeder Phasen-Strang mit einer Schaltung gemäß einem der vorherigen Ansprüche gekoppelt ist.
Dreiphasen-Schaltung gemäß dem vorherigen Anspruch, weiter aufweisend: eine Dreieckschaltung zumindest dreier dritter Kondensatorelemente (C1), die eingangsseitig zwischen den drei Phasen-Strängen (L1, L2, L3) angeordnet ist.
Dreiphasen-Schaltung gemäß Anspruch 8 oder 9, wobei die ersten und die zweiten Kondensatorenelemente (C1.1, C1.2) und die Spulenelemente (DR1, DR2) jeweils in Sternschaltung angeordnet sind.
Dreiphasen-Schaltung einem der Ansprüche 8 bis 10 wobei die dritten Kondensatorenelemente (C1) jeweils eine Kapazität von 100μF aufweisen.
Dreiphasen-Filterschaltung einem der Ansprüche 8 bis 11, weiter aufweisend eine erste Leistungsschaltervorrichtung, mittels welcher die dritten Kondensatorenelemente (C1) von den Phasen-Strängen (L1, L2, L3) abtrennbar sind.
Dreiphasen-Schaltung einem der Ansprüche 8 bis 12, weiter aufweisend eine zweite Leistungsschaltervorrichtung, mittels welcher die ersten und die zweiten Kondensatorelemente (C1.1, C1.2) von den Phasen-Strängen abtrennbar sind.