DE102017104894B4

DE102017104894B4 - Aktive Kompensationsschaltung und System

Info

Publication number: DE102017104894B4
Application number: DE102017104894.4A
Authority: DE
Inventors: Yasin Karinca; Michael Vornkahl
Original assignee: TDK Electronics AG
Current assignee: TDK Electronics AG
Priority date: 2017-03-08
Filing date: 2017-03-08
Publication date: 2022-01-20
Anticipated expiration: 2037-03-09
Also published as: CN110383657B; US20200212791A1; US10819214B2; CN110383657A; DE102017104894A1; WO2018162488A1

Abstract

Aktive Kompensationsschaltung (5) zur Unterdrückung von Gleichtaktstörungen,- die koppelbar ist mit einem Stromnetz und einer elektrischen Anlage, wobei das Stromnetz und die elektrische Anlage direkt oder indirekt über zumindest zwei Phasen (ph) gekoppelt sind, und- die eine erste Kompensationsstufe (K1) und eine oder mehrere weitere Kompensationsstufen (K2, Kn) umfasst, wobei die erste und zumindest eine der weiteren Kompensationsstufen (K1, K2, Kn) jeweils- - einen Sensor (S) zur Bereitstellung eines jeweiligen Sensorsignals (IS), das repräsentativ ist für einen Strom, der in den Phasen (ph) fließt, und- - eine gesteuerte Stromsenke umfasst, die ausgebildet ist, abhängig von dem erfassten Sensorsignal (IS) einen jeweiligen Kompensationsstrom (10) bereitzustellen, und die jeweils ein aktives Verstärkerelement (Amp) aufweist, wobei das aktive Verstärkerelement(Amp) der ersten Kompensationsstufe (K1) und/oder zumindest einer der weiteren Kompensationsstufen (K2, Kn) einen Frequenzgang einer Leerlaufspannungsverstärkung aufweist, der sich jeweils unterscheidet von einem Frequenzgang der aktiven Verstärkerelemente (Amp) der anderen Kompensationsstufen (K1,K2, Kn) und/oder ausgebildet ist, einen maximalen Ausgangsstrom bereitzustellen, der sich jeweils unterscheidet von einem maximalen Ausgangsstrom der aktiven Verstärkerelemente (Amp) der anderen Kompensationsstufen (K1,K2, Kn).

Description

Die Erfindung betrifft eine aktive Kompensationsschaltung zur Unterdrückung von Gleichtaktstörungen. Die aktive Kompensationsschaltung ist koppelbar mit einem Stromnetz und einer elektrischen Anlage. Ferner betrifft die Erfindung ein System, das die aktive Kompensationsschaltung umfasst.
Für die Versorgung von Anlagen, die elektrische Maschinen aufweisen, werden zunehmend Frequenzumrichter genutzt. In modernen Frequenzumrichtern treten zunehmend höhere Ableitströme auf. Lagen in der Vergangenheit in Antriebssystemen die Ableitströme noch bei einigen 100 mA, treten in neueren Antriebssystemen Ableitströme in der Größenordnung von mehreren Ampere auf. Aber auch Kapazitäten der Leitungen und Netzfilter, die zur Einhaltung der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) nötig und zum Betrieb solcher elektrischer Anlagen erforderlich sind, erzeugen zusätzlich Ableitströme. Ein Ableitstrom ist ein elektrischer Strom, der unter üblichen Betriebsbedingungen in einem unerwünschten Strompfad fließt. Die Ableitströme sind sogenannte Gleichtaktstörungen.
Zum Schutz von Personen kommen in den elektrischen Anlagen vermehrt Fehlerstromschutzschalter, auch FI-Schutzschalter oder RCD Residual Current protective Device genannt, zum Einsatz. Fehlerstromschutzschalter sind ausgebildet, Fehlerströme gegen Erde zu erfassen und die elektrische Anlage bei Überschreitung eines maximalen Stromes abzuschalten. Ein Fehlerstrom ist ein elektrischer Strom, der aufgrund eines Isolationsfehlers über eine gegebene Fehlerstelle fließt.
Ein Fehlerstromschutzschalter kann nicht unterscheiden zwischen Ableitströmen und Fehlerströmen. Die Ableitströme können den Fehlerstromschutzschalter zum Auslösen bringen, so dass kein zuverlässiger Betrieb der elektrischen Anlage gewährleistet werden kann oder normative Anforderungen nicht eingehalten werden können.
EP 2 945 268 A1 zeigt eine aktive Filterschaltung mit einem Hochpassfilter, die ein Korrektursignal bereitstellt, das abhängig von einem mit dem Hochpassfilter gefilterten Sensorsignal erzeugt wird.
DE 10 2014 219 943 B4 offenbart ein differentielles Spannungsmesssystem. Das differentielle Spannungssystem weist zwei Elektroden auf, welche am Eingang mit einem Patienten verbunden sind und am Ausgang je einen Messkontakt zur Verfügung stellen.
DE 10 2005 031 751 A1 offenbart D2 ein Elektroimpedanz-Tomographiegerät mit Gleichtaktsignalunterdrückung.
WO 2012/053992 A4 offenbart eine Stromquelle mit aktiver Gleichtaktstörunterdrückung.
Die Aufgabe, die der Erfindung zu Grunde liegt, ist es, eine aktive Kompensationsschaltung zur Unterdrückung von Gleichtaktstörungen und ein System zu schaffen, die eine verbesserte Unterdrückung der Gleichtaktstörungen ermöglichen.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Gemäß einem ersten Aspekt zeichnet sich die Erfindung aus durch eine aktive Kompensationsschaltung zur Unterdrückung von Gleichtaktstörungen, die koppelbar ist mit einem Stromnetz und einer elektrischen Anlage. Das Stromnetz und die elektrische Anlage sind direkt oder indirekt über zumindest zwei Phasen gekoppelt. Die aktive Kompensationsschaltung weist eine erste Kompensationsstufe und eine oder mehrere weitere Kompensationsstufen auf. Die erste und zumindest eine der weiteren Kompensationsstufen umfassen jeweils einen Stromsensor zur Bereitstellung eines jeweiligen Sensorsignals, das repräsentativ ist für einen Strom, der in den Phasen fließt. Ferner umfasst die erste und die zumindest eine weitere Kompensationsstufe jeweils eine gesteuerte Stromsenke mit einem aktiven Verstärkerelement. Die gesteuerte Stromsenke ist ausgebildet, abhängig von dem erfassten Sensorsignal einen jeweiligen Kompensationsstrom bereitzustellen. Das aktive Verstärkerelement der ersten Kompensationsstufe und/oder zumindest einer der weiteren Kompensationsstufen weist einen Frequenzgang einer Leerlaufspannungsverstärkung auf, der sich jeweils unterscheidet von einem Frequenzgang der aktiven Verstärkerelemente der anderen Kompensationsstufen der aktiven Kompensationsschaltung, und/oder das aktive Verstärkerelement der ersten Kompensationsstufe und/oder zumindest einer der weiteren Kompensationsstufen ist ausgebildet, einen maximalen Ausgangsstrom bereitzustellen, der sich jeweils unterscheidet von einem maximalen Ausgangsstrom der aktiven Verstärkerelemente der anderen Kompensationsstufen der aktiven Kompensationsschaltung.
Vorteilhafterweise ermöglicht so die aktive Kompensationsschaltung eine höhere Dämpfung der Gleichtaktstörungen. Die Ableitströme können besser kompensiert werden. Zum einen können höhere Ableitströme kompensiert werden. Eine Ausgangsstromfestigkeit der Kompensationsschaltung, d. h. ein maximaler Gesamtausgangsstrom der aktive Kompensationsschaltung, kann einfach angepasst werden durch geeignete Wahl der Anzahl der Kompensationsstufen. Der Einsatz mehrerer Kompensationsstufen ermöglicht die Kompensation und damit die Unterdrückung von sehr hohen Ableitströmen. Zum anderen kann die Kompensation der Ableitströme über eine weitere Frequenz besser angepasst werden. Der Einsatz mehrerer Kompensationsstufen ermöglicht, die Kompensationsstufen an vorgegebenen Anforderungen hinsichtlich einem frequenzabhängigen Dämpfungsverhalten individuell anzupassen. Die Anpassung kann sehr einfach erfolgen durch Nutzung unterschiedlicher Bauteileigenschaften. Die Bauteileigenschaften können insbesondere eine Bandbreite oder einen maximalen Ausgangsstrom des aktiven Verstärkerelements umfassen.
Die Kombination verschiedener Bauteileigenschaften der Verstärkerstufen ermöglicht eine effektivere Kompensationsschaltung, die insbesondere eine verbesserte Dämpfung der Gleichtaktstörung in einem gewünschten Frequenzband ermöglicht. Der Einsatz von aktiven Verstärkerelementen ermöglicht eine sehr kompakte Bauweise. Ein Volumen und ein Gewicht der Kompensationsschaltung kann im Vergleich zu einer Schaltung, bei der vorwiegend passive Elemente die Filtereigenschaften respektive die Dämpfungseigenschaften bestimmen, deutlich reduziert werden. Des Weiteren ist eine Linearität der aktiven Kompensationsschaltung in Abhängigkeit der Frequenz weitaus stabiler als bei Schaltungen, bei denen vorwiegend Kapazitäten und Induktivitäten als Filterelemente die Filtereigenschaften respektive die Dämpfungseigenschaften bestimmen, da Induktivitäten aufgrund ihres Sättigungsverhaltens ein stark nichtlineares Verhalten aufweisen können.
Im Vergleich zu herkömmlichen passiven Filtern kann durch die aktive Kompensationsschaltung ein Blindstromanteil, der bedingt durch die Netzfrequenz durch Entstörkondensatoren fließt, reduziert werden.
Vorteilhafterweise kann die aktive Kompensationsschaltung im Vergleich zu einer Schaltung, bei der vorwiegend passive Elemente die Filtereigenschaften respektive die Dämpfungseigenschaften bestimmen, ein verbessertes und einfach zu kontrollierendes Temperaturverhalten aufweisen. Für die aktiven Verstärkerelemente können einfach geeignete Kühlmaßnahmen vorgesehen werden, die ein verbessertes Temperaturverhalten der aktiven Verstärkerelemente ermöglichen.
Der Einsatz von mehreren Kompensationsstufen ermöglicht nicht nur, den Frequenzgang bezüglich eines einzelnen bereitgestellten Korrektursignals zu optimieren, sondern mehrere Kompensationsströme zur Verfügung zu stellen, die jeweils hinsichtlich ihres Frequenzganges und ihrer maximalen Amplitude angepasst werden können. Da verbleibende Ableitströme jeweils erneut gemessen werden, können auch Bauteilschwankungen und/oder -toleranzen, die in den einzelnen Kompensationsstufen auftreten, kompensiert werden, wodurch eine sehr hohe Dämpfung der Gleichtaktstörungen respektive der Ableitströme erreicht werden kann.
Die erste Kompensationsstufe und die eine oder die mehreren weiteren Kompensationsstufen können jeweils eine gleiche Schaltungsstruktur aufweisen, jedoch hinsichtlich der Bauteileigenschaften zum Teil unterschiedlich dimensioniert sein.
Die unterschiedliche Dimensionierung der Kompensationsstufen ermöglicht insbesondere die erste Kompensationsstufe an spezielle Anforderungen anzupassen, bei denen eine singuläre Anpassung vorteilhafter ist und gegebenenfalls die weiteren Kompensationsstufen zueinander ähnlich auszugestalten, um insbesondere bestimmte Bandbreitenanforderungen erfüllen zu können.
Der Sensor kann ausgebildet sein, einen Strom zu erfassen, der repräsentativ ist für eine Summe der Gleichtaktströme, respektive der Ableitströme, aller Phasen in Bezug ein Bezugspotential, insbesondere in Bezug auf Masse.
Der jeweilige Kompensationsstrom wird vorzugsweise in die Phasen zur Kompensation des jeweiligen Ableitstromes, der durch die Phase fließt, eingespeist. Der Kompensationsstrom wird hierfür vorzugsweise entsprechend aufgeteilt, so dass in jede Phase ein gleicher Anteil des Kompensationsstroms eingespeist wird. Alternativ ist auch eine andere Aufteilung möglich.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt weist die aktive Kompensationsschaltung einen Eingang zur direkten oder indirekten Kopplung mit einer Lastseite, die die elektrische Anlage umfasst, und einen Ausgang zur direkten oder indirekten Kopplung mit einer Netzseite, die das Stromnetz umfasst, auf und die erste Kompensationsstufe und die zumindest eine weitere Kompensationsstufe sind kaskadiert angeordnet zwischen dem Eingang und dem Ausgang der aktiven Kompensationsschaltung. Diese ermöglicht eine einfache Schaltungsrealisierung und -dimensionierung.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt ist die erste Kompensationsstufe mit dem Eingang der aktiven Kompensationsschaltung gekoppelt und bildet eine Eingangsstufe der aktiven Kompensationsschaltung und das aktive Verstärkerelement der ersten Kompensationsstufe ist ausgebildet, einen höheren maximalen Ausgangsstrom bereitzustellen als das Verstärkerelement der zumindest einen weiteren Kompensationsstufe beziehungsweise als die aktiven Verstärkerelemente der weiteren Kompensationsstufen. Die Verstärkerelemente der anderen Kompensationsstufen können gleiche oder unterschiedliche maximale Ausgangsströme bereitstellen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt umfasst die weitere Kompensationsstufe, die mit dem Ausgang der aktiven Kompensationsschaltung gekoppelt ist und eine Ausgangsstufe der aktiven Kompensationsschaltung bildet, ein aktives Verstärkerelement, das eine größere Bandbreite der Leerlaufspannungsverstärkung aufweist als die aktiven Verstärkerelemente der vorgeschalteten Kompensationsstufen. Dies ermöglicht insbesondere ein Störunterdrückung bei hohen Frequenzen zu optimieren. Die Verstärkerelemente der anderen Kompensationsstufen können gleiche oder unterschiedliche Bandbreiten der Leerlaufspannungsverstärkung aufweisen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt weist der jeweilige Sensor der ersten und der zumindest einen weiteren Kompensationsstufe einen Stromwandler auf, der angeordnet und ausgebildet ist, ein Sensorsignal bereitzustellen, das repräsentativ ist für einen Gesamtstrom, der in einem vorgegebenen Messbereich des Sensors durch die Phasen fließt. Der Sensor ist vorzugsweise in einem vorgegebenen Messbereich mit der beziehungsweise den Phasen gekoppelt, insbesondere induktiv gekoppelt zur Erfassung der Ströme, die durch die Phasen fließen. Der Stromsensor ermöglicht, ein ausreichend präzises Steuersignal bereitzustellen zur Steuerung des Kompensationsstromes der jeweiligen Kompensationsstufe.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt weist der jeweilige Stromwandler einen Summenstromwandler auf und der Gesamtstrom bildet die Summe der einzelnen Ableitströme, die in den einzelnen Phasen fließen. Dies ermöglicht eine einfache Erfassung der Ableitströme.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt sind die erste und die zumindest eine weitere Kompensationsstufe jeweils ausgebildet, ihren Kompensationsstrom derart bereitzustellen, dass er bezüglich des Gesamtstromes, der in dem vorgegebenen Messbereich des Sensors durch die Phasen fließt, um näherungsweise 180° oder um 180° phasenverschoben und näherungsweise amplitudengleich oder amplitudengleich ist. Aufgrund von Toleranzen und/oder Messungenauigkeiten kann hier bekanntermaßen in den meisten Fällen keine vollständige Kompensation erreicht werden. Der Begriff „näherungsweise“ beschreibt daher eine Abweichung, die im Rahmen der gegebenen Toleranzen und/oder Messungenauigkeiten auftreten kann.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt weist der Sensor einen ersten Sensoranschluss und einen zweiten Sensoranschluss auf und die gesteuerte Stromsenke umfasst einen Bürdewiderstand, der zwischen den ersten Sensoranschluss und den zweiten Sensoranschluss gekoppelt ist und der eine Bürde des Stromwandlers repräsentiert. Dies ermöglicht in einfacher Weise, ein Eingangssignal für die gesteuerte Stromsenke bereitzustellen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt umfasst das Verstärkerelement einen Spannungsfolger, dessen Eingangsspannung repräsentativ ist für eine Spannung, die über dem Bürdewiderstand abfällt und dessen Verstärkerausgang über einen Ausgangswiderstand mit einem Ausgang der gesteuerten Stromsenke gekoppelt ist zur Bereitstellung des Kompensationsstromes. Dies ermöglicht eine einfache Realisierung der Stromsenke.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung gemäß dem ersten Aspekt weist die erste Kompensationsstufe und/oder zumindest eine der weiteren Kompensationsstufen jeweils mehrere gesteuerte Stromsenken auf, die parallelgeschalten sind. Dies hat den Vorteil, dass von der jeweiligen Stufe höhere Ableitströme kompensiert werden können.
Die Erfindung zeichnet sich gemäß einem zweiten Aspekt aus durch ein System, das ein Stromnetz und eine elektrisch Anlage aufweist, die direkt oder indirekt über zumindest zwei Phasen gekoppelt sind. Des Weiteren weist das System eine aktive Kompensationsschaltung gemäß dem ersten Aspekt auf, wobei der jeweilige Ausgang der ersten Kompensationsstufe und der zumindest einen weiteren Kompensationsstufe jeweils direkt oder indirekt gekoppelt ist mit der beziehungsweise den Phasen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten Aspekts sind hierbei auch für den zweiten Aspekt gültig.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen erläutert.
Es zeigen:

1 ein Blockschaltbild eines Systems mit einer beispielhaften aktiven Kompensationsschaltung,
2 ein Blockschaltbild einer beispielhaften Kompensationsstufe und
3 eine Ersatzschaltung einer beispielhaften Koppelkondensatoranordung.

Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt ein Blockschaltbild eines Systems 1 mit einer beispielhaften aktiven Kompensationsschaltung 5. Das System 1 umfasst beispielsweise ein Antriebssystem. Die aktive Kompensationsschaltung 5 ist ausgebildet zur Unterdrückung von Gleichtaktstörungen, wobei die Gleichtaktstörungen insbesondere Ableitströme umfassen können.
Das System 1 umfasst ein Stromnetz und eine elektrische Anlage, die direkt oder indirekt über zumindest zwei Phasen ph respektive Außenleiter gekoppelt sind. Die Phasen ph weisen jeweils einen Lastanschluss LOAD und einen Netzanschluss NET auf. Die elektrische Anlage ist über die Lastanschlüsse LOAD und das Stromnetz über die Netzanschlüsse NET mit der beziehungsweise den Phasen ph gekoppelt.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel weist das System 1 beispielhaft drei Phasen ph1, ph2, ph3 auf. Alternativ kann das System 1 eine, zwei, vier oder mehr Phasen aufweisen.
Die aktive Kompensationsschaltung 5 weist einen Eingangsanschluss IN und einen Ausgangsanschluss OUT auf. Die aktive Kompensationsschaltung 5 ist über den Eingangsanschluss IN gekoppelt mit den Lastanschlüssen LOAD der Phasen ph und über den Ausgangsanschluss OUT mit den Netzanschlüssen NET der Phasen ph.
In der Darstellung in 1 ist zur vereinfachten Veranschaulichung nur ein Gleichtakt-Modell gezeigt, bei dem alle Phasen ph zu einer Leitung zusammengefasst sind. Eine erste Stromquelle I1, die mit dem Eingangsanschluss IN der aktiven Kompensationsschaltung 5 gekoppelt ist, repräsentiert einen von der Last erzeugten Gesamtableitstrom IGA. Eine Netzimpedanz Znet, die mit dem Ausgangsanschluss OUT der aktiven Kompensationsschaltung 5 gekoppelt ist, repräsentiert eine resultierende Impedanz des Stromnetzes.
Die aktive Kompensationsschaltung 5 umfasst eine erste Kompensationsstufe K1 und zumindest eine weitere Kompensationsstufe K2, Kn, wobei die Kompensationsstufen K1, K2, Kn kaskadiert angeordnet sind.
Die kaskadierten Kompensationsstufen K1, K2, Kn sind zwischen dem Eingangsanschluss IN und dem Ausgangsanschuss OUT der aktiven Kompensationsschaltung 5 angeordnet. Die erste Kompensationsstufe K1 ist eingangsseitig angeordnet und bildet eine Eingangsstufe der aktiven Kompensationsschaltung 5. Die erste Kompensationsstufe K1 ist vorzugsweise ausgebildet, einen höchsten maximalen Kompensationsstrom 101 zur Verfügung zu stellen und weist somit einen höheren maximalen Ausgangsstrom auf als die anderen weiteren Kompensationsstufen K2, Kn.
Alternativ oder zusätzlich ist möglich, dass die Kompensationsstufe Kn, die mit dem Ausgang der aktiven Kompensationsschaltung 5 gekoppelt ist und eine Ausgangsstufe der Kompensationsschaltung 5 bildet, eine höchste Frequenzbandbreite bezüglich der Störunterdrückung hochfrequenter Anteile der Gleichtaktstörungen, respektive der Ableitströme auf.
2 zeigt ein Blockschaltbild einer beispielhaften Kompensationsstufe K.
Die erste und die zumindest eine weitere Kompensationsstufe K1, K2, Kn weisen jeweils einen Sensor S, vorzugsweise ein Stromsensor, auf. Der jeweilige Sensor S ist angeordnet und ausgebildet, ein Sensorsignal IS bereitzustellen, das repräsentativ ist für einen Gesamtstrom, der in den Phasen ph fließt.
Die jeweilige Kompensationsstufe K ist jeweils mit der beziehungsweise den Phasen ph gekoppelt. Die jeweilige Kompensationsstufe K ist beispielsweise lastseitig über den Sensor S mit der beziehungsweise den Phasen ph gekoppelt. Der Sensor S ist vorzugsweise in einem vorgegebenen Messbereich mit der beziehungsweise den Phasen ph gekoppelt, insbesondere induktiv gekoppelt zur Erfassung der Ströme, die durch die Phasen ph fließen.
Der Sensor S ist beispielsweise ausgebildet, einen Gesamtstrom, der in den Phasen ph in dem vorgegebenen Messbereich des Sensors S fließt, zu erfassen und abhängig von dem Gesamtstrom das Sensorsignal IS bereitzustellen, wobei der Gesamtstrom die Ableitströme, die in den einzelnen Phasen ph fließen, umfasst.
Der Sensor S_1 der ersten Kompensationsstufe K1 ist beispielsweise angeordnet, den Gesamtableitstrom IGA zu erfassen. Die Sensoren S_2, S_n der nachgeschalteten Kompensationsstufen K2, Kn sind beispielsweise angeordnet und ausgebildet, die jeweiligen Restableitströme, die aufgrund einer nicht optimalen Kompensation der jeweiligen vorgeschalteten Kompensationsstufe K1, K2 nicht vollständig kompensiert wurden, zu erfassen.
Der jeweilige Stromsensor weist beispielsweise einen Stromwandler auf. Der Stromwandler ist beispielsweise als induktiver Stromwandler ausgebildet. Der Stromwandler weist eine Primärseite und eine Sekundärseite auf, die in der in 2 gezeigten Ersatzschaltung als Primärinduktivität und Sekundärinduktivität dargestellt sind.
Der induktive Stromwandler weist beispielsweise für jede Phase ph eine Primärwicklung CT_prim mit jeweils nur einer oder wenigen Windungen auf, die jeweils vom zu messenden Strom durchflossen werden. Ferner weist der Stromwandler eine Sekundärwicklung CT_sec auf mit einer größeren Anzahl von Windungen. Der Sekundärstrom ist gegenüber dem zu messenden Primärstrom verringert - und zwar umgekehrt proportional zum Verhältnis der Primär- und Sekundärwindungszahl.
Der Stromwandler ist beispielsweise als Durchsteckwandler ausgebildet, bei dem die jeweilige Primärwicklung CT_prim eine durch einen Ringkern des Wandlers geführte Phase ph umfasst, was einer einzigen Windung entspricht. Der Stromwandler weist somit beispielhaft drei Primärwicklungen CT_prim auf. Fließen die Ableitströme durch die Primärwicklungen CT_prim des Stromwandlers, wird in der Sekundärwicklung CT_sec ein Strom induziert, der abhängig ist von der Windungszahl n der Sekundärwicklung CT_sec.
Die jeweilige Kompensationsstufe K ist ausgebildet, abhängig von den mit dem Sensor S der jeweiligen Kompensationsstufe K erfassten Ableitströme einen Kompensationsstrom 10 bereitzustellen und in die jeweilige Phasen ph einzuspeisen. Die jeweilige Kompensationsstufe K ist vorzugsweise ausgebildet, den Kompensationsstrom 10 derart bereitzustellen, dass er bezüglich des resultierenden Ableitstromes IA, der die Summe der mit dem Sensor S der jeweiligen Kompensationsstufe K erfassten Ableitströme umfasst, um näherungsweise 180° phasenverschoben oder um 180° phasenverschoben und zusätzlich näherungsweise amplitudengleich oder amplitudengleich ist, so dass der jeweilige Kompensationsstrom 10 den mit dem Sensor S erfassten Gesamtableitstrom IGA oder resultierenden Ableitstrom IA der vorgeschalteten Kompensationsstufe K1, K2 zumindest näherungsweise kompensiert und kein oder nur ein geringer Restableitstrom als resultierender Ableitstrom IA der Kompensationsstufe K verbleibt.
Aufgrund von Toleranzen und/oder Messungenauigkeiten kann hierbei bekanntermaßen keine vollständige Kompensation, insbesondere mit nur einem einzelnen Kompensationsschritt, erreicht werden. Der Kompensationsstrom 10 kann somit geringfügig von dem zu kompensierenden Strom abweichen.
Der Kompensationsstrom 10 wird vorzugsweise entsprechend aufgeteilt, so dass in jede Phase ph ein gleicher Anteil des Kompensationsstrom 10 eingespeist wird. Alternativ ist auch eine andere Aufteilung möglich.
Die jeweilige Kompensationsstufe K weist eine gesteuerte Stromsenke CS, beispielsweise eine spannungsgesteuerte Stromsenke auf. Alternativ kann die jeweilige Kompensationsstufe K mehrere gesteuerte Stromsenken CS aufweisen, die parallelgeschalten sind. Ein Ausgang OUT_s der gesteuerten Stromsenke CS ist beispielsweise über eine Koppelkondensatoranordnung Ckopp mit den Phasen ph des Netzes gekoppelt. Die Koppelkondensatoranordnung Ckopp dient beispielsweise der Isolation einer Ankopplung an die Phasen ph. Die Koppelkondensatoranordnung ermöglicht eine frequenzabhängig Kopplung der gesteuerten Stromsenke CS mit der jeweiligen Phase ph. Insbesondere kann so verhindert werden, dass Gleichanteile in die Phasen ph eingekoppelt werden.
Die jeweilige Kompensationsstufe K ist somit jeweils netzseitig zur Einspeisung des Kompensationsstromes 10 mit den Phasen ph gekoppelt.
Die gesteuerte Stromsenke CS ist ausgebildet, abhängig von dem erfassten Sensorsignal IS den jeweiligen Kompensationsstrom 10 bereitzustellen. Die jeweilige gesteuerte Stromsenke CS umfasst ein aktives Verstärkerelement Amp.
Das aktive Verstärkerelement Amp der ersten Kompensationsstufe K1 weist einen anderen Frequenzgang einer Leerlaufspannungsverstärkung auf und/oder ist ausgebildet, einen anderen maximalen Ausgangsstrom bereitzustellen als das beziehungsweise die aktiven Verstärkerelemente Amp der zumindest einen weiteren Kompensationsstufe K2, Kn.
Vorzugsweise ist das aktive Verstärkerelement Amp der ersten Kompensationsstufe K1 ausgebildet, einen höheren maximalen Ausgangsstrom bereitzustellen als das beziehungsweise die aktiven Verstärkerelemente Amp der weiteren Kompensationsstufen K2, Kn.
Die gesteuerte Stromsenke CS weist einen Bürdewiderstand RB auf, der zwischen einen ersten Sensoranschluss CTN und einen zweiten Sensoranschluss CTP der Sekundärwicklung CT_sec des Sensors gekoppelt ist, so dass der Bürdewiderstand RB und die Sekundärwicklung CT_sec des Stromwandlers einen Stromkreis bilden.
Der Bürdewiderstand RB repräsentiert beispielsweise eine Bürde des Stromwandlers. Bei Stromwandlern wird die Impedanz des Sekundärkreises als Bürde bezeichnet. Da der Widerstand und die Sekundärwicklung CT_sec des Stromwandlers einen Stromkreis bilden, erzeugt der in die Sekundärwicklung CT_sec induzierte Strom einen Spannungsabfall an dem Bürdewiderstand RB.
Das Verstärkerelement Amp der gesteuerten Stromsenke CS umfasst beispielsweise einen Spannungsfolger. Das Verstärkerelement Amp ist in diesem Fall derart beschaltet, dass die Eingangsspannung des Spannungsfolgers repräsentativ ist für die Spannung, die über dem Bürdewiderstand RB abfällt. Der Verstärkerausgang des Spannungsfolgers ist über einen Ausgangswiderstand Rout mit dem Ausgang OUT_s der gesteuerten Stromsenke CS gekoppelt zur Bereitstellung des Kompensationsstromes 10. Der Spannungsfolger umfasst beispielsweise einen Operationsverstärker.
Der Spannungsfolger weist vorzugsweise eine Verstärkung von A=1 auf. Damit fällt über dem Ausgangswiderstand Rout dieselbe Spannung ab, wie am Eingang des Spannungsfolgers anliegt respektive wie an dem Bürdewiderstand RB anliegt. Damit der jeweilige Kompensationsstrom 10 möglichst dem Gesamtableitstrom IGA beziehungsweise den jeweiligen resultierenden Ableitströmen IA am Ausgang der jeweiligen vorgeschalteten Kompensationsstufen K1, K2 entspricht und somit eine möglichst hohe Dämpfung resultiert, ist der Ausgangswiderstand Rout beispielsweise um den Faktor n, welcher der Windungszahl der Sekundärwicklung CT_sec entspricht, größer als der Bürdewiderstand RB.
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Koppelkondensatoranordnung Ckopp für eine 3-Phasenanordnung 3Ph.
Die Koppelkondensatoranordnung Ckopp eine gemeinsame Kapazität C0 und sowie für jede Phase ph1, ph2, ph3 eine weitere Kapazität C1. Die weiteren Kapazitäten C1 sind jeweils mit einer der Phasen ph gekoppelt und mit der gemeinsamen Kapazität C0.
Bezugszeichenliste

1: System
3PH: 3-Phasenanordnung
5: Kompensationsschaltung
Amp: Verstärkerelement
C0: gemeinsamer Kapazität
C1: weiterer Kapazität
Ckopp, Ckopp1, Ckopp2, Ckoopn: Koppelkondensatoransordnung
CS, CS1, CS2, CSn: gesteuerte Stromsenke
CT_prim: Sekundärwicklung
CT_sec: Primärwicklung
CTN: erster Sensoranschluss
CTP: zweiter Sensoranschluss
10, 101,102, I0n: Kompensationsstrom
I1: erste Stromquelle
IA, IA1, IA2, IAn: resultierender Ableitstrom
IGA: Gesamtableitstrom
IN: Eingangsanschluss
IS, IS1, IS2, ISn: Sensorsignal
K: erste oder weitere Kompensationsstufe
K1: erste Kompensationsstufe
K2, Kn: weitere Kompensationsstufe
LOAD: Lastanschlüsse
NET: Netzanschlüsse
OUT: Ausgangsanschluss/Ausgangsanschlüsse
OUT_s: Ausgang Stromsenke
ph, ph1, ph2, ph3: Phase, Phasen
RB: Bürdewiderstand
Rout: Ausgangswiderstand
S, S_1, S_2, S_n: Sensor
Znet: Netzimpedanz

Claims

Aktive Kompensationsschaltung (5) zur Unterdrückung von Gleichtaktstörungen, - die koppelbar ist mit einem Stromnetz und einer elektrischen Anlage, wobei das Stromnetz und die elektrische Anlage direkt oder indirekt über zumindest zwei Phasen (ph) gekoppelt sind, und - die eine erste Kompensationsstufe (K1) und eine oder mehrere weitere Kompensationsstufen (K2, Kn) umfasst, wobei die erste und zumindest eine der weiteren Kompensationsstufen (K1, K2, Kn) jeweils - - einen Sensor (S) zur Bereitstellung eines jeweiligen Sensorsignals (IS), das repräsentativ ist für einen Strom, der in den Phasen (ph) fließt, und - - eine gesteuerte Stromsenke umfasst, die ausgebildet ist, abhängig von dem erfassten Sensorsignal (IS) einen jeweiligen Kompensationsstrom (10) bereitzustellen, und die jeweils ein aktives Verstärkerelement (Amp) aufweist, wobei das aktive Verstärkerelement(Amp) der ersten Kompensationsstufe (K1) und/oder zumindest einer der weiteren Kompensationsstufen (K2, Kn) einen Frequenzgang einer Leerlaufspannungsverstärkung aufweist, der sich jeweils unterscheidet von einem Frequenzgang der aktiven Verstärkerelemente (Amp) der anderen Kompensationsstufen (K1,K2, Kn) und/oder ausgebildet ist, einen maximalen Ausgangsstrom bereitzustellen, der sich jeweils unterscheidet von einem maximalen Ausgangsstrom der aktiven Verstärkerelemente (Amp) der anderen Kompensationsstufen (K1,K2, Kn).
Aktive Kompensationsschaltung (5) nach Anspruch 1, bei der die aktive Kompensationsschaltung (5) einen Eingang zur direkten oder indirekten Kopplung mit einer Lastseite, die die elektrische Anlage umfasst, und einen Ausgang zur direkten oder indirekten Kopplung mit einer Netzseite, die das Stromnetz umfasst, aufweist und die erste Kompensationsstufe (K1) und die zumindest eine weitere Kompensationsstufe (K2, Kn) kaskadiert angeordnet sind zwischen dem Eingang und dem Ausgang der aktiven Kompensationsschaltung (5).
Aktive Kompensationsschaltung (5) nach Anspruch 2, bei der die erste Kompensationsstufe (K1) mit dem Eingang der aktiven Kompensationsschaltung (5) gekoppelt ist und eine Eingangsstufe der aktiven Kompensationsschaltung (5) bildet und das aktive Verstärkerelement (Amp) der ersten Kompensationsstufe (K1) ausgebildet ist, einen höheren maximalen Ausgangsstrom bereitzustellen als das Verstärkerelement (Amp) der zumindest einen weiteren Kompensationsstufe (K2, Kn) beziehungsweise als die aktiven Verstärkerelemente (Amp) der weiteren Kompensationsstufen.
Aktive Kompensationsschaltung (5) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der die weitere Kompensationsstufe (Kn), die mit dem Ausgang der aktiven Kompensationsschaltung (5) gekoppelt ist und eine Ausgangsstufe der aktiven Kompensationsschaltung (5) bildet, ein aktives Verstärkerelement (Amp) umfasst, das eine größte Bandbreite der Leerlaufspannungsverstärkung aufweist.
Aktive Kompensationsschaltung (5) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der der jeweilige Sensor (S) der ersten und der zumindest einen weiteren Kompensationsstufe (K1, K2, Kn) einen Stromwandler aufweist, der angeordnet und ausgebildet ist, ein Sensorsignal (IS) bereitzustellen, das repräsentativ ist für einen Gesamtstrom, der in einem vorgegebenen Messbereich des Sensors (S) durch die Phasen (ph) fließt.
Aktive Kompensationsschaltung (5) nach Anspruch 5, bei dem der jeweilige Stromwandler einen Summenstromwandler aufweist und der Gesamtstrom die Summe der einzelnen Ableitströme, die in den einzelnen Phasen (ph) fließen, bildet.
Aktive Kompensationsschaltung (5) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der die erste und die zumindest eine weitere Kompensationsstufe (K1, K2, Kn) jeweils ausgebildet sind, ihren Kompensationsstrom (I0) derart bereitzustellen, dass er bezüglich des Gesamtstromes, der in dem vorgegebenen Messbereich des Sensors (S) durch die Phasen (ph) fließt, um näherungsweise 180° oder um 180° phasenverschoben und zusätzlich näherungsweise amplitudengleich oder amplitudengleich ist.
Aktive Kompensationsschaltung (5) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der der Sensor (S) einen ersten Sensoranschluss (CTN) und einen zweiten Sensoranschluss (CTP) aufweist und die gesteuerte Stromsenke (CS) einen Bürdewiderstand (RB) aufweist, der zwischen den ersten Sensoranschluss (CTP) und den zweiten Sensoranschluss (CTN) gekoppelt ist und der eine Bürde des Stromwandlers repräsentiert.
Aktive Kompensationsschaltung (5) nach Anspruch 8, bei der das Verstärkerelement (Amp) einen Spannungsfolger umfasst, dessen Eingangsspannung repräsentativ ist für eine Spannung, die über dem Bürdewiderstand (RB) abfällt und dessen Verstärkerausgang über einen Ausgangswiderstand (Rout) mit einem Ausgang (OUT_s) der gesteuerten Stromsenke (CS) gekoppelt ist zur Bereitstellung des Kompensationsstromes (10).
Aktive Kompensationsschaltung (5) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die erste Kompensationsstufe (K1) und/oder zumindest eine der weiteren Kompensationsstufen (K2, Kn) jeweils mehrere gesteuerte Stromsenken (CS) aufweist, die parallelgeschalten sind.
System (1), aufweisend - ein Stromnetz und eine elektrische Anlage, die direkt oder indirekt über zumindest zwei Phasen (ph) gekoppelt sind, - eine aktive Kompensationsschaltung (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der jeweilige Ausgang der ersten Kompensationsstufe (K1) und der zumindest einen weiteren Kompensationsstufe (K2, Kn) jeweils direkt oder indirekt gekoppelt ist mit den Phasen (ph).