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Die Erfindung betrifft eine Filtervorrichtung für ein Energienetz, eine Verwendung einer Drosselanordnung zur Anpassung einer Resonanzfrequenz eines Filterkreises, sowie ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Filtervorrichtung.
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Filtervorrichtungen für Energienetze, beispielsweise passive Filterkreise, können dazu eingesetzt werden, unerwünschte Anteile, etwa Oberschwingungen oder Verzerrungen in der Netzspannung oder im Netzstrom, zu verringern. Die Filtervorrichtung weist dabei eine Resonanzfrequenz auf, welche beispielsweise einer Abstimmfrequenz von zu dämpfenden Schwingungsanteilen entspricht. Eine Leistungsaufnahme der Filtervorrichtung ist typischerweise umso größer, je näher Resonanz- und Abstimmfrequenz beieinander liegen.
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In verschiedenen Situationen kann es erforderlich oder vorteilhaft sein, die Resonanzfrequenz der Filtervorrichtung zu verändern, beispielsweise um eine Überlastung der Filtervorrichtung zu vermeiden. Eine Unterbrechung der Filterung aufgrund einer solchen Veränderung der Resonanzfrequenz ist jedoch nicht akzeptabel. Soll die Anpassung unterbrechungslos erfolgen, liegen insbesondere bei Mittel- oder Hochspannungsnetzen Potentiale an den Schaltelementen an, welche in der Größenordnung der Netzspannung liegen, also wenigstens in der Größenordnung von 1 kV oder mehreren kV bis zu mehreren 10 kV. Dementsprechend müssen an die Schaltelemente sehr hohe Anforderungen gestellt werden, was entsprechend hohe Entwicklungs- und Bauteilkosten zur Folge hat, beispielsweise für Laststufenschalter zum unterbrechungslosen Umschalten zwischen Wicklungsanzapfungen einer regelbaren Drosselspule oder andere für Hochspannung ausgelegte Schaltelemente.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Konzept zur Filterung für ein Energienetz anzugeben, welches eine unterbrechungslose Anpassung der Resonanzfrequenz erlaubt und geringere Anforderungen an die Schaltelemente stellt.
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Diese Aufgabe wird durch den jeweiligen Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Das verbesserte Konzept beruht auf der Idee, einen Saugkreis bereitzustellen, bei dem eine kapazitive sowie eine erste und eine zweite induktive Komponente derart in Reihe schaltbar sind, dass die kapazitive Komponente zwischen den induktiven Komponenten angeordnet ist. Bei entsprechendem Bedarf wird die zweite induktive Komponente überbrückt um eine gesamte Impedanz und somit eine Resonanzfrequenz der Filtervorrichtung anzupassen.
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Gemäß dem verbesserten Konzept wird eine Filtervorrichtung für ein Energienetz angegeben. Die Filtervorrichtung weist eine kapazitive Komponente, eine erste induktive Komponente und eine mit der kapazitiven Komponente und der ersten induktiven Komponente in Reihe schaltbare zweite induktive Komponente auf. Die kapazitive Komponente ist dabei zwischen der ersten induktiven Komponente und der zweiten induktiven Komponente angeordnet. Die Filtervorrichtung weist außerdem einen Anschluss auf, um die Filtervorrichtung an das Energienetz anzuschließen. Die erste induktive Komponente ist dabei zwischen dem Anschluss und der kapazitiven Komponente angeordnet. Die Filtervorrichtung beinhaltet zudem eine Schaltvorrichtung, welche dazu eingerichtet ist, die zweite induktive Komponente zu überbrücken und/oder eine Überbrückung der induktiven Komponente aufzuheben um eine Resonanzfrequenz der Filtervorrichtung anzupassen.
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Das Überbrücken der zweiten induktiven Komponente bedeutet hier und im Folgenden, dass die zweite induktive Komponente effektiv aus der Reihenschaltung genommen wird. Das heißt, im überbrückten Zustand beeinflusst die zweite induktive Komponente die Reihenschaltung nicht. Insbesondere ist im überbrückten Zustand eine gesamte Induktivität oder der Filtervorrichtung unabhängig von einer Induktivität der zweiten Induktiven Komponente. Insbesondere fließt im überbrückten Zustand kein Strom über die zweite induktive Komponente und es fällt keine Spannung über der zweiten induktiven Komponente ab.
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Durch die Aufteilung einer Gesamtinduktivität der Filtervorrichtung, insbesondere für eine Phase, in die erste und die zweite induktive Komponente und die beschriebene Anordnung der Reihenschaltung liegen an Anschlussklemmen der zweiten induktiven Komponente Potentiale an, welche, je nach Induktivität der ersten induktiven Komponente und Kapazität der kapazitiven Komponente, deutlich kleiner sind als ein Potential des Energienetzes. Insbesondere liegen zwischen der zweiten induktiven Komponente und einem Referenzpotential, wie beispielsweise Erdpotential, deutlich geringere Spannungen an als zwischen dem Energienetz und dem Referenz- oder Erdpotential. Dies liegt darin begründet, dass ein wesentlicher Teil der Spannung bereits über der Reihenschaltung aus erster induktiver Komponente und kapazitiver Komponente abfällt.
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Für die Schaltvorrichtung zur Überbrückung der zweiten induktiven Komponente hat dies zur Folge, dass die Schaltelemente bezogen auf das Referenzpotential nur eine deutlich geringere Spannungsfestigkeit aufweisen müssen als die Netzspannung. So können auch bei Filtervorrichtungen für Mittel- oder Hochspannungsnetze Schaltelemente ausreichen, welche für Niederspannung also für Spannungen unter 1 kV ausgelegt sind.
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Zudem müssen die Schaltelemente weniger hohe Kommutierungsströme bei einer unterbrechungslosen Umschaltung bewältigen. Dies gilt insbesondere im Vergleich zu einer Vorrichtung, welche auf einer geregelten Drossel mit zu- und abschaltbaren Wicklungsanteilen über verschiedene Wicklungsanzapfungen beruht.
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Dadurch müssen zum einen bei der Auslegung der Schaltelemente und der Schaltvorrichtung weniger hohe Spannungs- oder Strombelastungen berücksichtigt werden, was zu einem reduzierten Aufwand bei der Entwicklung derselben als auch zu geringeren Bauteilkosten führt. Zum anderen können die induktiven Komponenten einfach ausgelegt werden, beispielsweise als Drosselspulen mit fester Windungszahl anstelle von komplexeren und kostenintensiveren geregelten Drosseln.
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Gemäß wenigstens einer Ausführungsform der Filtervorrichtung beinhaltet die kapazitive Komponente einen Kondensator, insbesondere eine Kondensatorbank oder einen Teil einer Kondensatorbank.
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Gemäß wenigstens einer Ausführungsform der Filtervorrichtung beinhaltet die kapazitive Komponente eine Serien- oder Parallelschaltung von Kondensatoren.
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Gemäß wenigstens einer Ausführungsform beinhaltet die Schaltvorrichtung wenigstens ein Schaltelement zur Überbrückung der zweiten induktiven Komponente Gemäß wenigstens einer Ausführungsform beinhaltet die Schaltvorrichtung eine Steuereinheit zur Steuerung des wenigstens einen Schaltelements.
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Gemäß wenigstens einer Ausführungsform handelt es sich bei dem Energienetz um ein Energieversorgungsnetz oder ein Energieverteilnetz.
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Gemäß wenigstens einer Ausführungsform handelt es sich bei dem Energienetz um ein Mittelspannungsnetz oder ein Hochspannungsnetz. Zum Beispiel wird das dem Energienetz mit einer Netzspannung von 1 kV, insbesondere Wechselspannung, oder höher betrieben.
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Gemäß wenigstens einer Ausführungsform handelt es sich bei dem Energienetz um ein Niederspannungsnetz. Zum Beispiel wird das dem Energienetz mit einer Spannung von weniger als 1 kV betrieben.
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Gemäß wenigstens einer Ausführungsform beinhaltet der Anschluss eine Sicherung und ein Hauptschaltelement, welches insbesondere mit der Sicherung in Reihe angeordnet ist.
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Gemäß wenigstens einer Ausführungsform enthält das wenigstens eine Schaltelement der Schaltvorrichtung ein für Niederspannung ausgelegtes Schaltelement, insbesondere einen Überlast- oder Motorschutzschalter und/oder ein Überlast- oder Motorschutzrelais und/oder ein Überlastrelais.
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Insbesondere ist gemäß dem verbesserten Konzept ein Laststufenschalter aufgrund der aufgeteilten Induktivitäten nicht erforderlich.
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Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist die erste induktive Komponente dauerhaft elektrisch mit der kapazitiven Komponente verbunden. Insbesondere ist nicht vorgesehen, die erste induktive Komponente entsprechend der zweiten induktiven Komponente zu überbrücken.
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Dadurch wird beispielsweise erreicht, dass transiente Ströme aus dem Energienetz gedämpft werden, unabhängig davon ob die zweite induktive Komponente überbrückt ist oder nicht. Die transienten Ströme können beispielweise durch einen Fehler im Energienetz oder eines an das Energienetz angeschlossenen Betriebsmittels entstehen oder durch Einschaltvorgänge von an das Energienetz angeschlossenen Betriebsmitteln.
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Gemäß wenigstens einer Ausführungsform weist das Energienetz mindestens zwei Phasen auf. Die Reihenschaltung mit der kapazitiven, der ersten induktiven und der zweiten induktiven Komponente stellt einen Strang der Filtervorrichtung oder einen Teil des Strangs dar, wobei der Strang über den Anschluss an eine erste Phase des Energienetzes anschließbar ist. Ein weiterer Strang der Filtervorrichtung, welcher beispielsweise analog oder gleich zu dem Strang aufgebaut ist, ist über einen weiteren Anschluss an eine zweite Phase des Energienetzes anschließbar. An jeweiligen, dem Anschluss beziehungsweise dem weiteren Anschluss abgewandten Enden der Stränge sind der Strang und der weitere Strang miteinander verbunden. Eine Verbindungsstelle des Strangs mit dem weiteren Strang wird als Sternpunkt der Filtervorrichtung bezeichnet. Die zweite induktive Komponente ist daher zwischen der kapazitiven Komponente und dem Sternpunkt angeordnet.
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Gemäß wenigstens einer Ausführungsform weist das Energienetz mindestens zwei Phasen auf. Die kapazitive Komponente und die erste und die zweite induktive Komponente sind über den Anschluss mit der ersten Phase verbindbar. Die Filtervorrichtung weist eine weitere kapazitive Komponente und eine mit der weiteren kapazitiven Komponente in Reihe geschaltete weitere erste induktive Komponente auf. Außerdem weist die Filtervorrichtung eine mit der weiteren kapazitiven Komponente und der weiteren ersten induktiven Komponente in Reihe schaltbare weitere zweite induktive Komponente auf. Die weitere kapazitive Komponente ist zwischen der weiteren ersten und der weiteren zweiten induktiven Komponente angeordnet.
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Gemäß wenigstens einer Ausführungsform weist das Energienetz drei oder mehr Phasen auf. Der Strang und der weitere Strang sind an die erste und die zweite Phase des Energienetzes anschließbar. Zudem enthält die Filtervorrichtung für eine dritte und gegebenenfalls für jede weitere Phase des Energienetzes jeweils einen zusätzlichen Strang, die an die dritte beziehungsweise die weiteren Phasen anschließbar sind. Die zusätzlichen Stränge sind beispielsweise analog oder gleich zu dem Strang ausgebildet. Der weitere Strang ist zwischen der zweiten Phase und dem Sternpunkt, die zusätzlichen Strängen jeweils zwischen der entsprechenden Phase und dem Sternpunkt angeordnet.
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Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist die kapazitive Komponente mit der zweiten induktiven Komponente durch eine Verbindung elektrisch verbunden. Die weitere kapazitive Komponente ist mit der weiteren zweiten induktiven Komponente durch eine weitere Verbindung elektrisch verbunden. Die Schaltvorrichtung ist dazu eingerichtet, die Verbindung mit der weiteren Verbindung elektrisch kurzzuschließen und/oder den Kurzschluss aufzuheben um die Resonanzfrequenz anzupassen.
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Dabei werden mit „Verbindungen“ Schaltungsabschnitte zwischen den entsprechenden Komponenten bezeichnet, nicht etwa ein spezifisches Bauteil oder ähnliches. Die Verbindungen können also durch einen elektrischen Leiter gebildet sein oder auch andere elektrische Bauelemente beinhalten.
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Durch das Kurzschließen der Verbindungen wird die zweite induktive Komponente und, bei analogem oder gleichem Aufbau des weiteren Strangs, auch eine weitere zweite induktive Komponente des weiteren Strangs, überbrückt, da der Strang und der weitere Strang im Sternpunkt verbunden sind. Effektiv wird also der Sternpunkt durch das Kurzschließen verschoben, nämlich zwischen die kapazitive Komponente und die zweite Induktive Komponente. Die zweite induktive Komponente wird damit effektiv aus der Reihenschaltung genommen. Dadurch wird die gesamte Induktivität der Filtervorrichtung verändert und seine Resonanzfrequenz entsprechend angepasst. Um den Kurzschluss der Verbindungen zu realisieren können Niederspannungsschaltelemente wie Relais, Überlastschalter oder dergleichen eingesetzt werden.
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Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist die Schaltvorrichtung dazu eingerichtet, eine erste Anschlussklemme der zweiten induktiven Komponente mit einer zweiten Anschlussklemme der zweiten induktiven Komponente kurzzuschließen, um die Resonanzfrequenz anzupassen. Durch das Kurzschließen der Verbindungen wird die zweite induktive Komponente überbrückt und effektiv aus der Reihenschaltung genommen. Dadurch wird die gesamte Induktivität der Filtervorrichtung verändert und seine Resonanzfrequenz entsprechend angepasst. Um den Kurzschluss zu realisieren können Niederspannungsschaltelemente wie Relais, Überlastschalter oder dergleichen eingesetzt werden.
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Gemäß wenigstens einer Ausführungsform enthält die erste induktive Komponente eine erste Drosselspule und die zweite induktive Komponente eine zweite Drosselspule. Die erste und die zweite Drosselspule weisen dabei keinen gemeinsamen Kern auf.
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Gemäß wenigstens einer Ausführungsform sind die erste und die zweite Spule als Luftspulen ausgeführt oder weisen jeweils einen eigenen, separaten Kern auf, wobei die Kerne magnetisch oder nichtmagnetisch ausgebildet sein können.
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Gemäß wenigstens einer Ausführungsform sind die erste und die zweite Spule jeweils als ungeregelte Drosselspulen ausgeführt, weisen also eine erste beziehungsweise eine zweite feste Windungszahl auf. Insbesondere entsprechen die Drosselspulen nicht Wicklungsteilen einer regelbaren Drosselspule mit mehreren Anzapfungen.
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Bei der Verwendung regelbarer Drosselspulen wäre zur unterbrechungsfreien Umschaltung beispielsweise ein Laststufenschalter erforderlich. Abgesehen von konstruktiven Schwierigkeiten aufgrund der Anordnung der induktiven Komponente und der kapazitiven Komponente gemäß dem verbesserten Konzept, wäre dies mit erhöhten Entwicklungs- und Bauteilkosten verbunden, welche nach dem verbesserten Konzept vermieden werden.
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Gemäß wenigstens einer Ausführungsform weist die Filtervorrichtung eine Messvorrichtung auf, die dazu eingerichtet ist, wenigstens eine Betriebsgröße der Filtervorrichtung oder des Energienetzes zu erfassen. Die Schaltvorrichtung ist dazu eingerichtet, die Anpassung der Resonanzfrequenz abhängig von der wenigstens einen erfassten Betriebsgröße durchzuführen.
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Gemäß wenigstens einer Ausführungsform enthält die wenigstens eine Betriebsgröße einen Filterstrom oder eine von dem Filterstrom abhängige Größe, einen RMS-Wert des Filterstroms, eine von einer Harmonischen des Filterstroms abhängige Größe, eine Filterspannung oder eine von der Filterspannung abhängige Größe, eine Filterleistung, eine Filtertemperatur, eine Amplitude einer Netzspannung oder eines Netzstroms des Energienetzes, eine von einer Harmonischen des Netzstroms oder der Netzspannung abhängige Größe und/oder einer Phasenbeziehung zwischen wenigstens zwei Netzspannungen oder wenigstens zwei Netzströmen des Energienetzes.
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Bei dem Filterstrom handelt es sich um einen Strom, der über eine Komponente der Filtervorrichtung fließt, beispielsweise die kapazitive Komponente oder eine der induktiven Komponenten. Bei der Filterspannung handelt es sich um eine Spannung, die über einer Komponente der Filtervorrichtung abfällt, beispielsweise der kapazitive Komponente oder einer der induktiven Komponenten. Bei der Filterleistung handelt es sich um ein Produkt aus Filterstrom und Filterspannung. Bei der Filtertemperatur handelt es sich um eine Temperatur, die an oder in einer Komponente der Filtervorrichtung oder in einer Umgebung davon gemessen wird.
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Gemäß wenigstens einer Ausführungsform erfolgt die Anpassung der Resonanzfrequenz abhängig von einer Strom-, Spannungs- und/oder Leistungsbelastung der Filtervorrichtung, welche basierend auf dem Filterstrom, der Filterspannung, der Filterleistung und/oder der Filtertemperatur bestimmt wird.
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Gemäß wenigstens einer Ausführungsform erfolgt die Anpassung der Resonanzfrequenz zur Frequenzverstimmung. Das bedeutet, die Resonanzfrequenz wird so angepasst, dass eine vorbestimmte Abstimmfrequenz nicht mit der Resonanzfrequenz zusammenfällt oder zu nahe an der Resonanzfrequenz liegt. Die Abstimmfrequenz ist dabei die Frequenz oder ein Frequenzbereich, der durch die Filtervorrichtung vorrangig gedämpft werden soll.
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Dadurch kann die Effektivität der Filtervorrichtung zwar verringert werden, jedoch wird die Filtervorrichtung vor einer Überlastung geschützt.
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Gemäß wenigstens einer Ausführungsform beinhaltet die Filtervorrichtung eine dritte induktive Komponente, welche mit der ersten und zweiten induktiven Komponente und der kapazitiven Komponente in Reihe schaltbar ist. Die Anordnung der dritten Komponente ist derart, dass die zweite induktive Komponente zwischen der kapazitiven Komponente und der dritten induktiven Komponente liegt. Mit anderen Worten, die dritte induktive Komponente liegt näher am Sternpunkt als die zweite induktive Komponente.
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Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist die Schaltvorrichtung dazu eingerichtet, die dritte induktive Komponente zu überbrücken um die Resonanzfrequenz anzupassen.
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Dadurch wird es möglich, die gesamte Induktivität der Filtervorrichtung und damit die Resonanzfrequenz in mehreren diskreten Stufen anzupassen. Damit kann flexibler auf die jeweiligen Gegebenheiten reagiert werden.
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Gemäß wenigstens einer Ausführungsform erfolgt das Überbrücken der dritten induktiven Komponente wie oben für das Überbrücken der zweiten induktiven Komponente beschrieben.
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Insbesondere kann das Überbrücken der dritten induktiven Komponente durch effektive Sternpunktverschiebung zwischen die zweite und die dritte induktive Komponente erfolgen.
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Alternativ kann das Überbrücken der dritten induktiven Komponente durch Kurzschließen einer ersten und einer zweiten Anschlussklemme der dritten induktiven Komponente erfolgen. Die zweite und die dritte induktive Komponente können dabei unabhängig voneinander überbrückt werden.
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Die Gesamtzahl der in Reihe schaltbaren induktiven Komponenten kann in verschiedenen Ausführungsformen größer als drei sein um die Anzahl der diskreten Stufen zu erhöhen.
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Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist eine Induktivität der zweiten induktiven Komponente verschieden von einer Induktivität der dritten induktiven Komponente.
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Dadurch können die diskreten Stufen an die jeweiligen Erfordernisse der konkreten Anwendung angepasst werden. Insbesondere bei Ausführungsformen, bei denen die Anschlussklemmen der zweiten und/oder dritten induktiven Komponente zur Anpassung der Resonanzfrequenz kurzgeschlossen werden, kann dadurch auch die Anzahl der verschiedenen erreichbaren diskreten Stufen erhöht werden.
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Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist eine Induktivität der ersten induktiven Komponente größer, insbesondere mindestens fünfmal so groß, beispielsweise mindestens zehnmal so groß, beispielsweise in etwa zwanzigmal so groß, als die Induktivität der zweiten induktiven Komponente.
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Gemäß wenigstens einer Ausführungsform ist die Induktivität der ersten induktiven Komponente größer, insbesondere mindestens fünfmal so groß, beispielsweise mindestens zehnmal so groß, als eine gesamte Induktivität aller induktiven Komponenten der Filtervorrichtung, die zwischen der kapazitiven Komponente und dem Sternpunkt in Reihe schaltbar sind.
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Dadurch wird erzielt, dass der höchste Spannungsabfall, beispielsweise mehrere kV, über der ersten induktiven Komponente auftritt. Über der zweiten induktiven Komponenten fällt dagegen eine geringere Spannung ab, beispielsweise im Bereich mehrerer 100 V. Tritt an den Anschlussklemmen der jeweiligen zweiten induktiven Komponenten nur ein geringer Spannungsunterschied zwischen verschiedenen Strängen der Filtervorrichtung und nur ein geringer Spannungsunterschied gegenüber einem Referenz- oder Erdpotential auf.
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Zusätzlich sorgt die hohe Induktivität der ersten induktiven Komponente für eine hohe Dämpfung eines Einschalt- oder Fehlerstroms, so dass die kapazitiven Komponenten der Filtervorrichtung geschützt werden.
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Gemäß dem verbesserten Konzept wird auch eine Verwendung einer Drosselanordnung zur Anpassung einer Resonanzfrequenz eines Filterkreises für ein Energienetz angegeben. Der Filterkreis enthält eine kapazitive Komponente, eine erste induktive Komponente und einen Anschluss, mittels welchem der Filterkreis das Energienetz anschließbar ist. Die Drosselanordnung enthält wenigstens eine zweite induktive Komponente. Gemäß der Verwendung der Drosselanordnung nach dem verbesserten Konzept wird die wenigstens eine zweite induktiven Komponente an den Filterkreis derart angeschlossen, dass die kapazitive Komponente zwischen der ersten und der zweiten induktiven Komponente angeordnet ist. Die zweite induktive Komponente kann überbrückt werden um die Resonanzfrequenz anzupassen.
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Gemäß wenigstens einer Ausgestaltung der Verwendung enthält die Drosselanordnung eine Schaltvorrichtung, die dazu eingerichtet ist, die zweite induktive Komponente zu überbrücken und/oder eine Überbrückung der zweiten induktiven Komponente aufzuheben um die Resonanzfrequenz anzupassen.
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Wird die Drosselanordnung an den Filterkreis angeschlossen, wird dadurch eine Filtervorrichtung gemäß dem verbesserten Konzept erzeugt.
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Auf diese Weise ist es durch eine Verwendung gemäß dem verbesserten Konzept möglich, konventionelle Filterkreise, welche eine Reihenschaltung aus der ersten induktiven und der kapazitiven Komponente beinhalten, nachzurüsten um somit eine Filtervorrichtung gemäß dem verbesserten Konzept mit allen damit verbundenen Vorteilen nachträglich zu erhalten. Dies bietet den Vorteil, das bestehende Filterkreise im Bedarfsfall entlastet werden können, ohne den Filterkreis vollständig zu ersetzen.
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Weitere Ausgestaltungsformen und Implementierungen der Verwendung ergeben sich unmittelbar aus den verschiedenen Ausgestaltungsformen der Filtervorrichtung. Insbesondere können einzelne oder mehrere der bezüglich der Filtervorrichtung beschriebene Komponenten und/oder Anordnungen für die Verwendung nach dem verbesserten Konzept entsprechend implementiert sein, insbesondere in der Drosselanordnung.
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Gemäß dem verbesserten Konzept wird auch ein Verfahren zum Betrieb einer Filtervorrichtung angegeben. Bei der Filtervorrichtung handelt es sich um eine Filtervorrichtung nach dem verbesserten Konzept. Das Verfahren beinhaltet es, die zweite induktive Komponente zu überbrücken um eine Resonanzfrequenz der Filtervorrichtung anzupassen.
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Gemäß wenigstens einer Ausgestaltung beinhaltet es das Verfahren, wenigstens eine Betriebsgröße der Filtervorrichtung oder des Energienetzes zu erfassen und die Resonanzfrequenz abhängig von der wenigstens einen erfassten Betriebsgröße anzupassen.
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Weitere Ausgestaltungsformen und Implementierungen des Verfahrens ergeben sich unmittelbar aus den verschiedenen Ausgestaltungsformen der Filtervorrichtung. Insbesondere können einzelne oder mehrere der bezüglich der Filtervorrichtung beschriebenen Komponenten und/oder Anordnungen zur Durchführung des Verfahrens entsprechend implementiert sein.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand beispielhafter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im Detail erklärt. Komponenten, die identisch oder funktionell identisch sind oder einen identischen Effekt haben, können mit identischen Bezugszeichen versehen sein. Identische Komponenten oder Komponenten mit identischer Funktion sind unter Umständen nur bezüglich der Figur erklärt, in der sie zuerst erscheinen. Die Erklärung wird nicht notwendigerweise in den darauffolgenden Figuren wiederholt.
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Es zeigen
- 1 eine Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform einer Filtervorrichtung nach dem verbesserten Konzept; und
- 2 eine Darstellung einer weiteren beispielhaften Ausführungsform einer Filtervorrichtung nach dem verbesserten Konzept.
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In 1 ist eine beispielhafte Ausführungsform einer Filtervorrichtung für ein Energienetz nach dem verbesserten Konzept dargestellt. Das Energienetz hat beispielhaft drei Phasen P1, P2, P3. Analoge Ausführungsformen der gezeigten Filtervorrichtung können aber entsprechend für Energienetze mit zwei Phasen oder mehr als drei Phasen eingesetzt werden.
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Die Filtervorrichtung enthält einen Strang für jede Phase. Ein erster Strang enthält eine Reihenschaltung mit einem Anschluss, einer ersten Drosselspule L1, einem Kondensator C und einer zweiten Drosselspule L2, die in der genannten Reihenfolge angeordnet sind. Über den Anschluss kann der erste Strang an die erste Phase P1 angeschlossen werden. Die beiden weiteren Stränge mit weiteren Komponenten L1`, C', L2' beziehungsweise L1", C", L2" sind gleich zum ersten Strang aufgebaut. Alle Stränge der Filtervorrichtung sind an jeweiligen den Anschlüssen gegenüberliegenden Enden an einem Sternpunkt SP miteinander verbunden oder mit einem gemeinsamen Sternpunktpotential verbunden.
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Die Anschlüsse enthalten beispielsweise je ein Hauptschaltelement S1, S1`, S1", mittels denen der jeweilige Strang an das Energienetz P1, P2, P3 angeschlossen oder davon getrennt werden kann. Optional enthalten die Anschlüsse je eine Sicherung F, F', F", welche zwischen der jeweiligen Phase P1, P2, P3 des Energienetzes und dem jeweiligen Hauptschaltelement S1, S1`, S1" angeordnet sind.
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Die Filtervorrichtung kann in jedem Strang weitere mit der zweiten induktiven Komponente L2 in Reihe geschaltete induktive Komponenten aufweisen. Beispielhaft sind in 1 n-te induktive Komponenten Ln, Ln`, Ln" dargestellt, wobei gilt n >= 1. Die Möglichkeit weiterer induktiver Komponenten ist schematisch durch gepunktete Linien in den Strängen dargestellt. Die n-ten induktiven Komponenten Ln, Ln`, Ln" und alle gegebenenfalls durch die gepunkteten Linien dargestellten induktiven Komponenten sind optional.
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Die Filtervorrichtung enthält außerdem eine Steuervorrichtung SV, welche Schaltelemente S2 umfasst, die den zweiten induktiven Komponenten L2, L2', L2" zugeordnet sind. In Ausführungsformen, die die n-ten induktiven Komponenten Ln, Ln`, Ln" enthalten, weist die Schaltvorrichtung SV entsprechend zugeordnete n-te Schaltelemente Sn auf.
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Optional enthält die Filtervorrichtung eine Messvorrichtung M, welche wenigstens eine Betriebsgröße der Filtervorrichtung, beispielsweise einen Filterstrom, eine Filterspannung, eine Filterleistung und/oder eine Filtertemperatur erfassen kann und mit der Schaltvorrichtung SV in kommunikativer Verbindung steht.
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Im Folgenden wird der Betrieb der Filtervorrichtung vorrangig am Beispiel des ersten Stranges, also des an die erste Phase P1 anschließbaren Stranges, erläutert. Analoges gilt aber ebenso für alle anderen Stränge beziehungsweise Phasen. Insbesondere werden die Hauptschaltelemente S1, S1`, S1" gleichzeitig betätigt, die Schaltelemente S2 gleichzeitig betätigt und gegebenenfalls die Schaltelemente Sn gleichzeitig betätigt. Ebenso wird auf die zweite und die n-te induktive Komponente und die zugeordneten Schaltelemente S2, Sn Bezug genommen. Die Erläuterungen gelten jedoch analog auch für Ausführungsformen, welche weitere induktive Komponenten enthalten oder die n-ten induktiven Komponenten Ln, Ln`, Ln" nicht enthalten.
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Das Hauptschaltelement S1 ist im Normalbetrieb geschlossen, so dass der erste Strang mit der ersten Phase P1 verbunden ist. Das Hauptschaltelement S1 kann dabei von der Schaltvorrichtung SV oder einer anderen Steuereinheit (nicht gezeigt) gesteuert werden.
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Eine Induktivität der ersten induktiven Komponente L1 und eine Kapazität der kapazitiven Komponente C sind beispielsweise derart dimensioniert, dass die Resonanzfrequenz eines Saugkreises aus ebendiesen Komponenten L1, C (~[L1*C]-1/2) einer vorbestimmten Abstimmfrequenz entspricht oder näherungsweise entspricht. Die Abstimmfrequenz stellt dabei eine Frequenz oder einen Frequenzbereich von Schwingungsanteilen in dem Energienetz dar, welche durch die Filtervorrichtung gedämpft, also unterdrückt, beseitigt oder herausgefiltert werden sollen. Dabei kann es sich beispielsweise um unerwünschte Oberschwingungsanteile und/oder Verzerrungen handeln.
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Die Schaltelemente S2 sind im Normalbetrieb beispielsweise geschlossen, so dass die Stränge zwischen den jeweiligen kapazitiven Komponenten C, C', C" und den jeweiligen zweiten induktiven Komponenten L2, L2', L2" miteinander verbunden sind. Effektiv wird der Sternpunkt dadurch an die Verbindungsstelle verschoben. Dadurch werden die zweiten induktiven Komponenten L2, L2', L2" überbrückt, so dass kein Strom über diese fließt. Dasselbe gilt für die n-ten induktiven Komponenten Ln, Ln`, Ln", wobei es bei geschlossenen S2 unerheblich ist, ob die Sn geschlossen oder geöffnet sind. Eine Gesamtinduktivität des ersten Stranges entspricht also der Induktivität der ersten induktiven Komponente L1 und die Resonanzfrequenz wenigstens näherungsweise der Abstimmfrequenz.
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Soll die Resonanzfrequenz verändert werden, soll also die Filtervorrichtung gegenüber der Abstimmfrequenz verstimmt werden, kann die Schaltvorrichtung SV die Schaltelemente S2 öffnen, und die Schaltelemente Sn schließen beziehungsweise geschlossen halten. Dadurch wird der Sternpunkt effektiv zwischen die zweite und n-te induktive Komponente L2, Ln verschoben. Über die n-te induktive Komponente Ln fließt nach wie vor kein Strom, da diese überbrückt bleibt, während die Überbrückung der zweiten induktiven Komponente L2 aufgehoben wird. Die Gesamtinduktivität des ersten Stranges ist nun gegeben durch die Summe der Induktivitäten der ersten und zweiten induktiven Komponente L1, L2. Die Resonanzfrequenz wird dadurch erniedrigt im Vergleich zu vorherigen Fall.
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Soll die Resonanzfrequenz weiter verändert werden, kann die Schaltvorrichtung SV zusätzlich die Schaltmittel Sn öffnen. Die Gesamtinduktivität des ersten Stranges ist dann gegeben durch die Summe der Induktivitäten der ersten, der zweiten und der n-ten induktiven Komponente L1, L2, Ln.
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In alternativen Ausführungsformen können die induktiven Komponenten L1, L2, Ln derart dimensioniert sein, dass die Gesamtinduktivität des ersten Stranges bei geöffneten Schaltelementen S2, Sn, also die Summe der Induktivitäten der ersten, der zweiten und der n-ten induktiven Komponente L1, L2, Ln, der Abstimmfrequenz entspricht oder näherungsweise entspricht. Im Normalbetrieb sind die Schaltelemente S2 und Sn dann beide geöffnet. Die Verstimmung des Filterkreises kann dann in umgekehrter Weise wie oben beschrieben erzielt werden, nämlich indem die Schaltelemente Sn geschlossen werden und die Schaltelemente S2 geöffnet werden oder bleiben. Für eine weitere Verstimmung können dann zusätzlich die Schaltelemente S2 geschlossen werden.
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Gründe dafür, die Filtervorrichtung zu verstimmen, also die Resonanzfrequenz anzupassen, können verschiedene sein. Beispielsweise kann die von der optionalen Messvorrichtung M erfasste wenigstens eine Betriebsgröße mit entsprechenden Grenzwerten verglichen werden um zu bestimmen, ob eine Belastung des Filterkreises ein akzeptables Maß überschreitet. Durch die Verstimmung des Filterkreises kann dann beispielsweise die Leistungsaufnahme und damit die Belastung der Filtervorrichtung reduziert werden.
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In 2 ist eine weitere beispielhafte Ausführungsform einer Filtervorrichtung für ein Energienetz nach dem verbesserten Konzept dargestellt.
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Die Stränge der Filteranordnung sind aufgebaut wie in der bezüglich 1 beschriebenen Ausführungsform. Die Schaltvorrichtung SV, insbesondere die Schaltelemente S2, Sn sind jedoch hier anders mit den Strängen verbunden und unterscheiden sich entsprechend in ihrer Funktion von denen aus 1.
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Sind alle Schaltelemente S2 und Sn geöffnet, ist die Verschaltung der induktiven und kapazitiven Komponenten identisch zu der Verschaltung gemäß 1 bei geöffneten Schaltelemente S2, Sn.
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Werden in einer Ausführung wie in 2 die Schaltelemente S2 geschlossen, wird jedoch die zweite induktive Komponente L2 überbrückt indem eine erste und eine zweite Anschlussklemme der zweiten induktiven Komponente L2 kurzgeschlossen, werden. Dadurch fließt wiederum kein Strom über die zweite induktive Komponente L2. Dasselbe gilt für die n-te induktive Komponente Ln wenn die n-ten Schaltelemente geschlossen werden um dadurch eine erste und zweite Anschlussklemme der n-ten induktiven Komponente Ln kurzzuschließen.
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In einer solchen Ausführungsform können jedoch die zweite und die n-te induktive Komponente unabhängig voneinander überbrückt werden. Sofern die Induktivitäten der zweiten und der n-ten induktiven Komponente nicht gleich groß sind, ergibt sich dadurch eine größere Vielzahl von einstellbaren Gesamtinduktivitäten. Während nach 1 drei elektrisch verschiedene Schaltungen möglich sind (1.: L2 und Ln überbrückt, 2.: Ln überbrückt und L2 nicht überbrückt, 3.: L2 und Ln nicht überbrückt) ist nach 2 eine vierte Schaltung möglich (4.: L2 überbrückt und Ln nicht überbrückt). Entsprechendes gilt für zusätzliche induktive Komponenten.
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Alternative Ausführungsformen ergeben sich aus der Filtervorrichtung der 2, wenn der Sternpunkt SP nicht direkt mit den n-ten Schaltelementen verbunden ist. In solchen Ausführungsformen kann die zweite induktive Komponente L2 überbrückt werden wie bezüglich 2 beschrieben, während die n-te induktive Komponente überbrückt werden kann wie bezüglich 1 beschrieben. Die Anzahl der möglichen Verschaltungen bleibt unverändert zu der Filtervorrichtung aus 2. Außerdem können solche Ausführungsformen auch für einphasige Energienetze eingesetzt werden.
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Mittels einer Filtervorrichtung, einer Verwendung oder einem Verfahren nach dem verbesserten Konzept sind die Anforderungen an die Schaltelemente zur Verstimmung der Resonanzfrequenz, insbesondere hinsichtlich Spannungs- und/oder Stromfestigkeit, geringer als bei anderen Konzepten. Dies wird im Wesentlichen erreicht durch die Aufteilung der induktiven Komponenten in die erste induktive Komponente netzseitig zur kapazitiven Komponente und die zweite induktive Komponente im Sternpunkt. Besonders für Filtervorrichtung für Mittel- oder Hochspannungsnetze kann damit durch den Einsatz von Niederspannungsschaltelementen eine signifikante Kosteneinsparung erreicht werden. Weiterhin erlaubt das verbesserte Konzept eine Nachrüstung bestehender Filterkreise mit einer Drosselanordnung um eine Filtervorrichtung nach dem verbesserten Konzept zu erhalten.
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Bezugszeichen
- P1, P2, P3
- Phasen
- F, F', F"
- Sicherungen
- S1, S1`, S1"
- Hauptschaltelemente
- S2, S2', S2"
- Schaltelemente
- Sn, Sn', Sn" SV
- Schaltvorrichtung
- L1, L1`, L1" L2, L2', L2" Ln, Ln', Ln"
- induktive Komponenten
- C, C`, C"
- kapazitive Komponenten
- M
- Messvorrichtung
