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Die Erfindung betrifft eine Gleichstrom-Filtervorrichtung und eine Anordnung mit einer solchen Gleichstrom-Filtervorrichtung.
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Die
DE 10 2016 220 466 A1 zeigt ein Fahrzeugbordnetz mit drei Bordnetzzweigen, die EMV-Filterschaltungen und unterschiedliche Energiequellen aufweisen. Ein mehrphasiger DC/DC-Wandler verbindet unterschiedliche Bordnetzzweige.
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Die
US 2011 /0254494 A1 , die
US 2012/0112528 A1 , die
WO 2017/153366 A1 und die
WO 2018/033377 A1 zeigen Fahrzeugbordnetze mit EMV-Filtern.
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Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine neue Gleichstrom-Filtervorrichtung und eine Anordnung mit einer solchen Gleichstrom-Filtervorrichtung bereit zu stellen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand des Anspruchs 1.
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Eine Gleichstrom-Filtervorrichtung hat einen ersten Filtervorrichtungsanschluss, einen zweiten Filtervorrichtungsanschluss, einen dritten Filtervorrichtungsanschluss, einen vierten Filtervorrichtungsanschluss und einen Spulenkern, bei welcher Gleichstrom-Filtervorrichtung mindestens eine erste Spule auf dem Spulenkern angeordnet und zwischen dem ersten Anschluss und dem dritten Anschluss verschaltet ist, bei welcher Gleichstrom-Filtervorrichtung mindestens eine zweite Spule auf dem Spulenkern angeordnet und zwischen dem zweiten Anschluss und dem vierten Anschluss verschaltet ist, bei welcher Gleichstrom-Filtervorrichtung eine dritte Spule auf dem Spulenkern angeordnet ist, welche dritte Spule einen ersten Spulenanschluss und einen zweiten Spulenanschluss aufweist, und welcher erste Spulenanschluss und zweite Spulenanschluss über eine Schaltungsvorrichtung miteinander verbunden sind, welche Schaltungsvorrichtung einen Widerstand aufweist. Über die dritte Spule mit der Schaltungsvorrichtung wird die Übertragungsfunktion der Gleichstrom-Filtervorrichtung beeinflusst. Diese Beeinflussung der Übertragungsfunktion ermöglicht beispielsweise eine Reduzierung oder Vermeidung von Schwingungen beim Einspeisen eines Kompensationsstroms in eine Gesamtanordnung.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Widerstand als SMD-Bauteil ausgebildet. Die Ausbildung als SMD-Bauteil ermöglicht eine platzsparende Bauweise und ist in Kombination mit der dritten Spule außergewöhnlich.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Schaltungsvorrichtung eine vierte Spule auf, welche mit dem Widerstand in Reihe geschaltet ist. Die vierte Spule ist im Hinblick auf die Übertragungsfunktion der Gleichstrom-Filtervorrichtung insbesondere für den Bereich höherer Frequenzen vorteilhaft.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die vierte Spule als SMD-Bauteil ausgebildet. Derartige SMD-Bauteile haben sich insbesondere bei höheren Frequenzen vorteilhaft gegenüber größeren Spulen erwiesen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform hat die vierte Spule einen Spulenkern aus nanokristallinem Material. Derartige Spulen haben sich in den hohen Frequenzbereichen auf Grund Ihrer vergleichsweise relativ hohen Induktivität als vorteilhaft erwiesen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind der dritte Filtervorrichtungsanschluss und der vierte Filtervorrichtungsanschluss jeweils über einen zugeordneten Kondensator mit einem Schutzleiteranschluss verbunden. Die Kondensatoren ermöglichen eine gute Reduzierung elektromagnetischer Störungen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind mindestens zwei erste Spulen auf dem Spulenkern angeordnet und zwischen dem ersten Anschluss und dem dritten Anschluss verschaltet, und mindestens zwei zweite Spulen sind auf dem Spulenkern angeordnet und zwischen dem zweiten Anschluss und dem vierten Anschluss verschaltet. Durch die Doppelspulen kann auf dem Spulenkern eine gute Filterwirkung erzielt werden.
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Die Erfindung wird gelöst durch den Gegenstand des Anspruchs 8.
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Die Anordnung weist eine Wechselstrom-Filtervorrichtung, einen AC/DC-Wandler und eine solche Gleichstrom-Filtervorrichtung auf, welche Wechselstrom-Filtervorrichtung auf der Wechselstromseite des AC/DC-Wandlers vorgesehen ist und welche Gleichstrom-Filtervorrichtung auf der Gleichstromseite des AC/DC-Wandlers angeordnet ist. Eine solche Anordnung ermöglicht eine gute elektromagnetische Verträglichkeit.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Anordnung eine Kompensationsvorrichtung zur Kompensation von Ableitströmen auf, welche Kompensationsvorrichtung dazu ausgebildet ist, einen Kompensationsstrom zwischen einem Schutzleiteranschluss und einem vorgegebenen Einkopplungspunkt der Anordnung zu erzeugen. Durch die Kompensationsvorrichtung wird die Gefahr des Auslösens eines Fehlerstrom-Schutzschalters verringert.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der vorgegebene Einkopplungspunkt zwischen der Wechselstrom-Filtervorrichtung und der Gleichstrom-Filtervorrichtung vorgesehen. Die Einkopplung an dieser Stelle erleichtert die Kompensation.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der vorgegebene Einkopplungspunkt zwischen der Wechselstrom-Filtervorrichtung und dem AC/DC-Wandler vorgesehen, in diesem Bereich kann eine Einkopplung im Wechselstromteil erfolgen, und der Einkopplungspunkt ist vor Störeinflüssen aus dem Versorgungsnetz geschützt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Kompensationsvorrichtung einen Stromregler zur Regelung des Kompensationsstroms auf einen Sollwert auf. Der Stromregler ermöglicht eine genaue Einspeisung des Kompensationsstroms, und die Wechselstrom-Filtervorrichtung ist besonders gut zur Verringerung von ungewollten Schwingungen bei Verwendung von Stromreglern geeignet.
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Die Erfindung wird gelöst durch den Gegenstand des Anspruchs 13.
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Ein Bordnetz hat eine solche Anordnung. Für Bordnetze ist die Anordnung besonders gut geeignet, und ein solches Bordnetz verhält sich beispielsweise an Ladesäulen zuverlässig und störungsarm.
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Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen und in den Zeichnungen dargestellten, in keiner Weise als Einschränkung der Erfindung zu verstehenden Ausführungsbeispielen sowie aus den Unteransprüchen. Es zeigt
- 1 in einer schematischen Darstellung eine Anordnung und ein Versorgungsnetz,
- 2 eine Wechselstrom-Filtervorrichtung der Anordnung von 1,
- 3 eine Gleichstrom-Filtervorrichtung der Anordnung von 1,
- 4 eine Potenzialerzeugungsvorrichtung der Anordnung von 1,
- 5 eine Kompensationsvorrichtung von 1,
- 6 einen Kompensationsstrom mit unerwünschten Schwingungen,
- 7 den Amplitudengang eines ersten Ausführungsbeispiels mehrerer Übertragungsfunktionen,
- 8 den Amplitudengang eines zweiten Ausführungsbeispiels mehrerer Übertragungsfunktionen,
- 9 den Phasengang des ersten Ausführungsbeispiels von 7, und
- 10 den Phasengang des zweiten Ausführungsbeispiels von 8.
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Im Folgenden sind gleiche oder gleichwirkende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden üblicherweise nur einmal beschrieben. Die Beschreibung ist figurenübergreifend aufeinander aufbauend, um unnötige Wiederholungen zu vermeiden.
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1 zeigt eine Anordnung 20, welche bspw. Teil eines Bordnetzes eines Fahrzeugs ist. Die Anordnung 20 ist an ein Versorgungsnetz 10 angeschlossen. Das Versorgungsnetz 10 ist beispielhaft als US-split-phase ausgebildet und hat eine erste Wechselspannungsquelle 11, welche über einen Punkt 13 mit einer zweiten Wechselspannungsquelle 12 verbunden ist. Die Wechselspannungsquelle 11 stellt einen Anschluss HOT1 zur Verfügung, und die Wechselspannungsquelle 12 einen Anschluss HOT2. Der Punkt 13 ist über einen Widerstand 14 mit einem Schutzleiteranschluss PE verbunden. Der Widerstand 14 charakterisiert den Widerstand der entsprechenden Leitung zum Punkt 13 und liegt üblicherweise in der Größenordnung von wenigen Ohm.
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Die Anordnung 20 hat einen ersten Anschluss 21, einen zweiten Anschluss 22 und einen Anschluss 25. Der Anschluss 21 ist über eine Leitung 51A mit einer Wechselstrom-Filtervorrichtung 31 verbunden, und der Anschluss 22 ist über eine Leitung 52A mit der Wechselstrom-Filtervorrichtung 31 verbunden. Der Anschluss 25 ist mit einem Schutzleiteranschluss 99 verbunden, der in der gesamten Anordnung 20 verwendbar ist.
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Die Wechselstrom-Filtervorrichtung 31 ist über eine Leitung 51B und eine Leitung 52B mit einer Vorrichtung 36 verbunden, und die Vorrichtung 36 ist über eine Leitung 51C und eine Leitung 52C mit der Wechselstromseite eines AC/DC-Wandlers 32 verbunden. Der AC/DC-Wandler 32 ist über eine Leitung 61A und eine Leitung 62A mit einer Gleichstrom-Filtervorrichtung 33 verbunden. Die Leitung 61A ist bspw. die Plus-Leitung, und die Leitung 62A ist die Minus-Leitung. Die Gleichstrom-Filteranordnung 33 ist mit dem Schutzleiteranschluss 99 verbunden und über eine Leitung 61B und eine Leitung 62B mit einer Vorrichtung 34 verbunden, die bspw. ein Bordnetz, eine Traktionsbatterie oder ein Verbraucher ist. Die Leitungen 61B und 62B können auch als HV+ und HVbezeichnet werden, wobei HV für Hochvolt steht.
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Die Vorrichtung 36 stellt einen Einkopplungspunkt 37 bereit. Der Einkopplungspunkt 37 ist über eine Leitung 38 mit einer Kompensationsvorrichtung 39 verbunden, und die Kompensationsvorrichtung 39 ist mit dem Schutzleiteranschluss 99 verbunden.
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Beispielhaft ist eine Summenstrommessanordnung 352 vorgesehen, welche auf der AC-Seite des AC/DC-Wandlers 32 den über die Leitungen 51C und 52C fließenden Strom misst, der - bei Abwesenheit von Ableitströmen - in der Summe 0 ist und im Falle von Ableitströmen ungleich Null sein kann. Die Summenstrommessanordnung 352 ist im Ausführungsbeispiel als Spule um die aktiven Leiter 51C, 52C bzw. bei mehrphasiger Stromversorgung um alle aktiven Leiter herum ausgebildet. Die Summenstrommessanordnung 352 kann aber auch mehrere Einzelmessanordnungen um die einzelnen aktiven Leiter herum umfassen, wobei die Summe rechnerische ermittelt wird. Die Summenstrommessanordnung 352 liefert eine durch die Ströme durch die Leiter 51C, 52C induzierte Spannung, die in einer Summenstromauswertevorrichtung 35 in ein den Summenstrom und damit die Ableitströme (in der Summe) charakterisierendes Signal umgesetzt wird, welches über eine Leitung 351 der Kompensationsvorrichtung 39 zugeführt wird. Die Einspeisung des Kompensationsstroms am Einkopplungspunkt 37 kann als Regelung (Berücksichtigung des eingespeisten Kompensationsstroms) oder als Steuerung (keine Berücksichtigung) erfolgen. Dies ist davon abhängig, ob die Messung der Ableitströme vor oder hinter der Einspeisung erfolgt.
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Das Versorgungsnetz vom Typ US-split-phase ist ein Einphasen-Dreileiternetz. Die Spannungsquelle 11 stellt üblicherweise am Anschluss HOT1 eine Wechselspannung mit einer Amplitude von 120 Volt bereit, und die Wechselspannungsquelle 12 stellt am Anschluss HOT2 eine um 180 Grad zur Phase HOT1 phasenverschobene Phase HOT2 bereit. Die Wechselstrom-Filtervorrichtung 31 dient zur Reduzierung der Störungen und damit zur Verbesserung der EMV. Die Phasen HOT1 und HOT2 werden über die Leitungen 51C und 52C dem AC/DC-Wandler 32 zugeführt, und dieser führt eine Gleichrichtung durch. Die Gleichstromseite des AC/DC-Wandlers 32 wird auch als Gleichstromzwischenkreis oder Gleichspannungszwischenkreis oder allgemein als Zwischenkreis bezeichnet. Über die Gleichstrom-Filtervorrichtung 33 erfolgt erneut eine Reduzierung von Störspannungen bzw. Störsignalen, und anschließend wird die Gleichspannung über die Leitungen 61B und 62B der Vorrichtung 34 zugeführt.
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Die Wechselstrom-Filtervorrichtung 31 und die Gleichstrom-Filtervorrichtung 33 wirken in beide Richtungen.
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Der AC/DC-Wandler 32 kann auch bidirektional ausgeführt sein, und er ermöglicht somit auch eine Übertragung von Energie aus der Vorrichtung 34 zur Wechselstromseite des AC/DC-Wandlers 32.
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Im Idealfall fließen Ströme nur zwischen den Phasenanschlüssen HOT1 und HOT2, also in den aktiven Leitern. In der Praxis treten jedoch fast immer Ableitströme auf. Ableitströme sind Ströme, welche von den Phasen HOT1 und/oder HOT2 zum Schutzleiteranschluss PE fließen. Solche Ableitströme treten bspw. aufgrund von Kondensatoren auf, welche als Filterkondensatoren in der Wechselstrom-Filtervorrichtung 31 und/oder der Gleichstrom-Filtervorrichtung 33 vorgesehen und zwischen einem der Aktivleiter und dem Schutzleiteranschluss 99 verschaltet sind. Die Ableitströme werden bspw. in einem Fehlerstrom-Schutzschalter des Versorgungsnetzes 10 erfasst und können zu einem Auslösen des Fehlerstrom-Schutzschalters führen. Daher ist die Kompensationsvorrichtung 39 vorgesehen, um die Ableitströme zu kompensieren. Dies erfolgt bspw. durch Messung der Ableitströme und durch Erzeugung eines entsprechenden Signals, welches die Erzeugung eines Kompensationsstroms I_C ermöglicht.
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2 zeigt in schematischer Darstellung ein Ausführungsbeispiel der Wechselstrom-Filtervorrichtung 31 von 1. Die Wechselstrom-Filtervorrichtung 31 ist einerseits mit den Leitungen 51A und 52A verbunden, und andererseits mit den Leitungen 51B und 52B. Zwischen den Leitungen 51A und 51B sind zwei über eine Leitung 316 in Reihe geschaltete Induktivitäten 311, 312 vorgesehen. Zwischen den Leitungen 52A und 52B sind zwei über eine Leitung 317 in Reihe geschaltete Induktivitäten 313, 314 vorgesehen. Bevorzugt ist eine Spulenkern 318 vorgesehen, auf welchem die als Spulen ausgebildeten Induktivitäten 311, 312, 313 und 314 vorgesehen sind. Die Spulen können auch als Drosseln bezeichnet werden. Der Spulenkern 318 ist bspw. ein Ferritkern, und er kann einen ringförmigen Verlauf haben. Hierbei bedeutet ringförmig, dass der Spulenkern 318 eine innere Öffnung hat, und der Spulenkern 318 muss nicht kreisförmig ausgebildet sein. Er kann bspw. auch rechteckförmig ausgebildet sein.
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Sofern ein mehrphasiges Versorgungsnetz 10 verwendet wird, müssen für die zusätzlichen aktiven Leiter weitere Pfade mit Induktivitäten vorgesehen werden.
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Das Ausführungsbeispiel ist vereinfacht dargestellt, und die üblicherweise vorgesehenen X-Kondensatoren und Y-Kondensatoren zur Filterung sind nicht dargestellt.
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3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Gleichstrom-Filtervorrichtung 33. Die Leitung 61A ist über zwei in Reihe geschaltete Spulen (Induktivitäten) 331, 332 mit der Leitung 61B verbunden. Die Leitung 62A ist über zwei in Reihe geschaltete Spulen (Induktivitäten) 333, 334 mit der Leitung 62B verbunden. Die Leitung 61B ist über eine Leitung 340 mit einem Kondensator 341 verbunden, und die Leitung 62B ist über eine Leitung 343 mit einem Kondensator 344 verbunden. Die Kondensatoren 341, 344 sind mit einem Punkt 342 verbunden, und der Punkt 342 ist über einen Widerstand 345 mit dem Schutzleiteranschluss 99 verbunden. Die Kondensatoren 341, 344 wirken als Y-Kondensatoren zur Unterdrückung von Gleichtaktstörungen.
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Die bisher beschriebenen Bauelemente der Gleichstrom-Filtervorrichtung 33 bilden eine mögliche Ausführungsform einer solchen Gleichstrom-Filtervorrichtung zur Verbesserung der EMV.
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Die Gleichstrom-Filtervorrichtung 33 hat zusätzlich eine Spule 335 mit einem ersten Spulenanschluss 335A und einem zweiten Spulenanschluss 335B. Der erste Spulenanschluss 335A und der zweite Spulenanschluss 335B sind über eine Schaltungsvorrichtung 336 miteinander verbunden. Die Schaltungsvorrichtung 336 weist eine Widerstand 338 auf, welcher zu einer Dämpfung des Stroms durch die Schaltungsvorrichtung 336 führt. Zusätzlich weist die Schaltungsvorrichtung 336 bevorzugt eine Spule 337 auf, welche mit dem Widerstand 338 in Reihe geschaltet ist.
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Bevorzugt ist ein Spulenkern 330 vorgesehen, auf dem die Spulen 331, 332, 333, 334 und 335 angeordnet sind. Der Spulenkern 330 kann beispielsweise ringförmig (z.B. mit runder oder eckiger Grundform) oder stabförmig sein. Der gemeinsame Spulenkern 330 ermöglicht eine vorteilhafte Wechselwirkung zwischen den Spulen und eine gute Ankopplung der Spule 335 an den Common Mode.
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Die Spule 335 mit der Schaltungsvorrichtung 336 führt zu einer Beeinflussung der Übertragungsfunktion der Gleichstrom-Filtervorrichtung 33.
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Die Schaltungsvorrichtung 336 ist bevorzugt mit dem Schutzleiteranschluss 99 verbunden. Diese Verbindung führt zu einer Änderung der kapazitiven Eigenschaft der Schaltungsvorrichtung 336. Die Verbindung mit dem Schutzleiteranschluss 99 kann auch entfallen, sie ist also optional und kann in Abhängigkeit davon gewählt werden, welche Version die bessere Dämpfung ermöglicht.
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Es folgen beispielhaft Bauteilwerte:
- Widerstand 338: 100 Ohm oder 120 Ohm oder 39 Ohm
- Spulen 331, 332, 333, 334, 335: 200 µH bei 10 kHz oder 220 µH bei 10 kHz
- Spule 337: 1,0 mH bei 1 kHz oder 0,8 mH bei 1 kHz oder 6,4 mH bei 10 kHz.
- Kondensatoren 341, 344: 680 nF oder 750 nF
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Für den Spulenkern 330 hat sich nanokristallines Material als vorteilhaft erwiesen. Spulen mit einem solchen Spulenkern 330 haben insbesondere bei hohen Frequenzen von beispielsweise 100 kHz im vorliegenden Anwendungsfall gut geeignete Induktivitäten. Der Spulenkern 330 kann in einer alternativen Ausführungsform ein Ferrit-Material aufweisen.
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4 zeigt eine Potenzialerzeugungsvorrichtung 36 zur Bereitstellung des Einkopplungspunkts 37. Die Leitung 51B ist über einen Kondensator 361, einen Punkt 363 und einen Kondensator 362 mit der Leitung 52B verbunden. Der Punkt 363 ist über einen Widerstand 364 mit der Leitung 51B und über einen Widerstand 365 mit der Leitung 52B verbunden. Die Leitung 51B ist über einen Widerstand 366 mit der Leitung 51C verbunden. Die Leitung 52B ist über einen Widerstand 367 mit der Leitung 52C verbunden. Der Punkt 363 ist mit dem Einkopplungspunkt 37 verbunden.
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Da die Phasen HOT1 und HOT2 an den Leitungen 51B und 52B gegenphasig sind, ergibt sich über den Kondensatorteiler 361, 362 und über den Widerstandteiler 364, 365 ein niedriges Potenzial am Einkopplungspunkt 37. In der Theorie sollte das Potenzial am Einkopplungspunkt 37 null Volt betragen, in der Praxis weicht es üblicherweise zumindest leicht davon ab. Es ist jedoch deutlich niedriger als das Potenzial an den Leitungen 51B und 52B. Dies ist vorteilhaft, da hierdurch das Einprägen eines Stroms zwischen dem Schutzleiteranschluss 99 und dem Einkopplungspunkt 37 vereinfacht ist.
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In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Widerstände 364, 365 als steuerbare Widerstände ausgebildet, beispielsweise in Form von MOSFETs oder anderen elektronischen Schaltern. Dies ermöglicht eine aktive Beeinflussung des Potenzials am Punkt 37. Bei einem möglichst geringen Potenzial am Punkt 37 ist die Einspeisung vergleichsweise einfach möglich.
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5 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Kompensationsvorrichtung 39, und diese weist eine Endstufe 391 auf, welche zwischen dem Einkopplungspunkt 37 und dem Schutzleiteranschluss 99 verschaltet ist. Der Endstufe 391 wird über eine Leitung 392 und eine Leitung 393 eine Spannung zugeführt, und in Abhängigkeit von dieser Spannung erzeugt die Kompensationsvorrichtung 39 einen Kompensationsstrom I_C, welcher in Abhängigkeit von seinem Vorzeichen zum Schutzleiteranschluss 99 oder zum Ankopplungspunkt 37 fließt. Die Endstufe 391 wird bspw. mit Hilfe eines Operationsverstärkers gebildet.
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Die Spannung zwischen den Leitungen 392 und 393 kann aufgrund der Potenzialerzeugungsvorrichtung 36 von 4 niedriger sein, als bei einer direkten Einspeisung in die Leitung 51B und/oder 52B. Es kann aber alternativ oder zusätzlich direkt in die Leitungen 51B und/oder 52B eingespeist werden, wenn der Endstufe 391 eine entsprechend hohe Spannung über die Leitungen 392, 393 zugeführt wird.
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Die Höhe der Spannung an den Leitungen 392, 393 bestimmt die Höhe des Kompensationsstroms I_C, und daher wird die Spannung an den Leitungen 392, 393 bevorzugt in Abhängigkeit von den gemessenen Ableitströmen bestimmt.
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Der Kompensationsstrom I_C hat bevorzugt eine Phasenverschiebung von 180° zum gemessenen Ableitstrom. Diese Phasenverschiebung kann in der Kompensationsvorrichtung 39 oder bereits in der ... 35 (vgl. 1) erzeugt werden.
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6 zeigt in einer Simulation ein Diagramm, in dem der Kompensationsstrom I_C über die Zeit t aufgetragen ist. Die Simulation wurde durchgeführt mit einer Gleichstrom-Filtervorrichtung entsprechend 3, jedoch ohne die Spule 335 und die Schaltungsvorrichtung 336.
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Es ist zu sehen, dass der Kompensationsstrom I_C schwingt, und die Amplitude wächst von anfangs 3 A über eine Zeitdauer von 11 ms bis auf ca. 12 A.
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In Versuchen hat sich ergeben, dass die Kompensationsvorrichtung 39, die üblicherweise eine Regelung des Kompensationsstroms I_C mit einem Stromregler auf einen Sollwert durchführt, bei einer Einkopplung am Einkopplungspunkt 37 einen Kompensationsstrom I_C mit unerwünschten Schwingungen erzeugt. Da die unerwünschten Schwingungen bei einer Einkopplung zwischen der Wechselstrom-Filtervorrichtung 31 und dem AC/DC-Wandler 32 dazu führen können, dass ein Fehlerstrom-Schutzschalter auslöst, wurde das System sowohl in Versuchen als auch in Simulationen näher untersucht.
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Bei einer Einkopplung im Bereich zwischen dem Versorgungsnetz 10 und der Wechselstrom-Filtervorrichtung 31 ist es nicht zu solchen Schwingungen gekommen. Eine Einkopplung zwischen dem Versorgungsnetz 10 und der Wechselstrom-Filtervorrichtung 31 hat aber andere Nachteile. Zum einen können Schaltungsteile vor der Wechselstrom-Filtervorrichtung 31 zu einer deutlichen Verschlechterung der EMV führen, und zum anderen können vor der Wechselstrom-Filtervorrichtung 31 so genannte Netztransienten zu Überspannungen führen, die die Kompensation der Ableitströme erschweren und auch zu einer Zerstörung der Kompensationsschaltung führen können.
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7 zeigt den Amplitudengang in Dezibel (dB, logarithmische Skala), aufgetragen über eine logarithmische Darstellung der Frequenz f. Dargestellt ist der Amplitudengang der Übertragungsfunktion Fz_ac für den Wechselstromanteil, der Übertragungsfunktion Fz_dc für den Gleichstromanteil und der Übertragungsfunktion F_0. Übertragungsfunktionen zeigen generell die Dämpfung und den Phasenwinkel, aufgetragen über die Frequenz, und sie dienen dem Fachmann zur Beurteilung der Schaltung, im vorliegenden Fall zur Beurteilung der Wirkung der Kompensationsvorrichtung 39. Bei dieser Simulation wurde der Widerstand R sehr klein mit R = 0,1 Ohm gewählt.
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Für das Diagramm wurden in einer Simulation folgende Werte angenommen:
- L_ac = 2 mH
- L_dc = 2 mH
- C = 1,4 µF
- R = 0,1 Ohm
Es ist zu erkennen, dass die Übertragungsfunktion F_0 teilweise größer als 0 ist, und dies führt zu einer Verstärkung in diesem Bereich und damit ggf. zu einem Schwingen.
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8 zeigt den entsprechenden Amplitudengang bei einer Anordnung, bei der im Unterschied zu 7 der Widerstand R auf 20 Ohm festgelegt wurde. Bei dieser Höhe des Widerstands 14 von 1 ist die Übertragungsfunktion F_0 im gesamten Frequenzbereich kleiner als 0, und es kommt nicht zu einer entsprechenden unerwünschten Schwingung.
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9 zeigt den Phasengang in einer linearen Darstellung, aufgetragen über eine logarithmische Darstellung der Frequenz für die Übertragungsfunktionen Fz_ac, Fz_dc und F_0 mit den entsprechenden Parametern von 7. Die Phase der Übertragungsfunktion F_0 hat bei dem kleinen Widerstand R = 0,1 Ohm eine steile Flanke und fällt von ungefähr 0 Grad auf ungefähr minus 180 Grad ab. Die Stelle, an der die Übertragungsfunktion F_0 den Wert minus 180 Grad erreicht, ist ungefähr die Stelle der maximalen Amplitude in 7.
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10 ist ein Diagramm mit dem Phasengang, aufgetragen über die Frequenz entsprechend 9. Als Parameter wurden die Parameter von 8 mit dem Widerstand R = 20 Ohm gewählt. Der größere Widerstand R wirkt sich deutlich auf die Übertragungsfunktion aus.
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7 und 9 bilden zusammen ein Bodediagramm für R = 0,1 Ohm, und 8 und 10 bilden zusammen ein Bodediagramm für R = 20 Ohm.
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Die Untersuchung führt zum Ergebnis, dass ein zu kleiner Schutzleiterwiderstand R bzw. 14 in 1 zu Schwingungsstörungen bei der Kompensation von Ableitströmen führen kann.
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Eine Erhöhung des Widerstands 14 durch Hinzuschalten eines Widerstands in der Anordnung 20 verhindert die unerwünschten Schwingungen. Die Erhöhung des Schutzleiterwiderstands R durch Hinzufügen eines zusätzlichen Widerstands ist jedoch negativ oder ggf. sogar verboten, da eine niederohmige Verbindung des Schutzleiteranschlusses 99 zum Punkt 13 (vgl. 1) gegeben sein muss, um einen guten Potenzialausgleich und damit eine gute Schutzfunktion zu ermöglichen. Durch einen zusätzlichen Widerstand wird beispielsweise die Schutzwirkung bei einer elektrischen Anordnung der Schutzklasse 1 durch Potenzialausgleich verringert, da der Stromfluss zwischen dem Schutzleiter und beispielsweise einem Metallgehäuse durch den zusätzlichen Widerstand verringert wird.
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Zu einer alternativen Lösung für die Erzielung der erforderlichen Dämpfung der Übertragungsfunktion F0 wird auf die Schaltung von 3 mit der Spule 335 und der Schaltungsvorrichtung 336 Bezug genommen. Der Grundgedanke mit der Spule 335 und der Schaltungsvorrichtung 336 besteht in der Einkopplung eines Dämpfungswiderstands zur Dämpfung der Common Mode-Ströme in der Gleichstrom-Filtervorrichtung 33. Die Common Mode-Ströme sind im Verhältnis zu den Strömen durch die Leitungen 61 A und 62A gering, und daher sind kleine Drahtdurchmesser bei der Spule 335 und in der Schaltungsvorrichtung 336 möglich. Die Bauelemente der Schaltungsvorrichtung 336 können bevorzugt platzsparend als SMD-Bauelemente ausgeführt werden. Durch das Vorsehen der Spule 335 und Schaltungsvorrichtung 336 kann auf eine Erhöhung des Widerstands R verzichtet werden, und das Entstehen unerwünschter Schwingungen auf Grund eines niedrigen Widerstands R kann trotzdem verhindert oder zumindest reduziert werden.
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Eine Untersuchung hat ergeben, dass sich bei einer Ausführung der Schaltungsvorrichtung 336 ohne die Spule 337 eine hohe Impedanz bei einer Frequenz von 100 kHz ergibt. Das Vorsehen der Spule 337 führt zu einer geringeren Impedanz. Im berechneten Ausführungsbeispiel lag ohne die Spule 337 die Impedanz 28 % höher als mit der Spule 337.
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Bevorzugt sind sowohl der Widerstand 388, als auch die Spule 337 als SMD-Bauteile ausgebildet.
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Naturgemäß sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung vielfältige Abwandlungen und Modifikationen möglich.
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Die genannten Bauteilwerte sind bevorzugte Wert, die jedoch in Abhängigkeit von der Applikation anders gewählt werden können.
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Die Anordnung 20 ist im Ausführungsbeispiel an ein Versorgungsnetz 10 vom Typ US split phase angeschlossen. Es sind auch alternativ andere Netze möglich wie ein europäisches Netz mit den Aktivleitern L1, N bzw. L1-L3, N und dem Schutzleiter PE.
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Die Wechselstrom-Filtervorrichtung 31 und die Gleichstrom-Filtervorrichtung 33 können weitere Filterkondensatoren aufweisen, insbesondere X-Kondensatoren und Y-Kondensatoren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2011/0254494 A1 [0003]
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- WO 2017/153366 A1 [0003]
- WO 2018/033377 A1 [0003]
