DE10353192B4

DE10353192B4 - Schaltungsanordnungen zur Kompensation eines kapazitiven Erdableitstroms bei elektrischen Betriebsmitteln

Info

Publication number: DE10353192B4
Application number: DE10353192A
Authority: DE
Inventors: Uwe Schueler; Thomas Dunz; Gregor Schenke
Original assignee: Schueler Uwe Dipl-Ing
Current assignee: DUNZ, THOMAS, PROF. DR.-ING., DE; SCHENKE, GREGOR, PROF. DR.-ING., DE; Schueler Uwe Dipl-Ing De
Priority date: 2003-11-13
Filing date: 2003-11-13
Publication date: 2007-03-08
Anticipated expiration: 2023-11-14
Also published as: DE10353192A1

Abstract

Schaltungsanordnung zur Verringerung eines kapazitiven Erdableitstromes in an einem Wechsel- bzw. Drehstromnetz (L1, L2, L3, 50 Hz) betriebenen elektrischen Betriebsmitteln mit einem Gleichpannungs-Zwischenkreis, beispielsweise in Frequenzumrichtern, wobei der kapazitive Erdableitstrom mindestens eine bestimmte Oberschwingung (150 Hz) enthält, die bei der Gleichrichtung der Netzspannung zur Erzeugung der Gleichspannung im Zwischenkreis entsteht und von spannungsführenden Teilen der Betriebsmittel zum Schutzleiter abgeleitet wird, ohne dass ein Isolationsfehler vorliegt, mit:
– einer netzseitigen Gleichrichterschaltung (D1–D6, D7–D12) und einer damit verbundenen Kondensatorschaltung (C1–C2, C3–C4), die zwei in Reihe geschaltete Kondensatoren aufweist,
– einer Kompensationsschaltung (L₀, R₀), die den Mittelpunkt der Kondensatorschaltung (C1–C2, C3-C4) mit dem Schutzleiter verbindet,
– wobei die Kompensationsschaltung (L₀, R₀) einen induktiven Erdableitstrom mit der Frequenz der bestimmten Oberschwingung (150 Hz) in den Schutzleiter einspeist.

Description

Bei der Verwendung von elektronischen Betriebsmitteln (z.B. Frequenzumrichter) kommt es zu einer Ableitung von sogenannten Erdableitströmen auf den Schutzleiter. Diese Erdableitströme können dazu führen, dass der Personenschutz durch einen Fehlerstromschutzschalter nicht gewährleistet werden kann. Durch die in einschlägigen Normen vorgeschriebenen EMV-Filter kann eine Reduzierung der Ableitströme im Frequenzband über 2 kHz erreicht werden. Es ist jedoch bislang nicht möglich, die niederfrequenteren Anteile des Ableitstromes gänzlich zu beseitigen. Auch eine gezielte und effektive Senkung dieser Frequenzanteile des Ableitstromes ist nicht dokumentiert. So wird im Bericht der Arbeitsgruppe „Fehlerstrom-Schutzschalter" der Kommission Arbeitsschutz und Normung davon ausgegangen, dass die Erdableitströme als gegeben hinzunehmen sind und aus diesem Grunde die Auswirkung von Strömen unterschiedlicher Frequenz auf den menschlichen Körper weiter untersucht werden muss. Von einer anzustrebenden Senkung dieser Ableitströme ist in diesem Zusammenhang keine Rede. In der Praxis wird aus diesem Grunde zur Absicherung dieser Betriebsmittel gegen Fehlerströme der Bemessungsfehlerstrom des verwendeten Fehlerstromschutzschalters erhöht oder der Fehlerstromschutzschalter entfällt ganz.
Eigene Untersuchungen zu diesem Erdableitstrom haben gezeigt, dass dieser aus mehreren Frequenzanteilen zusammengesetzt ist. Frequenzanteile über 2 kHz sind mit EMV-Filtern reduzierbar. Tiefere Frequenzen werden jedoch von den Filtern nur unwesentlich gesenkt. Diese Frequenzen stellen das Hauptproblem bei der Verwendung eines Fehlerstromschutzschalters dar. Allgemeine Verfahren zur Reduzierung des Summenstromes sind Stand der Technik.

In der Patentschrift EP 0 986 165 A2 wird ein Verfahren zur Reduzierung des Summenstromes von Frequenzumrichtern beschrieben. Da Ableitströme und Fehlerströme gleichermaßen unterdrückt werden, ist dieses Verfahren nicht geeignet, wenn Fehlerströme z.B. für den Personenschutz mit Fehlerstrom-Schutzschaltern erfasst werden sollen.

In der Offenlegungsschrift DE 197 38 945 A1 wird eine Schaltungsanordnung zur Kompensation für asymmetrische Störströme vorgestellt, die den Summenstrom von Frequenzumrichtern reduzieren kann. Eine Unterscheidung zwischen Ableit- und Fehlerströmen ist hier ebenfalls nicht möglich.

In dem US-Patent US005567994A wird ein aktiver Filter dargestellt, der in einem aufwendigen Verfahren die Oberschwingungen zum Netz unterdrückt. Die Netzoberschwingungen (5., 7., 11. und 13.) sind bei einer B6-Schaltung systembedingt im Netzstrom (Außenleiter) und werden – falls erforderlich – konventionell mit Saugkreisen reduziert. Dieses Verfahren könnte so einen breitbandigen passiven EMV-Filter und Saugkreise auf der Netzseite ersetzen. Im Summenstrom können diese Oberschwingungen bei vollkommener Symmetrie nicht auftreten. In der Praxis sind ihre Anteile im Summenstrom meistens vernachlässigbar. Für die bessere Erkennung von Fehlerströmen bei hohen Ableitströmen ist dieses Verfahren nicht tauglich.

In der internationalen Patentanmeldung WO 99/49559 wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Entstörung von Umrichtern vorgestellt, bei dem die Gleichtaktspannung durch eine zwischengeschaltete Spannungsquelle im Gleichspannungszwischenkreis unterdrückt wird. Die Gleichtaktsignale des Gleichspannungszwischenkreises auf der Motorzuleitung werden unterdrückt, so dass kein kapazitiver Ableitstrom durch Gleichttaktsignale fließen kann. Dadurch wird auch die 150-Hz-Komponente im Ableitstrom und im Fehlerstrom unterdrückt. In kritischen Fehlerfällen muss die 150-Hz-Komponente im Fehlerstrom zwingend detektierbar sein. Somit ist dieses Verfahren für den Personenschutz mit allstromsensitiven Fehlerstrom-Schutzschaltern nicht anwendbar.

Die Oberschwingungen der Zwischenkreisspannungen sind seit vielen Jahrzehnten Lehrinhalte im Fach Leistungselektronik (K. Heumann: Grundlagen der Leistungselektronik, ISBN 3-519-06110-4). Messverfahren zur Messung von Spannungen gegen Bezugspotential sind Lehrinhalte des Grundstudiums der Elektrotechnik (Führer, Heidemann Nerreter: Grundgebiete der Elektrotechnik, Band 1, ISBN 3-446-16052-3).

Aufgabe der Erfindung ist es, den kapazitiven Erdableitstrom bei elektronischen Betriebsmitteln bzw. Anlagen mit elektronischen Betriebsmitteln durch Einleitung eines induktiven Stromes zu kompensieren.

Diese Aufgabe wird durch eine Schaltungsanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Beschrieben werden Schaltungsanordnungen zur Kompensation eines Erdableitstromes bei elektronischen Betriebsmitteln, welche sowohl im betreffenden Betriebsmittel als auch extern als eigenständiges Gerät ausgeführt sein können. Die jeweilige Schaltungsanordnung speist zur Reduktion des Erdableitstromes einen zum Erdableitstrom gegenphasigen Strom, den sogenannten Kompensationsstrom, in einen Schutzleiter (PE) ein.

Die Erdableitströme auf dem Schutzleiter sind kapazitiv. Sie entstehen durch die Ableitung der Spannungsoberschwingungen über parasitäre und/oder gezielt eingebrachte Kapazitäten gegen den Schutzleiter (z.B. EMV-Filter). Durch die gezielte Ableitung der dominantesten Frequenzen über eine Kompensationseinrichtung auf den Schutzleiter (PE) kann der bereits vorhandene kapazitive Strom dieser Frequenzen signifikant gesenkt werden. Der Abgriff des Stromes sollte vorzugsweise innerhalb des Gerätes erfolgen. Damit ist eine bessere Dimensionierung der Bauteile möglich. Diese Dimensionierung ist abhängig vom tatsächlichen Ableitstrom des Gerätes. Durch den Einbau der Kompensation in das Gerät ist eine sehr genaue Abstimmung des Kompensationsstromes auf den tatsächlich vorhandenen Ableitstrom gegeben. Dies gewährleistet die optimale Kompensation des zu kompensierenden Frequenzanteils des Ableitstromes. Zudem wird die induktive Ableitung zur Kompensation nur dann wirksam, wenn auch der kapazitive Ableitstrom vorhanden ist Wird der Kompensationsstrom auf den Schutzleiter geführt, ohne dass ein zu kompensierender Ableitstrom auf dem Schutzleiter vorhanden ist, so wirkt der Kompensationsstrom als Ableitstrom. Dieser würde dann seinerseits die Anwendung von Maßnahmen zum Personenschutz erschweren.

Aber auch eine externe Schaltung zur Erzeugung der gewünschten Frequenz und Phasenlage ist möglich. Zu diesem Zweck wird beispielsweise mit einer B6-Schaltung und geeigneten Stützkondensatoren der Gleichspannungskreis im Frequenzumrichter nachgebildet. Durch eine entsprechend dimensionierte Last (z.B. Widerstand) wird dann die Oberschwingung auf der Gleichspannung erwirkt. Mit Hilfe dieser Spannung im Mittelpunkt der Stützkondensatoren kann ein induktiver Strom über eine Kompensationsschaltung in den Schutzleiter eingespeist werden. Der induktive Erdableitstrom mit der Frequenz der dominantesten Oberschwingung wird exakt auf den Anteil im aktuellen Erdableitstrom eingestellt und als nur zum kapazitiven Strom gegenphasiger Strom zusätzlich auf den Schutzleiter (PE) eingeprägt. In der einfachsten Ausführung besteht die Kompensationsschaltung aus einer Spule Grundsätzlich sind jedoch auch andere Möglichkeiten zur Erzeugung des Kompensationsstroms möglich.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand zweier Ausführungsbeispiele näher erlautert.
Bei Verwendung von Frequenzumrichtern werden hohe Erdableitströme erzeugt, die Maßnahmen zum Personenschutz erschweren. Diese Erdableitströme entstehen durch die Ableitung der Spannungsoberschwingungen im Zwischenkreis auf den Schutzleiter.
Diese Oberschwingungen entstehen bei der Verwendung einer Gleichrichterschaltung zur Erzeugung der Gleichspannung im Zwischenkreis und bei den Schalthandlungen zur Erzeugung der Motorspannung. Bei der Gleichrichterschaltung handelt es sich häufig um eine Drehstrom-Brückenschaltung, kurz B6-Schaltung genannt. Die dadurch erzeugte Gleichspannung wird im Zwischenkreis von 2 Stützkondensatoren (1: C₁ und C₂) gepuffert. Diese sind zum Gewährleisten der Spannungsfestigkeit meist in Reihe geschaltet. Die Gleichspannung an diesen Kondensatoren enthält bei 50-Hz-Netzen dominant die Oberschwingung 150 Hz. Schaltet man nun eine Induktivität (L₀) im Mittelpunkt dieser beiden Kondensatoren gegen den Schutzleiter, so erhält der Schutzleiter (PE) einen induktiven Strom, der bei geeigneter Dimensionierung (L₀ und R₀), zu einer Kompensation des kapazitiven Stromes auf dem Schutzleiter führt. Diese Dimensionierung ist abhängig von der zu kompensierenden Frequenz und der zu erreichenden Amplitude des Kompensationsstromes. Das Ergebnis ist eine signifikante Senkung des 150-Hz-Anteils des Erdableitstromes.
Die Spannungs-Oberschwingungen, die durch die B6-Schaltung erzeugt werden, verursachen über parasitäre Streukapazitäten und/oder eingebaute Kapazitäten zum Schutzleiter einen Erdableitstrom auf den Schutzleiter. Dieser kapazitive Strom wird durch den in den zusätzlich eingebauten Bauteilen R₀ und L₀ fließenden induktiven Strom kompensiert. Diese Maßnahme verringert, je nach Dimensionierung, den jeweiligen Frequenzanteil des Erdableitstromes signifikant.
Falls kein Mittelpunkt im Zwischenkreis des Frequenzumrichters vorhanden ist, so kann dieser durch zusätzliche Kapazitäten erzeugt werden.
Ist die direkte Einbringung der Induktivität in den Zwischenkreis nicht möglich, so können die gewünschten Spannungs-Oberschwingungen mit einer externen B6-Schaltung erzeugt werden und dann über die Induktivität ein induktiver Kompensationsstrom auf den Schutzleiter (PE) gebracht werden (2).
Schaltungen zur Erzeugung der Spannungsoberschwingungen mit anderen netzgeführten Stromrichterschaltungen, auch gesteuerten Stromrichtern, sind hierbei möglich.

Claims

Schaltungsanordnung zur Verringerung eines kapazitiven Erdableitstromes in an einem Wechsel- bzw. Drehstromnetz (L1, L2, L3, 50 Hz) betriebenen elektrischen Betriebsmitteln mit einem Gleichpannungs-Zwischenkreis, beispielsweise in Frequenzumrichtern, wobei der kapazitive Erdableitstrom mindestens eine bestimmte Oberschwingung (150 Hz) enthält, die bei der Gleichrichtung der Netzspannung zur Erzeugung der Gleichspannung im Zwischenkreis entsteht und von spannungsführenden Teilen der Betriebsmittel zum Schutzleiter abgeleitet wird, ohne dass ein Isolationsfehler vorliegt, mit: – einer netzseitigen Gleichrichterschaltung (D1–D6, D7–D12) und einer damit verbundenen Kondensatorschaltung (C1–C2, C3–C4), die zwei in Reihe geschaltete Kondensatoren aufweist, – einer Kompensationsschaltung (L₀, R₀), die den Mittelpunkt der Kondensatorschaltung (C1–C2, C3-C4) mit dem Schutzleiter verbindet, – wobei die Kompensationsschaltung (L₀, R₀) einen induktiven Erdableitstrom mit der Frequenz der bestimmten Oberschwingung (150 Hz) in den Schutzleiter einspeist.
Schaltungsanordnung zur Verringerung eines kapazitiven Erdableitstromes nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationsschaltung (L₀, R₀) eine Reihenschaltung einer Induktivität (L₀) mit einem Widerstand (R₀) aufweist.
Schaltungsanordnung zur Verringerung eines kapazitiven Erdableitstromes nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Gleichrichterschaltung ein im Betriebsmittel vorhandener Gleichrichter (D1–D6) und als Kondensatorschaltung im Betriebsmittel vorhandene Stützkondensatoren (C1–C2) oder zusätzliche Kondensatoren verwendet werden.
Schaltungsanordnung zur Verringerung eines kapazitiven Erdableitstromes nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Gleichrichterschaltung und Kondensatorschaltung in einer netzseitig geschalteten Zwischenkreisnachbildung angeordnet sind, wobei die Zwischenkreisnachbildung einen Gleichrichter (D7–D12), zwei Kondensatoren (C3–C4) und einen Lastwiderstand (R1–R2) aufweist.
Schaltungsanordnung zur Verringerung eines kapazitiven Erdableitstromes nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der kapazitive Erdableitstrom durch die gezielte Kompensation der im Erdableitstrom enthaltenen dominantesten Oberschwingungen über jeweils eine Induktivität (L₀) verringert wird.