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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Mittel, um den Erdkriechstrom,
der durch EMV Filter produziert wird, zu begrenzen. Diese Erfindung
wird insbesondere in Leistungssystemen verwendet, in denen ein Phasenleiter
an die Erde angeschlossen ist, kann aber vorteilhaft in den meisten
AC und DC Stromversorgungssystemen verwendet werden.
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Beschreibung des Standes der
Technik
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EMV-Filter
in Stromleitungen enthalten in meisten Fällen Erdkondensatoren,
so genannten Y Kapazitäten, zusammen mit geeigneten Induktivitäten,
um eine Gleichtaktdämpfung zu erreichen. Eine unvermeidbare,
nicht gewünschte Konsequenz davon ist es, dass ein Stromfluss
durch die Y Kapazität zur Erde hin – der so genannte
Erdkriechstrom (ELC) – existiert. In 1,
welche in der Form eines einfachen Diagramms ein Beispiel eines
bekannten EMV-Filters zeigt, wird die Y Kapazität durch
die Referenznummer 30 angezeigt, 36 ist die korrespondierende
Induktivität und 35 ist der Weg des Erdkriechstroms.
Als eine Regel gilt, je höher die Kapazität des Y
Kondensators und des Stroms darüber, desto intensiver ist
der ELC.
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Auf
hohem Niveau wird dieser ELC als gefährlich für
das Personal angesehen. Neben der persönlichen Gefahr kann
ein exzessiver ELC in den zuverlässigen Betrieb eines elektrischen
Systems eingreifen. Insbesondere Einrichtungen, die eine Reststromerkennung
(RCD) enthalten, werden wegen Auslösens der RCD-Vorrichtung
unterbrochen. Es wird deshalb als gute Konstruktion angesehen, den Erdkriechstrom
zu minimieren, wenn EMV-Filter ausgelegt werden.
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Für
Leistungssysteme mit einer in der Form eines Sterns geerdeten Versorgung
(d. h. eines TN System in Europa) kann Erdkriechstrom ein Problem sein,
obwohl die ELC unter normalen Bedingungen normalerweise moderat
ist, weil das System um das Erdpotential ausgeglichen ist. Hohe
ELC Werte können jedoch in Hochleistungsfiltern vorkommen
oder dort wo starke Gleichtaktdämpfung benötigt
wird.
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Mit
der Japanischen 230 V Deltastromversorgung ist eine Phase geerdet
(so genannte „Eckenerde"). In diesem Fall gibt es keine
Aufhebung der Erdströme. Ein grosser ELC wird jedoch existieren, es
sei denn nur kleine Y Kapazitäten werden verwendet.
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Die
Verwendung von RCD Vorrichtungen in Japan ist weit verbreitet. Dies
stellt eine Begrenzung für die Y Kapazitäten dar,
die sicher verwendet werden können, ohne die RCS Vorrichtung
auszulösen. Es gibt deshalb ein Bedürfnis ein
Verfahren bereitzustellen, in dem grosse Y Kapazitäten
bei gleichzeitigem Erhalt eines geringen Kriechstroms verwendet werden
können.
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Ein
gleiches Problem existiert mit IT Leistungssystemen, wie sie unter
anderem in Schiffen und Fabriken angewendet werden. Hier ist die
Netzleistung nur locker mittels einer grossen Impedanz geerdet.
Dies wird so getan, dass in einem Fall von einem Phasenkurzschluss
die Einrichtung mit relativer Sicherheit weiterläuft. In
dieser gekürzten Arbeitsweise ist das Leistungssystem effektiv „eckengeerdet".
Wenn grosse Y Kapazitäten verwendet werden, wird ein grosser
ELC existieren.
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Es
gibt deshalb einen wachsenden Bedarf für Rauschunterdrückungsfilter
mit geringem ELC. Um ELC zu begrenzen sind solche Filter traditionell mit
reduzierten Kapazitäten in dem Erdpfad ausgerüstet.
Um jedoch eine geeignete Dämpfung beizubehalten, müssen
die Filterinduktivität entsprechend erhöht werden,
um die reduzierte Kapazität zu kompensieren, was Filter
grösser und teurer machen kann. Selbst ein Erhöhen
des Induktivitätswerts ist jedoch keine komplette Lösung
und Filter mit kleinen Y Kapazitäten sind oft weniger effektiv
für eine EMV Rauschunterdrückung als Filter mit
einer hohen Y Kapazität. Diese erhöhte Induktivität
kann zusätzlich zu erhöhten Stromverlusten, Temperaturanstieg
und End-zu-End-Spanungsabfall führen, welche alle schädliche
Bedingungen sind.
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Das
hier beschriebene Modul hat den Vorteil, dass grosse Y Kapazitäten
in der Filterkonstruktion verwendet werden können, ohne
das Risiko RCD Vorrichtungen auszulösen. Es gibt also kein
Bedürfnis, die Grösse der Induktivität
mit seinen verbundenen Nachteilen zu vergrössern. Das Modul
wird einen geringen Kriechstrom beim Einschalten aufrechterhalten
und kann unter irgendwelchen Fehlerbedingungen und unter normalen
Betriebsbedingungen virtuell alle Erdkriechströme eliminieren.
Diese Erfindung kann gleichfalls für einfache und mehrstufige Filter
für einfache oder mehrdrahtige Anwendungen verwendet werden.
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Darstellung der Erfindung
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Gemäss
der Erfindung werden diese Ziele durch Mittel erreicht, die Gegenstand
der angehängten Ansprüche sind.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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Die
Erfindung wird besser mit Hilfe der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
verstanden, welches als Beispiel dient und durch die Figuren illustriert
wird, in welchen
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1 ein
einphasiges Diagramm darstellt. Es zeigt in vereinfachter Weise
einen bekannten EMV Filter und den Weg des Kriechstroms.
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2 in
einer vereinfachten, schematischen Weise ein dreiphasigen EMV Filter
bekannter Art und den Weg des Kriechstroms zeigt.
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3 in
einer vereinfachten, schematischen Weise ein dreiphasigen EMV Filter
mit den Kriechunterdrückungsmerkmalen der vorliegenden
Erfindung zeigt, die in einem „eckengeerdeten" dreiphasigen System
eingefügt ist.
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4 in
einer vereinfachten, schematischen Weise ein dreiphasigen EMV Filter
mit den Kriechunterdrückungsmerkmalen der vorliegenden
Erfindung eingefügt in einem einphasigen System zeigt.
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5 schematisch
eine mögliche Realisierung von einem Regler gemäss
einem Aspekt der vorliegenden Erfindung zeigt.
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6 und 7 schematisch
andere Varianten der Realisierung des Reglers der vorliegenden Erfindung
zeigen.
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8–11 alternative
Verbindungen des Reglers in einer Serie von EMV Filtern gemäss
der vorliegenden Erfindung zeigt.
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12 eine
schematische Illustration des Prinzips von virtuellen Nebenschlussknoten
eingefügt in das Ausführungsbeispiel der 11 zeigt.
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13 eine
weitere Variante der Realisierung eines Spannungsreglers gemäss
der Erfindung zeigt.
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14 einen
dem Regler nachgeschalteten Schaltkreis, welcher nur diskrete Komponenten
verwendet, gemäss einer Ausführungsform der Erfindung
zeigt.
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15 in
vereinfachter Weise eine andere Ausführungsform der Erfindung
enthaltend einen Relaisschaltkreis zeigt.
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Wege zur Ausführung
der Erfindung
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Das
Problem und die Gründe von Kriechströmen in EMV
Filtern werden in 1 illustriert. Eine Stromleitung 11,
welche ein- oder mehrphasig sein kann, wird mit einer Vorrichtung 15 durch
ein Filter 20 verbunden, um mögliche Interferenzen,
die durch die Vorrichtung 15 generiert und entlang der
Leitung 11 übertragen werden, zu unterdrücken.
Das Filter enthält in seiner einfachsten Realisierung die
Serieninduktivitäten 36 und einen "Y" Kondensator 30,
verbunden zwischen Phasenleitern und der Erdleiter. Irgendein Potential über
den "Y" Kondensator 30 wird in grosser Weise zu dem Erdkriechstrom 36 beitragen.
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Dieselbe
Situation, jedoch im Fall einer dreiphasigen Stromleitung, wird
in 2 dargestellt. In diesem Fall betreiben Filter
eine Reihe von „X" Kondensatoren 331 über
die Phasen L1, L2, L3, welche zur Reduzierung von Gegentaktrauschen
beitragen. Gleichtaktrauschen wird auf der anderen Seite durch die
Kapazität 330, verbunden zwischen dem Sternpunkt 90 und
der Erde, unterdrückt. Wenn, wie in dem eckengeerdeten
Beispiel das Phasenpotential nicht mit dem Erdpotential ausgeglichen
ist, sieht der Kondensator 330 ein grosses Potential und
lässt einen erheblichen Erdkriechstrom 35 fliessen.
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3 zeigt
schematisch einige Merkmale eines elektromagnetischen Verträglichkeitsfilters
(EMV Filter) gemäss einem Aspekt der vorliegenden Erfindung.
Dieses Filter, der für die Verwendung in einer dreiphasigen
Stromleitung gedacht ist, enthält einen virtuellen Erdregler 120 mit
einem Referenzeingang (Ref.) verbunden mit dem Erdpotential oder
gleichwertig mit einem Leiter im Wesentlichen bei Erdpotential.
Der Regler 120 stabilisiert das Potential an seinem Ausgangsknoten 100 (Out)
zu einem konstanten Niveau, welches es zu dem Erdpotential an dem
Referenzeingang (Ref.) zwingt. Solche Regulierung und Zwänge
können durch mehrere Vorrichtungen erreicht werden, alle
im Rahmen der vorliegenden Erfindung enthalten, wobei einige besser
im Folgenden beispielsweise diskutiert werden.
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Ein
Rauschnebenschlussmodul wird zwischen dem Ausgang 100 der
Spannungsreglers 120 und dem Erdreferenzpotentials verbunden,
um ein schlussendlich übermitteltes Rauschen auf dem Phasenleitern
L1, L2, L3 zu unterdrücken. In dem dargestellten Beispiel
ist das Rauschnebenschlussmodul ein einfacher Kondensator 330,
es kann aber im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein, dass
es durch ein geeignetes kapazitives Netzwerk von einem Schaltkreis
ersetzt wird, der passive und/oder aktive Elemente enthält,
die eine geringe Impedanz bei Frequenzen, an welchen das Rauschen
erwartet wird, darstellen.
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Der
Effekt von dem virtuellen Regler 120 ist, dass der „Y"
Kondensator 330 anstelle des vollen Leitungspotentials
ein sehr reduziertes Potential sieht, welches gemäss der
Präzision der erreichten Regulierung einigen Volts oder
weniger entspricht. Auf diese Weise wird der Kriechstrom über
den „Y" Kondensator 330 zu einem unbedeuteten
Niveau reduziert. Entsprechend erhöht sich der Spannungsabfall über die „X"
Kondensatoren 331 als ein Resultat der Einführung
des virtuellen Erdreglers 120. Der verbundene Kriechstrom 129 ist
jedoch durch den Ausgang des Reglers 120 festgelegt und
wird zu den Phasen L1, L2, L3 durch die Versorgungsleitungen zurückgeführt,
ohne zu dem Erdkriechstrom beizutragen.
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Es
sollte festgehalten werden, dass es nicht wesentlich für
das Funktionieren der Erfindung ist, dass der potentielle Erdknoten 100 zu
einem absoluten konstanten Wert gezwungen wird. Es ist absolut ausreichend,
dass die Variation dieses Potentials ausreichend in Amplitude und/oder
Geschwindigkeit reduziert wird, um den Erdkriechstrom durch den „Y" Kondensator 330 zu
einer ungefährlichen Quantität zu begrenzen. Es
ist nicht wesentlich, dass die Regulierung strikt linear oder effektiv
bei allen Frequenzen sein sollte.
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Der
virtuelle Erdregler braucht keine grosse Bandbreite zu haben. In
praktischen Realisierungen ist es ausreichend, dass der Regler 120 geringe
Ausgangsimpedanzen bei geringen Frequenzen haben sollte, um das
virtuelle Erdpotential des Knotens 100 bei seinen Netzfrequenzen
von 50 oder 60 Hz und bis zu einigen harmonischen Frequenzen der
Netzfrequenz zu stabilisieren, und gleichzeitig eine hohe Ausgangimpedanz
bei hohen Frequenzen darzustellen, die weit weg von der Netzfrequenz
liegt, wo das Rauschen erwartet wird. Deshalb trägt der
virtuelle Erdregler nicht notwendiger Weise direkt zur Rauschunterdrückung
bei, und das allgemeine Gleichtaktrauschen wird mittels des Kondensators 330 in
einen Nebenschluss auf die Erde gelegt, wie dies gewöhnlich
ist.
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Zur
Vereinfachung zeigen 3 und einige nachfolgende Figuren
keine induktiven Elemente des EMV Filters. Es wird verstanden, dass
diese Zeichnungen partielle Darstellungen sind, die hier angegeben
werden, um die Erfindung in seinen verschiedenen Ausführungsformen
zu beschreiben und dass diese nicht komplett sind. Das Filter der
Erfindung kann auch andere, nicht dargestellte Elemente, wie Induktivitäten,
Gleichtaktinduktivitäten, stromkompensierende Spulen, aktive
Elemente, Verbindungselemente, Sicherungen und andere Komponenten enthalten;
wie vorgeschlagen in Abhängigkeit der Umstände
und gemäss bekannten Praktiken im Stand der Technik.
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4 zeigt
ein anderes Beispiel der Realisierung eines Filters mit einem virtuellen
Erdknoten gemäss der Erfindung. In diesem Fall ist der
Filter, der in vereinfachter Form ohne induktive Elemente dargestellt
ist, in einer Einphasenleitung mit einem stromführenden
(L) und einem neutralen Leiter (N), sowie einen Erdleiter und umfasst
einen "Δ" Kondensator 250, "X" Kondensatoren 231 und
einen "Y" Kondensator 230. Der virtuelle Erdregler 120 stabilisiert
die Spannung des virtuellen Erdknoten 100 zu einem Wert
nahe dem Erdpotential. Der Erdkriechstrom durch den "Y" Kondensator 230 ist
auf diese Weise besonders reduziert, während die Kriechung über
dem V Netzwerk "X" Kondensatoren 231 durch den Regler 120 genommen
wird und ihn zu einer vernachlässigbaren elektrischen Last über
den stromführenden und den neutralen Leiter führt,
ohne zur Erdkriechung beizutragen.
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Selbst
wenn die dargestellten Beispiele dreiphasige und einphasige Anwendungen
beschreiben, ist dies keine Beschränkung der vorliegenden
Erfindung, welche auch Anwendungen für DC und AC Leistungssysteme
mit irgendeiner Anzahl von Phasen und irgendeine Art von Erdungssystem
einschliesst.
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5 zeigt
eine mögliche Schaltkreisrealisierung eines virtuellen
Erdreglers 120a. Dieser wird ein „Grober Regler"
genannt, weil die Ausgangsspannung nur nahe dem Erdpotential (typischerweise
innerhalb +/– 10 V) gehalten wird. Strom wird mittels der
Sicherungen 122 zu einem Brückenrichter 123 zugeführt.
Die gerichtete Spannung wird über ein komplementäres
Paar von FETs (Q1 und Q2) geführt. Die FET Gatter sind
zusammengeschlossen und referenziert zu dem Referenzeingang (Ref.),
gewöhnlich bei Erdniveau mittels eines hochohmigen RC Schaltkreis 124.
Der Reglerausgang wird von FET Quellen mittels Quellenwiderständen
(2×Rs) und einer geringen Impedanz 129 gespeist.
Strombegrenzung, um die FETs zu schützen, wird durch Zenerdioden
(2×Dg) und Quellenwiderständen (2×Rs)
bereitgestellt. Diese Ausgangspannung kann von einem Widerstandssternnetzwerk
(3×Rv) und von Gatterimpedanzen (Rg//Cg) kontrolliert werden.
Der Ausgang wird aus einer quadratischen Welle bestehen, wenn es
mehr durch Rg und Cb kontrolliert wird. Auf der anderen Seite, wenn
der Ausgang mehr durch Rv kontrolliert wird, ist die Aktion des
Reglers 120b linearer und der Ausgang nähert sich
einer Sinuswelle an.
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Es
gilt zu beachten, dass die Ausgangsimpedanz 129 auch eine
hohe Impedanz bei hohen Frequenzen schafft und arbeitet, um das
Passieren des RF Rauschstroms durch den Regler zu blockieren. Dies
stellt sicher, dass der meiste RF Strom von der Stromleitung zu
einer Erde mittels den Kapazitäten „X" und „Y"
fliesst.
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Es
sollte beachtet werden, dass, weil der virtuelle Erdregler 120a geerdet
ist, seine Komponenten und insbesondere der RC Schaltkreis 124 für
einen Dienst an einer Versorgungsspannung dimensioniert und ausgelegt
sein sollten. Auch die Impedanz des RC Schaltkreises 124 sollte
so hoch wie möglich sein, um nicht zum Erdkriechstrom beizutragen.
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6 zeigt
eine andere mögliche Schaltkreisrealisierung eines Virtuellen
Erdreglers (VER). Dieser Regler 120b ist eine Serienverbindung
von dem groben Regler 120a und einen nachgeschalteten Regler 120d.
Der nachgeschaltete Regler 120d wird durch einen Betriebsverstärker 126 gebildet,
der durch eine Hilfsstromversorgung 128 gespeist wird, welche
zu dem Ausgang des groben Reglers referenziert ist. Der Betriebsverstärker
wird als Spannungsfolger referenziert. Sein Eingang wird zur Erde
mittels der hohen Impedanz 125 referenziert. Der Ausgang des
nachgeschalteten Reglers wird deshalb sehr präzise am Erdpotential
gehalten. Der grobe Regler 120a vermeidet den Gebrauch
eines hohen Betriebsverstärkers, weil der Betriebsverstärker 126 von
der Speisespannung durch den groben Regler 120a geschützt
ist. Die Versorgungsspannung 128 muss gross genug sein,
um den dynamischen Ausschlag des groben Reglerausgangs (+/– 10
V) aufzunehmen. Die Impedanz 125 sollte vorzugsweise für
die Netzspannung im Falle eines Ausfalls des groben Reglers 120a oder
der Hilfsversorgung 128 ausgelegt und geeignet sein.
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In
dem Ausführungsbeispiel der 5 ist die Spannung
an dem Ausgang des groben Reglers 120a nicht sinusförmig,
sondern aus Gründen der toten Zone der FETs Q1 und Q2 ungefähr
quadratisch. Die „Y" Kondensatoren 330 (vgl. 3)
hat eine geringe Impedanz für schnell wechselnde Signale.
Deshalb, wenn der grobe Regler der 5 verwendet wird,
steigt der Kriechstrom durch den Kondensator 330 in Korrespondenz
zu den Übergängen im Ausgang des groben Reglers 120a,
in welchem der Anstieg dV/dt hoch ist, steil an.
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Der
grobe Regler 120a der 5 ist eine
einfachere Lösung, welche annehmbare Resultate in vielen
Fällen bereitstellt. Insbesondere in einem Leistungssystem,
welches in RDC Vorrichtungen eingefügt ist, enthält
dies einen gewissen Level von Integration und diese sind relativ
unsensibel zu kurzen Ausschlägen des Kriechstroms. Die
Verwendung des groben Reglers alleine kann in solchen Fällen
ausreichend sein.
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Der
nachgeschaltete Regler 120d stellt eine Spannung von geringer
Amplitude und geringem Anstieg an dem Ausgangsknoten 100 bereit,
was den Kriechstrom über das Nebenschlussmodul 330 effektiv
minimiert. Derselbe Effekt könnte erreicht werden, wenn
der Spannungsfolger, der mit dem Betriebsverstärker 126 realisiert
wird, mit einem Schaltkreis von diskreten Komponenten, die dieselbe
Funktion realisieren, ersetzt wird.
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14 illustriert
eine mögliche Realisierung eines nachgeschalteten Reglers 120f,
welcher den Block 120d in 6 ersetzen
könnte. Gemeinsame Komponenten des Schaltkreises der 6 oder
anderer Figuren werden durch dieselben Referenzzeichen bezeichnet.
Der Regler 120f verwendet zwei Transistoren Q1 und Q2 und
eine separate, schwebende Stromversorgung 128, die durch
Mittel eines Terminals L1 und L2 an eine geeignete AC Stromquelle
verbunden ist.
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Der
Eingang des nachgeschalteten Reglers wird nahe dem Erdpotential
durch ein hochohmiges Netzwerk 125 gehalten und bei mindestens
der Netzfrequenz wird das elektrische Potential an dem Ausgangsterminal
(Out) sehr gering sein. Die Kriechung des Filterkondensators, der
mit dem Ausgang (nicht dargestellt in dieser Figur) verbunden ist,
wird deshalb sehr gering sein. Das Ausgangsimpedanznetzwerk 129 blockiert
auf der anderen Seite den Durchlass eines RF Rauschstroms durch
den Regler. Dieses stellt sicher, dass der RF Strom von der Stromleitung
zur Erde über die Kondensatoren „X" und „Y" fliesst.
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Der
diskrete nachgeschaltete Regler der 14 ist
weniger teuer als der Betriebsverstärker der 6 zu
realisieren und seine Bandbreite kann ausgewählt werden,
um die Risiken von parasitären Antworten und Instabilitäten
zu reduzieren.
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7 zeigt
eine andere Form des groben Reglers 120c, welcher Schalttechniken
verwendet. Dieser Schaltkreis teilt viele Komponenten mit dem groben
Regulator 120a der 5 und diese
sind durch dieselben Referenznummern angezeigt. Ein beachtlicher
Unterschied ist, dass die Transistoren Q1 und Q2 durch den digitalen
Kontrollschaltkreis 729 angetrieben sind. Dies hat den
Vorteil einer hohen Effizienz.
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8 zeigt
eine alternative Verbindung des virtuellen Erdreglers 120,
in welchem der virtuelle Erdknoten zwischen zwei „Y" Kondensatoren 333 und 332 gestellt
ist. Dies ist nützlich, wenn grosse „X" Kondensatoren
verwendet werden. Der virtuelle Erdregler 120 braucht nur
Strom von dem kleineren Kondensator 333 zu ziehen, was
dazu führt, dass geringere bewertete Komponenten für
die Ausgangsstufe des Reglers verwendet werden können.
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9 zeigt
den virtuellen Erdregler 120, der an ein aktives Nebenschlussmodul 360 anstelle
eines Kondensators verbunden werden kann. Das aktive Nebenschlussmodul 360 ist
eine aktive Impedanz, welche dieselben Aufgaben wie der „Y"
Kondensator 330 der vorhergehenden Beispiele durchführt.
Dank dieser übergeordneten Leistung des aktiven Nebenschlussmoduls 360 ist
dieser Schaltkreis geeignet, mit einem der groben Regler 120a oder 120c der 5 bis 7 genutzt
zu werden.
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10 zeigt
das Konzept eines Virtuellen Erdbusses 110. Ein VER Modul 120 kann
verwendet werden, um die Kriechung von Mehrfachkondensatornetzwerken,
wie sie in mehrstufigen Filtern verwendet werden, zu begrenzen.
Optional wird der virtuelle Erdbus 110, von einer Stufe
zur nächsten, durch eine Gleichtaktinduktivität 380 mit
derselben Anzahl und Ausrichtung von Wicklungen wie die Leistungskondensatoren
L1–L3 geleitet. Eine zweite Stufe von Rauschunterdrückung
umfassend Kondensatoren 341 und 340 wird eingefügt.
Weil der „Y" Kondensator 340 mit dem virtuellen
Erdbus 110 verbunden ist, welcher durch den virtuellen
Erdregulator 120 nahe dem Erdpotential gehalten wird, trägt
er nicht wesentlich zu dem Erdkriechstrom bei. Es versteht sich,
dass einer oder beide Kondensatoren 330, 340 gemäss
der Notwendigkeit durch kapazitive Netzwerke oder andere Nebenschlussmittel,
einschliesslich eines aktiven Nebenschlussmoduls, ersetzt werden können.
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11 zeigt
den Virtuellen Erdbus in einem mehrstufigen Filter, der die virtuelle
Nebenschlusstechnik, wie sie in der Europäischen Patentanmeldung
EP1619768 , welche hiermit
durch Referenz eingefügt ist, beschrieben ist, anwendet.
Mehrfach Gleichtaktstufen werden geformt, während nur ein VER-Modul
120 benötigt
wird.
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Die
virtuelle Nebenschlussinduktivität 600 wird in
einer Weise realisiert, um auf dem virtuellen Erdbus 110 einen
Spannungsabfall bereitzustellen, der gleich oder proportional zu
dem ist, der in den Leistungskondensatoren L1, L2, L3 vorhanden
ist, wenn dieser die Induktivität 600 überbrücken.
Auf diese Weise ist der Schaltkreis der 11 äquivalent,
was das Rauschfiltern angeht, zu einem zweistufigen Filter mit zwei
unabhängigen „X" Kondensatorenblöcken,
wie dies in der 12 illustriert ist.
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13 zeigt
einen verbesserten Grobregler 120e. Gemeinsame Komponenten
mit dem Grobregler 120a der 5 werden
durch dieselben Referenzzeichen angezeigt. Mit dieser Variante des
FETs werden Gatter von dem Ausgang eines Betriebsverstärkers 226 angetrieben.
Dieser Betriebsverstärker ist als Spannungsfolger konfiguriert,
so dass der Reglerausgang sehr nahe am Erdpotential gehalten wird.
Der nicht invertierende Eingang des Betriebsverstärkers
wird durch eine hohe Impedanz auf die Erde gelegt und dieser wird
mit einer Rückkopplungsspannung von den FET Quellen verglichen.
Der Übergangstodbereich des FET wird im Prinzip durch den
Gewinn des Betriebsverstärkers aufgenommen. Dadurch versorgt
die Anordnung der 13 eine Ausgangsspannung, welche
sehr viel näher am Erdpotential als die Anordnung der 5 ist.
In einer äquivalenten Ausführungsform könnte
der Betriebsverstärker 226 durch eine Verstärkerstufe
mit einer geeigneten Aufwärtsregelung, die mit bestimmten diskreten
Komponenten realisiert ist, ersetzt werden.
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Der
Betriebsverstärker 226 benötigt eine kleine
Hilfsstromversorgung 228 mit einer Spannung grösser
als der FET Todbereich (ungefähr +/– 5 V). Die
Stromversorgung wird auf den FET Quellenausgang gelegt.
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Es
ist zu beachten, dass der Regler 120b der 6 die
präziseste virtuelle Erdreglung bereitstellt. Die Variante 120e der 13 hat
jedoch den Vorteil einer kleineren Leistung und Dimensionierung
des Betriebsverstärkers 226, als das was in dem
Schaltkreis 120b benötigt wird.
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15 gibt
ein Beispiel eines anderen Ausführungsbeispieles der Erfindung,
in welchem ein Relaisschaltkreis 700, der zwei Diskriminatorblöcke 720 und 730,
eine Logik AND 710, einen Spannungsregler 740 und
eine Relaisvorrichtung 750 enthält, zum EMV Filter
hinzugefügt ist. Der EMV Filter umfasst ebenfalls ein Nebenschlussmodul 850 und
einen X Kondensatornetzwerk 800 und ein Y Kondensatornetzwerk 900,
welche beide zwischen den Phasen 910, 920 und 930 in
dem EMV Filter verbunden sind.
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Das
X Kondensatornetzwerk 800 verursacht Phasen, welche in
einem offenen Schaltzustand (durch einen Fehler) nicht komplett
tot werden. Unter einer doppelten Fehlerbedingung (2 Phasen offen) werden
beide offenen Phasen zur Spannung der verbleibenden Phase erregt.
Unter einem einzelnen Fehler (eine Phase offen) wird die offene
Phase zur Hälfte der normalen Phasen der Erdspannung erregt. In
diesem Fall werden die Diskriminatorblöcke 720 und 730 zwischen
voller und halber Spannung diskriminieren, um zu bestimmen, ob ein
Fehler aufgetreten ist. Es ist zu beachten, dass andere Komponenten
in der Stromversorgung auch die Phasenspannung während
eines Fehlers beeinflusst werden.
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Die
Kontrolle des Relaisschaltkreises 700 hat keine Referenz
zur Erde, Fehlerdetektion und Relaisbetätigung sind nur
zwischen den Phasen und alle Relaiskontrolle und Betätigungsschaltkreise
werden in Bezug auf die Phase L1 referenziert. Es ist zu beachten,
dass der Gebrauch der Identifizierungselemente L1, L2 und L3 nur
zu technischen Zwecken der Beschreibung sind und in der Praxis irgendeine
Phase mit dem Termin verbunden werden kann (d. h. dieses System
ist nicht phasensensitiv).
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Diskriminatorblöcke 720 und 730 überwachen
die Leitungsspannung der Phase L2 und L3 jeweils in Relation zur
Phase L1. Wenn die Spannung von einer Phase unter eine Schwellenspannung
fällt, wird der Ausgangflag auf gering gesetzt. Die Diskriminatorschwellenspannung
wird oberhalb der höchsten Betriebsspitzenspannung und
unter die geringste Betriebsspitzenspannung gesetzt. Der Relaisblock wird
durch den Logik AND Ausgang kontrolliert. Der Logik AND stellt einen
hohen Ausgangflag nur bereit, wenn beide Diskriminatoren auf hoch
gesetzt sind.
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Die
Relaisspule 751 wird mit einem Feldeffekttransistor 752 zwischengespeichert.
Leistung wird zu der Relaisspule durch den Spannungsregulator 740 bereitgestellt.
Dies ist vorteilhaft, weil die Relaisspulenspannung weniger als
die Versorgungsspannung ist und weil die Versorgungsspannung variieren
wird. Der Spannungsregulator besteht aus einem Stossstromkondensator 741,
einer Gleichrichterdiode 742 und einem Varistor 743,
um die Spitzengleichspannung zu limitieren. Gemäss einer
nicht dargestellten Variante kann die Relaisvorrichtung 750 durch
irgendeine geeignete Schaltvorrichtung ersetzt werden, wie zum Beispiel
ein Festkörperrelais, ein Transistor und so weiter. Ein
EMV Filter, der oben genannten Relaisschaltkreis umfasst, erlaubt
die Isolation des Nebenschlussmodells in dem Fall eines Fehlers.
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Beim
Einschalten kann die Spannung über das Nebenschlussmodul 850 irgendwo
zwischen Null und der Spitzenleitungsspannung schwingen. Relais 750 wird
zu diesem Zeitpunkt abgeregt, so dass seine normalerweise offenen
Kontakte einen Stromfluss zur Erde verhindern und der Zustrom von
Erdkriechung minimiert wird. Bei einem einzelnen Fehler oder einem
doppelten Fehler wird das Relais 750 ebenfalls abgeregt,
und das Nebenschlussmodul 850 wird von der Erde isoliert.
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In
dem Schaltkreis der 15 wird eine Seite des Nebenschlussmoduls 850 durch
die Relaisvorrichtung 750 geerdet, das andere Ende des
Nebenschlussmoduls 850 wird mit dem Ausgang des virtuellen
Erdreglers (VER) 120g verbunden. Das begrenzt die Stromfrequenz
ELC, die von Störungen der Stromversorgung resultieren.
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Unter
normalen Betriebsbedingungen, wenn die Relaisvorrichtung 750 geschlossen
ist, wird das Y Kondensatornetzwerk 900 an die Stromleitungen L1–L3
angeschlossen und der Z Kondensator Cz des Nebenschlussmoduls 850 wird
zwischen dem Sternpunkt des Y Kondensatornetzwerks und der Erde verbunden.
Die Serienschaltung dieser beiden Module stellt die Erdwegskapazität
in dem Filter bereit.
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Der
Ausgang des VER Schaltkreises 120g wird mit dem Y Sternpunkt 100 verbunden.
Bei Stromfrequenzen wird der Y Sternpunkt 100 nahe dem
Erdpotential durch das VER Modul 120g gehalten. Deshalb
wird die Z Kapazität an beiden Elektroden nahe dem Erdpotential
gehalten und daher nahe einem Nullstrom bei den Stromfrequenzen.
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Strom
wird an das VER Modul 120g mittels einer Stromversorgung 123a bereitgestellt.
Dies umfasst die spannungsstossgetriebenen Kondensatoren 850.
Diese Kondensatoren werden dimensioniert, um den Strom in der Stromdissipationsfähigkeit des
Spannungsfolgers zu begrenzen. Maximaler Strom wird erreicht, wenn
die Impedanzlast gleich der äquivalenten Kondensatorimpedanz
ist. Deshalb ist die Stromversorgung selbstbegrenzend.
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Das
X Kondensatornetzwerk stellt Gegentaktbetätigung in dem
bekannten Weg in einem Filter bereit. Es stellt auch mittels der
Kondensatoren 860 und den Varistoren S1, S2 einen stabilen
Referenzpunkt für die Stromversorgung 123a bereit.
Durch den grossen Wert der „X" Kondensatoren stellt der Sternpunkt
eine sehr geringe Impedanz dar, und eine sehr geringe Brummversorgungsspannung
kann auf diese Weise erhalten werden. Zusätzlich stellt
das X Kondensatornetzwerk einen Rückweg für den
Strom dar, der von dem Y Kondensatorennetzwerk bereitgestellt wird,
anstelle den Strom zur Erde weiterzuleiten, was übermässige
ELC vermeidet.
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Der
Hochpassfilter 866 überwacht die Spannung Vy des Y Sternnetzwerks 100 und stellt
eine Kontrollspannung V1 an der nicht invertierenden
Eingangsspannung des Betriebsverstärkers 326 gemäss
der Übertragungsfunktion V1/Vy = B(f) bereit. Schaltkreisanalysis des
Frequenzverhaltens zeigt, dass der VER Schaltkreis 120g eine
sehr geringe Ausgangsimpedanz an dem Sternpunkt 100 bei
geringen Frequenzen aufweist, was den Spannungsabfall über
das Nebenschlussmodul 850 und die VLC begrenzt. Bei höheren
Frequenzen, die von der Übertragungsfunktion B(f) des Hochpassfilters 866 definiert
sind, wachst die Ausgangsimpedanz des VER Schaltkreises 120g und
kann für das Rauschen komplett missachtet werden, was durch
das Nebenschlussmodul 850 geerdet ist.
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Die
Abschaltefrequenz des Hochpassfilters 866 kann zum Beispiel
um 1 kHz platziert werden. Auf diese Weise wird das VER Modul bei
einer Frequenz von 50–60 Hz aktiv, um die Erdkriechspannung
zu begrenzen und für die grössten harmonischen
Komponenten der Leitungsspannung muss das VER Modul 120g nicht
irgendeine hochfrequente Rauschkomponente verarbeiten. Das erlaubt
die Verwendung eines einfachen VER Moduls mit hoher Stabilität
und geringem Leistungsverbrauch. In dem dargestellten Beispiel wird
die Ausgangsstufe des VER Moduls 120g durch ein einziges
Q4 dargestellt, um die Zeichnung zu vereinfachen, würde
aber vorzugsweise durch ein komplementäres Paar von Transistoren,
wie in 13, realisiert werden.
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Gemäss
einem unabhängigen Aspekt der Erfindung könnte
das VER Modul 120g und die Stromversorgungseinheit 123a,
die in 15 dargestellt sind, mit der
Anordnung der voran gegangenen Ausführungsbeispiele ohne
den Relaisschutzschaltkreis 700 kombiniert werden.
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Zusammenfassung
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EMV-Filter,
verbindbar zwischen einer Netzversorgung und einer elektrisch betriebenen
Anwendung, um Leitungsrauschen zwischen besagter Netzversorgung
und besagter Anwendung zu reduzieren, umfassend einen Spannungsregler
(120, 120a, 120b, 120c) mit
einer Ausgangsklemme (100, 110), dessen Potential
nahe dem Erdpotential gehalten wird, im den Spannungsabfall bei
einer Hauptfrequenz über einen „Y" Kondensator
(330) oder ein aktives Nebenschlussmodul (360)
zu reduzieren. Auf diese Weise wird der Kriechstrom zur Erde erheblich reduziert.
Die Vorrichtung der Erfindung ist besonders nützlich in
einer ecken-geerdeten drei-phasigen Leitung oder in Verbindung mit
RCD Vorrichtungen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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