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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf elektrische Filter, um eine
unerwünschte Rauschkomponente von einem elektrischen oder
elektronischen Schaltkreis oder Leitung zu filtern und spezieller,
aber nicht exklusiv, von elektromagnetischen Kompatibilitätsfiltern
für Hauptleitungen oder Verteilungsleitungen an der Hauptfrequenz.
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Beschreibung des Standes der
Technik
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Elektromagnetische
Kompatibilität (EMV) ist heutzutage ein immer wichtiger
werdender Faktor in der elektrischen und elektronischen Industrie.
Eine grosse Anzahl von elektrischen Schaltkreisen und Anwendungen
existieren, welche dafür verantwortlich sind, ungewünschtes
elektrisches Rauschen zu generieren oder dafür bekannt
sind, unter dem von anderen Schaltkreisen oder Anwendungen produzierten
Rauschen zu leiden.
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Das
weitergeleitete Rauschen und Störungen werden allgemein
dadurch behandelt, dass ein Tiefpass-LC-Filter in der Hauptversorgungsleitung
der rauschgenerierenden Vorrichtungen oder der rauschempfindlichen
Vorrichtungen eingesetzt werden. Solche Filter dämpfen
die ungewünschten Frequenzkomponenten auf ein harmloses
Niveau. Viele Filtertopologien, einschliesslich den klassischen „L”, „T” und „pi” Filtertopologien,
können angewendet werden.
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Die
europäische Patentanmeldung
EP1069673 zeigt
ein Beispiel von einem Dreiphasenrauschunterdrückungsfilter,
das passive Elemente umfasst.
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Es
konnte gezeigt werden, dass passive EMV-Filter bei einer Vielzahl
von Anwendungen effektiv sind. Ein Nachteil dieser Technik ist jedoch,
dass hochwertige Kondensatoren und Induktivitäten für
diese Anwendung gebraucht werden, um das gewünschte Dämpfniveau
zu erreichen. Die Grösse und Kosten von den resultierenden
Filtern sind hauptsächlich durch diese grossen Komponenten
bestimmt, insbesondere wenn eine hohe Dämpfung von Gleichtakt-Störspannungen
gebraucht wird. Zusätzlich ist die Kriechspannung direkt
proportional zu der Kapazität der Filterkondensatoren.
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Es
ist auch bekannt, aktive Elemente in Rauschunterdrückungsfiltern
anzuwenden, zum Beispiel in dem Europäischen Patent
EP0995266 . Der Gebrauch
von aktiven Elementen erlaubt den Gebrauch von kleineren Induktivitäten
und Kondensatoren, was ein kompakteres Filter bereitstellt. Die
existierenden konventionellen Filter haben jedoch den Ruf weniger
verlässlich zu sein als ihre traditionellen passiven Partner
und es besteht der Verdacht, dass sie wegen Überspannungs-
oder Überhitzungszusammenbrüchen ausfallen, oder dass
sie Instabilitäten und Oszillationen zeigen. Spannungsleitungs-EMC-Filter
schliessen in den meisten Fällen geerdete Kondensatoren,
so genannte Y Kondensatoren, ein, zusammen mit einer geeigneten
Induktivität, um eine Gleichtaktdämpfung zu erreichen.
Eine unvermeidbare, ungewünschte Konsequenz davon ist,
dass eine Spannung zu der Erde durch den Y Kondensator fliesst,
die so genannte Erdleckspannungen (ELC). In der
1,
welche in eingleisiger Diagrammform ein Beispiel eines bekannten
EMC Filter zeigt, ist der Y-Kondensator durch die Referenznummer
30 angezeigt,
36 ist
die korrespondierende Induktivität und
35 ist
der Weg der Erdkriechspannung. Als eine Regel gilt, dass je höher
die Kapazität des Y-Kondensators und die Spannung darüber
sind, desto intensiver ist die ELC.
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Auf
einem hohen Niveau wird die ELC als gefährlich für
das Personal angesehen. Davon unabhängig kann exzessiver
ELC mit dem zuverlässigen Betrieb von einem elektrischen
System interferieren. Insbesondere Installationen, die eine Grundspannungsdetektierung
(RCD) haben, werden durch die Detektierung der RCD-Vorrichtung unterbrochen.
Es wird daher als gut angesehen, die Erdkriechspannung zu minimieren, wenn
EMC-Filter ausgelegt werden.
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Für
Leistungssysteme mit einer Stern geerdeten Versorgung (d. h. ein
TN System in Europa) kann Erdspannung ein Problem darstellen, obwohl
die ELC normalerweise unter normalen Bedingungen gemässigt
ist, weil das System um das Erdpotenzial austariert ist. Hohe ELC-Werte
können jedoch in Hochleistungsfiltern auftreten oder wo
eine starke Gleichtaktdämpfung gebraucht wird.
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Ein ähnliches
Problem zeigen IT Leistungssysteme, wie sie unter anderem in Schiffen
oder Fabriken angewendet werden. Hier wird die Hauptleistung nur
lose zur Erde durch eine Impedanz referenziert. Dies wird so getan,
dass im Falle von einem Phasenkurzschluss zur Erde, die Installation
mit einer relativen Sicherheit weiterarbeiten wird. In dieser abgekürzten
Arbeitsweise wird das Stromsystem „Ecken geerdet” sein
und der Sternpunkt 90 der 2 wird schnelle Übergangsschwankungen
sehen. Wenn grosse Kondensatoren verwendet werden, wird eine hohe
ELC existieren, welche das Spannungslimit der Y-Kondensatoren übersteigen und
in einem katastrophalen Versagen resultieren kann, welches ein Stromausfall
bewirken kann. Diese Kette von Versagen kann die Zuverlässigkeit
von IT Spannungssystemen beeinträchtigen.
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Es
gibt daher einen wachsenden Bedarf für Rauschunterdrückungsfilter
mit geringen ELC. Traditionell wurden derartige Filter mit einer
reduzierten Kapazität in der Erdleitung hergestellt, um
die ELC zu begrenzen. Um jedoch eine geeignete Dämpfung
beizubehalten, muss die Filterintendanz entsprechend erhöht
werden, um die reduzierte Kapazität zu kompensieren, welche
die Filter grösser und teurer macht. Selbst den Induktivitätswert
zu erhöhen, ist jedoch keine fertige Lösung und
Filter mit einem kleineren Y-Kondensator sind oft weniger effektiv
für die EMV Geräuschreduktion als Filter mit einem
höheren Y-Kondensator. Zusätzlich kann diese erhöhte
Induktivität zu erhöhten Leistungsverlusten, Temperaturanstiegen
und Ende-zu-Ende Spannungsabfällen führen, welche
alle schädliche Bedingungen darstellen.
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Kurze Zusammenfassung der
Erfindung
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Es
gibt daher ein Bedürfnis für ein EMC Unterdrückungsfilter,
welches eine hohe Dämpfung bei allen Frequenzen, geringen
ELC und eine kompakte Grösse aufweist.
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Zusätzlich
besteht ein Bedürfnis für ein EMC Filter, welcher
leicht an eine Vielzahl von Anwendungen angepasst werden kann, und
welcher sicher sowohl unter normalen als auch in fehlerhaften Bedingungen
arbeitet. Gemäss der Erfindung werden diese Ziele durch
Mittel, die Gegenstand der angehängten Ansprüche sind,
erreicht.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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Die
Erfindung wird mit Hilfe der Beschreibung von einem Ausführungsform,
welches als Beispiel gegeben wurde, besser verstanden und anhand
der beigefügten Figuren erläutert, wobei
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1 ein
eingleisiges Diagramm ist. Es zeigt in einer vereinfachten schematischen
Weise ein bekanntes EMV Filter und den Weg der Erdkriechspannung;
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2 in
einer vereinfachten schematischen Weise ein bekanntes, dreiphasiges
EMV Filter und den Weg der Kriechspannung zeigt;
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3 in
einer Block schematischen Weise ein aktives EMV Filter gemäss
einem Aspekt der vorliegenden Erfindung illustriert;
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4 mit
mehr Details ein Beispiel eines EMV Filters gemäss einem
Aspekt der Erfindung illustriert;
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5 und 6 schematisch
einen möglichen Aufbau eines Filters gemäss der
Erfindung illustrieren;
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7 und 8 schematisch
zwei Filter zweiten Grades gemäss der Erfindung illustrieren.
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Detaillierte Beschreibung
von möglichen Ausführungsformen der Erfindung
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Das
Problem und die Gründe der Erdspannungen in EMV Filter
werden in der 1 illustriert. Eine Stromleitung 11,
welche ein- oder mehrphasig sein kann, wird zu der Vorrichtung 15 eines
Filters 20 verbunden, um mögliche Interferenzen
zu unterdrücken, die durch die Vorrichtung 15 generiert
und entlang der Leitung 11 weitergeleitet werden. Das Filter,
in dieser vereinfachten Realisation schliesst eine Reihe von Induktivitäten 36 und
einen „Y”-Kondensator 30 zwischen den
Phasenleitern und den Erdkondensator ein. Irgendein Potenzial über
den „Y”-Kondensator 30 wird in sehr grossen
Anteil zu der Erdkriechspannung 35 beitragen.
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Dieselbe
Situation, aber im Fall einer dreiphasigen Stromleitung, wird in
der 2 dargestellt. In diesem Fall betreiben bekannte
Filter eine Bank von „X”-Kondensatoren 331,
die über Phasenleiter 700 verbunden sind, welche
zu der Reduzierung von Gegentaktrauschen beitragen. Gleichtaktrauschen
auf der anderen Hand wird durch den Kondensator 330, welcher
zwischen dem Sternpunkt 90 und der Erde verbunden ist,
unterdrückt. Wenn, wie dies in dem dargestellten Ecken
geerdeten Beispiel dargestellt ist, das Phasenpotential nicht in
Bezug auf das Erdpotential austariert ist, sieht die Kondensator 330 ein
grosses Potential und lässt eine wesentliche Erdkriechspannung 35 fliessen.
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3 ist
ein vereinfachtes Blockdiagramm eines Teifpass EMV Unterdrückungsfilters
für AC Stromleitungen. Es umfasst die zwei Induktivitäten 401 und 402,
jeweils zu der Leitungsseite und der Lastseite getrennt durch einen
zentralen Nebenschlussweg zur Erde, was einen „T” Filter
formt. Gemäss einer nicht gezeigten Variante hat das Filter
ein „L” Schema, einschliesslich nur einer Induktivität
entweder auf der Leitungsseite oder auf der Lastseite. Die Abzweigeinheit 405 stellt
eine galvanische Verbindung zu den Stromkabeln bereit mit dem Ziel
die RF Rauschspannung zur Erde nebenzuschliessen. Die Erfindung
umfasst verschiedene Vorrichtungen, um die galvanische Vorrichtung
zu realisieren. Vorzugsweise erhält man diese jedoch durch
ein Isolationsverschiebeverbindungselement (IDC). Die IDC-Technik
spart Herstellungszeit und vermeidet den Schnitt und das Spleissen
der hochphasigen Leiter 700. Es braucht jedoch zusätzliche
Isolierung, welche benötigt wird, wenn die Phasenleiter
offen gelegt werden und stellt eine mechanische Unterstützung
für Stromkabel dar, welche sehr gross in Hochleistungsanwendungen
sein können.
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Das
X-Kondensatornetzwerk 410 wird typischerweise aus drei
Kondensatoren hergestellt, die zu einem Stern verbunden sind. Dies
wird in dem wichtigen Fall eines Dreiphasensystems benötigt,
könnte aber im Beispiel eines einphasigen Niederspannungssystems
weggelassen werden. Ein hochwertiger Anzapfwiderstand (nicht gezeigt
in dieser Figur, aber in der 4 sichtbar)
wird oft parallel mit jedem Kondensator verbunden. Die X-Kondensatoren
stellen eine Symmetrische Dämpfung dar; sie stellen auch
einen Weg geringer Impedanz zwischen jeder Phase und dem Kondensatorsternpunkt 90 für
asymmetrisches RF Rauschen dar.
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Der
Niveaudiskriminatorblock 430 überwacht die Sternpunktspannung
in Bezug auf das Erdpotential. Wenn die Sternpunktspannung ein gesetztes
Niveau überschreitet, übergibt der Diskriminator 430 ein
Verbotssignal zu der Schaltvorrichtung 420. Der Niveaudiskriminator 430 kann
optional einige Signalintegrationen (nicht gezeigt) einschliessen,
um das verbotene Signal im Falle von schnellen Übergangsschwankungen
zu unterdrücken. Die Integrationszeitkonstante kann in
Bezug auf die Übergangsschwankungen, die während
der normalen Betriebsbedingungen erwartet werden, gesetzt werden.
Optional kann der Ausgang des Diskriminators 430 ausserhalb
der Filtereinheit bereitgestellt werden, um das Ereignis eines Fehlers
zu signalisieren. Das Filter könnte dann einen elektrischen
Fehlerausgang oder einen optischen Fehlerausgang (d. h. Fehler-LED) umfassen.
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Eine
Schalteinheit 420 wird zwischen dem Sternpunkt 90 und
dem Verstärkerblock 460 gesetzt. Vorzugsweise
basiert die Schalteinheit auf einer Halbleiterrelaisvorrichtung
(SSR), aber sie könnte auch ein elektromechanisches Relais
oder irgendeine andere geeignete Schaltvorrichtung enthalten. Der
Zweck der Schalteinrichtung 420 ist es, den Kondensatorsternpunkt 90 von
der Erde im Falles eines Leitungsisolationsfehlers oder eines exzessiven
Ungleichgewichts oder irgendwelche Bedingungen, welche die Spannung
am Sternpunkt 90 über die normalen Werte ansteigen
lassen, zu isolieren. Die Schalteinheit akzeptiert auch die Kontrolle
durch die Hilfsstromversorgung 450.
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Das
Verbot verursacht auch, dass sich die Schaltvorrichtung im Falle
eines Leitungsfehlers, der durch einen Anstieg im Potential des
Sternpunkts 90 in Bezug auf die Erde ermittelt wird, öffnet.
Die Schalteinheit 420 stellt einen Extragrad von Sicherheit
dar und stellt sicher, dass die ELC in sicheren Grenzen in allen
Bedingungen bleibt, und dass das Filter fehlertolerant ist. Im Falle
eines Isolationsfehlers einer Phase beispielsweise in einem IT-System
wird sich das Filter effektiv selbst abschneiden, und das System
kann kontinuierlich bei einem höheren Rauschniveau weiterarbeiten,
bis der Fehler repariert ist.
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Die
Hilfsstromversorgung 450 ist eine kleine isolierte Stromquelle.
Sie kann entfernt platziert werden und extern zu dem Filter sein
oder darin integriert werden. Sie sollte von derselben Stromleitung
gespeist werden, welche durch den Filter läuft und typischerweise
wird sie auf der Lastseite des Filters platziert. Die Stromanforderung
des Systems ist direkt proportional zu der Ausgangsspannung der
Versorgereinheit; es gibt also dadurch einen Bonus, dass ein gemässigtes
Spannungsniveau gewählt wird. Typischerweise sind 48 V
DC und 10 W kontinuierlicher Leistungsausgang genügend.
Beim Einschalten gibt es keine Spannung von der Stromversorgungseinheit 450 und
das Relais ist unter normalen Bedingungen geöffnet. Dies
verhindert einen Zustrom, der durch den Verstärkerblock 460 zur
Erde fliesst.
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Der
Verstärkerblock 450 empfängt seine Versorgung
von der Stromversorgungseinheit 450 und schliesst die kontrollierte
Quelle 465 ein, die als einen Strom Io in
Funktion eines Spannungseingangs Vi, der durch
das Filter 470 bereitgestellt wird, abfliessen lassen kann.
Vorzugsweise nähert die kontrollierte Quelle eine kontrollierte
Stromquelle an, wie dies in den Figuren gezeigt ist, aber dies ist
kein wesentliches oder begrenzendes Merkmal der Erfindung. Das Filter 470 ist
ein Hochpassfilter, der ausgelegt ist, um Netzfrequenzen zu unterdrücken
oder mindestens zu dämpfen, und die Radiofrequenzen zu
dem Verstärker durchzulassen. Die Filtereckfrequenz wird
zum Beispiel auf 150 kHz gesetzt.
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Der
Verstärker
460 ist zum Beispiel ausgelegt, um
einen Strom I
o proportional zu einem Spannungseingangs
V
i abfliessen zu lassen. In diesem Fall
hat die Transferfunktion
die Dimension einer invertierten
Impedanz, und der Verstärker
460 wird Gegenleitwertverstärker
genannt. Es steht zu beachten, dass dies kein wesentliches Merkmal
ist, und dass das Filter der Erfindung verändert werden
könnte, um eine stromkontrollierte Stromquelle oder irgendeine
andere Stromquelle gemäss den Umständen zu verwenden.
Der Eingang V
i kann auch gemäss
dem Fall differential oder einpolig sein.
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Es
kann hervorgehoben werden, dass der Strom Io den
Effekt hat, die Spannung am Sternpunkt 90 zu reduzieren,
welches dann den Antrieb des Verstärkers 460 mittels
den Sensordraht 425 und dem Hochpassfilter 470 reduziert.
Das Filter hat ein negatives Feedback, welches dazu tendiert, das
Eingangspotential, in diesem Fall das Potential des Sternpunkt 90,
mindestens in dem Geräuschfrequenzband auf einen konstanten Wert
zu stabilisieren. Auf diese Weise ist die Impedanz des Sternpunkts 90 bei
RF Frequenzen sehr gering und ein effektiver Nebenschluss des Rauschens
kann realisiert werden. Besonders zu beachten ist, dass der Eingang
Vi direkt durch den Sensordraht 415 gemessen
wird, welcher kein signifikantes Stromsignal trägt und deshalb
einen vernachlässigbaren Spannungsfehler einführt.
Ein Spannungsabfall in der Schalteinheit 420 und in den
Verbindungskabeln wird durch die Durchlassverstärkung des
Verstärkers 460 kompensiert. Das Filter der Erfindung
kann die Grundimpedanz in dem „an” Status des
Schalters 420 und die Länge des Kabels 417 tolerieren
und wird dadurch nicht beeinflusst. Die Durchlassverstärkung
des Verstärkers kann auch den Spannungsabfall über
den Erdkondensator 330 kompensieren.
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Die
Verstärkereinheit 460 umfasst einen Nennhochspannungskondensator 330,
zum Beispiel einen X2-Kodensator, um die Isolierung zur Erde unter
allen Umständen bereitzustellen, zum Beispiel während
hohen Potentialen oder Stosswellentests. Äquivalente Isolierung
wird bereitgestellt, wo geeignet, also in den Diskriminatoren 430 und
dem Filter 470, während die korrespondierenden
Kondensatoren nicht gezeigt werden, um Unordnung in den Figuren
zu vermeiden. Es muss beachtet werden, dass der Wert des Kondensators 330 in
Funktion zur Versorgungsspannung der Stromversorgung 450 ausgewählt
werden muss, wobei ein kleiner Kondensator eine grössere
Schwingung benötigt, um den gewünschten Strom
durchzulassen. Durch den relativ kleinen Wert des Kondensators 330 und
durch die starke Dämpfung der Netzfrequenzen durch den
Hochpassfilter 470 ist die ELC in dem Filter der Erfindung
wesentlich kleiner als in konventionellen Filtern bei gleichen Leistungen.
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4 illustriert
ein anderes Beispiel von einem Tiefpass EMI Rauschunterdrückungsfilter
gemäss einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Dieselben Referenzzeichen in dieser und den anderen Figuren der
vorliegenden Anwendung zeigen identische oder äquivalente
Merkmale.
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Dieses
Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein „T”-Typfilter
einschliesslich symmetrischen Drosseln, die Leitungsdrossel 401 auf
der Leistungsseite und die Lastdrossel 402 auf der Lastseite,
getrennt durch einen zentralen Nebenschlussweg zur Erde, was vorzugsweise
durch ein Isolationsverschiebeverbindungselement (IDC) erreicht
wird.
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Die
Leitungs- und Lastdrosseln 401, 402 bewirken eine
längsgerichtete, asymmetrische Impedanz in der Leitung.
Typischerweise wird ein hoch permeables magnetisches Kernmaterial
verwendet. Vorzugsweise werden sehr wenige Windungen an den Kern
angebracht. Typischerweise dringen die Stromkabel nur einmal durch
den Kern. Deshalb scheinen die Drosseln Wulste, die auf das Stromkabel
bespannt sind. Diese Drosseln sind deshalb leicht herzustellen,
insbesondere für Hochspannungsanwendungen. Sie sind billig,
kompakt, haben einen geringen Stromanstieg, geringe Stromverluste
und einen geringen Leitungsverlust zu der Lastspannung. Zusätzlich
können die Stromkabel isoliert bleiben, so dass die Kriechdistanz
und der Abstand in der Drossel kein Thema sind. Weil die Drosseln
klein sind, wird kein Harz (Vergussmasse) benötigt, um
die Drosseln zu sichern, was die Kosten und das Gewicht weiter reduziert.
Ohne Harz kann das Filter einfacher wiederverwertet werden, was
aus Umweltschutzgründen zu begrüssen ist. Die
Drosseln 401, 402 könnten jedoch durch
induktive Elemente von verschiedener Art, zum Beispiel gewundene
Induktoren ersetzt werden, ohne von dem Umfang der Erfindung abzuweichen.
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Der
Niveaudiskriminator 430 wird durch zwei Rücken
an Rücken angeordnete Dioden 431 realisiert, und
ist auf geeignete Weise zur Erde durch einen Nenn-HV Widerstand 432 isoliert.
Es treibt direkt den Ausgang von dem Halbleiterrelais in der Schalteinheit 420 an,
was optisch isoliert ist. Komponente 421 ist eine Unterdrückungsvorrichtung
für Übergangsschwankungen, zum Beispiel ein MOV
Varistor, ein TranZorb® (Trademark
of Vishay) oder irgendeine andere geeignete Komponente, um den Spannungsabfall über
das Halbleiterrelais zu begrenzen, zum Beispiel während
Stosswellentests.
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Hochpassfilter 470 in
dieser Realisierung ist ein zweistufiger Filter von der Art einer
Brücke mit einen Differentialausgang 461. Das
hat den Vorteil, dass exzessive Phasenverschiebungen reduziert werden,
was zu einer Resonanz führen kann. Andere Realisierungen
sind jedoch im Rahmen der Erfindung möglich, und werden
im Rahmen der Erfindung umfasst. Der Hochpassfilter 470 wird
auf das Erdniveau gelegt und ist von den nahe gelegenen Stufen durch
die Hochspannungsnennkondensatoren 472 isoliert. Es ist
wichtig zu bemerken, dass die Hochspannung und die Stosswellenisolation
in dem Filter der Erfindung gänzlich auf passiven Isolierungsmitteln
beruht. Das Filter der Erfindung hat eine positive Isolierung von
den Leistungskondensatoren 700 von der Erde, die nicht
durch eine Fehlfunktion von den aktiven Komponenten beeinträchtigt
werden kann.
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5 und 6 illustrieren
den Zusammenbau des Filters und des IDC-Verbindungselements. Die IDC
Kabelklemme 405 umfasst zwei Hälften 405a und 405b,
welche auf dem Stromkabeln 700 befestigt sind. Die obere
Klemme 405b trägt drei Isolierungsverschiebungsvorrichtungen 406,
zum Beispiel Nadeln oder Klingen, um die Stromkabelisolierung zu
durchdringen und eine galvanische Verbindung mit jeder der drei
Phasen bereitzustellen. Zusätzlich wird die Kabelklemme 405 in
dem Gehäuse 400 des Filters befestigt und stellt
einen mechanischen Halt für die Stromkabel dar, welche
bei Hochstromanwendungen sehr gross sein kann. Dies spart Herstellungszeit
und es gibt kein Bedarf Isolationen von Kabeln zu entfernen oder
zu schneiden und wieder miteinander zu verbinden, um eine galvanische
Verbindung zu machen. Es vermeidet auch, blanke Kupferdrähte
sichtbar zu machen, was den Bedarf für zusätzliche
Isolierung vermeidet. Gemäss nicht dargestellten Varianten
der Erfindung könnte der Filter separate Klemmen für
jede der Stromphasen umfassen. Die Kabelklemme 405 dient
vorzugsweise als Unterstützung für die verbleibenden
Komponenten des Rauschfilters, zum Beispiel auf einen PCB-montierten
Modul 800, wie dies in der 5 gezeigt
wird.
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Gemäss
einem anderen Aspekt der Erfindung kann das aktive Modul 800 gemäss
den Bedürfnissen mit einer minimalen Anzahl von externen
Komponenten kombiniert werden, um einen EMC-Filter zusammenzustellen.
Auf diese Weise kann der EMC Filter der Erfindung bequem in einer
Wirtsvorrichtung integriert werden. Vorzugsweise umfasst das Modul 800 die
Schaltereinheit 420, den Durchlassverstärker 460,
den Hochpassfilter 470 und den Diskriminator 430;
die Hilfsstromversorgung 450 und das X Netzwerk 410 können
in dem Modul 800 eingeschlossen werden oder werden separat
gemäss den Bedürfnissen bereitgestellt. Auf diese
Weise kann das EMC Filter der Erfindung bequem in eine Vielzahl
von Wirtsvorrichtungen integriert werden.
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Auf 3 verweisend
ist das X Kondensatornetzwerk 410 typischerweise aus drei
Kondensatoren von geeigneter Kondensationsklasse, zum Beispiel Kondensatoren
X1, X2, Y1, Y2 gemäss EN132400, hergestellt. Ein
hochwertiger Anzapfwiderstand wird parallel mit jedem Kondensator
verbunden. Diese Kondensatoren stellen eine symmetrische Dämpfung
bereit. Sie stellen auch einen geringen Impedanzweg zwischen jeder Phase
und dem Kondensatorsternpunkt 90 für das asymmetrische
Radiofrequenzrauschen dar.
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Das
Halbleiterrelais 420 isoliert den Kondensatorsternpunkt
von der Erde beim Anschalten und in dem Falle eines Fehlers. Zwei
Kontrolleingänge werden dem Halbleiterrelais 420 bereitgestellt,
eine von der Hilfsstromversorgung 450 und das Verbotssignal
von dem Niveaudiskriminator 430. Beim Anschalten gibt es
keine Ausgangsspannung von der Hilfsstromversorgung, so dass das
Relais als offener Schaltkreis vorliegt. Dies vermeidet einen Zustrom,
der durch den Durchlassverstärker 460 zur Erde
fliesst. Verbotseingang verursacht, dass das Relais zu einem offenen
Schaltkreis im Falle eines Leitungsfehlers wird. Dies vermeidet
einen Strom vom dem Kondensatorsternpunkt 90 zur Erde durch
den Durchlassverstärker 460. Das Halbleiterrelais 420 hat eine
Durchlasszustandgrundimpedanz, welche den RF Strom verhindern könnte.
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Der
Hochpassfilter 470 bedingt die Spannung Vs am
Kondensatorsternpunkt. Sie weist die Netzfrequenzen zurück
und lässt die Radiofrequenzen zu dem Eingang 461 des
Durchgangverstärkers durch. Die Transferfunktion des Durchgangverstärkers 460 wird
als B(f) angezeigt und hat zum Beispiel einen Haltepunkt bei 150
kHz.
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Der
Durchgangsverstärker 460 stellt einen Stromausgang
Io, der durch eine Differentialspannungseingang
Vi, kontrolliert wird, bereit. Sie ist charakterisiert
durch eine frequenzabhängige Transferfunktion G(f). So ist
der Stromausgang Iof
= Gf·Vif (2).
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Typischerweise
kann G(f) mit einem Verzögerungsschaltkreis modifiziert
werden, um exzessive Phasenverschiebung, die zu Oszillationen und
Instabilitäten führen könnten, zu vermeiden,
wie dies im Stand der Technik bekannt ist. Schutz vor Überströmen
und Überspannungen werden bereitgestellt, um den Durchgangsverstärker 470 während
Hochspannungstests und von Übergangsschwankungen in der
Leitung zu schützen. DC-Vorspannung wird durch einen internen
Rückführungswiderstand bereitgestellt. Der Durchführungsverstärker 460 könnte
durch einen Spannungsverstärker oder durch irgendeine andere
aktive Nebenschlussvorrichtung ersetzt werden, wie dies in dem Stand
der Technik bekannt ist.
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Impedanz von dem Sternpunkt
zur Erde
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Von
den oben angegebenen Gleichungen ist die frequenzabhängige
Impedanz zwischen dem Sternpunkt und der Erde Zsf
= Vs/Io = 1/B(f)·G(f).
Es ist zu beachten, dass die SSR Durchlassgrundimpedanz nicht relevant
für Zs ist.
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Hohes Dämpfungsmittelband
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Der
Nebenschlussweg stellt eine geringe RF Impedanz von dem Kondensatorsternpunkt 415 zur
Erde im Mittelband dar (am und über dem HPF Haltepunkt).
Typischerweise wird Zs weniger als ein Ohm
Mittelband sein, was zu einer hohen Masse asymmetrische Dämpfung
führt. Der Zs-Vektor wird eine
reale Komponente, weil B(f) und G(f) reale Komponenten haben. An
dem HPF Haltepunkt Zs kann fast rein durch
den Widerstand geprägt sein. Passive LC Filter zeigen einen
Unterdämpfungsruf an ihren charakteristischen Frequenzen
an. Die Erfindung verhält sich mehr als ein LR Filter und
vermeidet daher exzessives Rufen.
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Geringer Normal-Modus Erdkriechstrom
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Bei
Netzfrequenzen des Hochpassfilters 470 dämpft
die Spannung des Sternpunkts Vs, so dass
Vi sich an Null annähert. Daher
produziert der Durchgangsverstärker 460 einen
virtuellen Nullstrom bei Netzfrequenzen und die Erdkriechspannung
wird minimiert. Bei Netzfrequenzen Zs nähert
sich ein offener Schaltkreis an.
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Geringer Schalt-Modus Erdkriechstrom
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Beim
Anschalten ist das Halbleiterrelais 420 ein offener Schaltkreis,
weil die Hilfsstromversorgung 450 ausgeschaltet ist. Deshalb
kann die Sternpunktspannung Vs zur Spitzenleitungsspannung
und keine Erdspannung wird durch den Durchlassverstärker 460 fliessen.
Deshalb wird der Einschaltstrom minimiert werden. Im Gegensatz ist
allgemein ein hoher Einschalterdkriechstrom für passive
LC Filter bekannt.
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Geringer Fehler-Modus Erdkriechstrom
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Unter
normalen Bedingungen wird die Sternpunktspannung Vs an Netzfrequenzen
(hauptsächlich Grund- und niederwertige Schwingungen) variieren.
Das kommt durch irgendwelche Ungleichheiten in den Phasenspannungen
und durch Ungleichheiten in der Phasenlast. Spannungen bis zu 20
Vrms sind typisch. Unter diesen Bedingungen bleibt das Halbleiterrelais 420 geschlossen.
Unter Fehlerbedingungen wird die Sternpunktspannung relativ zur
Erde wesentlich ansteigen. In einer TN Versorgung wird der Kondensatorsternpunkt
zu 0.5·Vp für einen einzelnen
Fehler und Vp für einen doppelten
Fehler, wobei Vp die rms-Störspannung ist.
In einer IT Versorgung wird die Sternpunktspannung Vp für
einen einzelnen Fehler sein. Unter all diesen Bedingungen stellt
die Niveaudiskriminator 430 ein Verbotssignal bereit und öffnet
das Halbleiterrelais 420. Dies wird in einer gesetzten
Zeit in Abhängigkeit von der Zeitverzögerung des
Schaltkreises und die Zeitkonstante von irgendeiner zusätzlichen
Integrationskonstante sein. Deshalb wird der hohe stationäre
Erdkriechstrom, der bei passiven LC Filter während Fehlern
festgestellt werden kann, vermieden. In einem IT System ist es nicht
gewöhnlich, passive LC Filter zu verwenden, weil das Risiko
eines Schadens des Filters und unerwünschtes Auslösen
des Systems in dem Falle eines Fehlers besteht. Das Filter der Ausführungsform
der Erfindung kann in ein IT System integriert werden, ohne Risiko
für entweder Filter oder System.
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Hochspannungsisolationsstrategie
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Mit
Bezug auf 4 ist der Spannungsabstand zwischen
Phasen und Phase zur Erde äquivalent zu einem konventionellen
passiven LC Filter. Die Isolierungskomponenten sind Kondensatoren
und Widerstände, die mit den wichtigen Sicherheitsstandards übereinstimmen.
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Das
bedeutet, dass die Kondensatoren vorzugsweise selbst heilende Stosswellentypen
von hoher Impedanz, Hochspannungsstosswellentyp sind. Das X Kondensatornetzwerk
stellt eine Isolierung zwischen den Phasen bereit, welche äquivalent
zu einem passiven LC Filter ist. In dieser Erfindung ist die Verbindung
zur Erde nur von dem Sternpunkt gemacht. Es gibt 5 Verbindungspunkte
zur Erde. Diese sind als 'HV' in dem Diagramm markiert. Diese verwendeten
Komponenten an diesen Punkten stellen eine Erdisolation dar. Das Schaltkreislayout
und die Integration von isolierenden Komponenten muss Kriechverhalten
und Toleranzen berücksichtigen. Andere Isolationsschemata
sind möglich.
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Immunität zu den
geleiteten Übergangsschwingungen
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Der
Schaltkreis ist immun gegen alle Formen von weitergeleiteten Übergangsschwankungen
(Stosswellen, Bersten und ESD). Die bei weitem schlimmstem von diesen
sind Stosswellen. Die aktiven Schaltkreise wurden angepasst, um
asymmetrische Stosswellenvorkommnisse zu widerstehen. Stosswellenströme
werden von dem Sternpunkt durch das Halbleiterrelais 420 und
den Durchgangverstärker 460 weitergeleitet. Leistungshalbleiter
in dem Halbleiterrelais 420 und Durchgangsverstärker 460 sind
jeweils durch einen internen Strombegrenzer von Überspannungen
geschützt. Der Durchgangsverstärker 460 und
das Halbleiterrelais 420 sind jeweils von Überspannungen
durch einen parallelen Varistor geschützt. Diese sind mit
S in der 4 markiert.
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Die
Hochspannungsstrategie und Mittel gegen Übergangsschwankungen,
wie sie oben beschrieben worden sind, schützen aktive Schaltkreise
vor Schaden während Hochspannungstests. Das Filter der
Ausführungsform kann zu DC Hochspannungstest unterzogen
werden, wie dies in den relevanten Filterstandards gefordert ist.
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7 zeigt
ein Beispiel einer Realisierung eines zweistufigen Filters, der
zwei identische Module 800a/800b gemäss
einem Aspekt der Erfindung verwendet. Jedes Modul wird vorzugsweise
durch eine PCB realisiert und umfasst einen Durchgangsverstärker 460a/460b,
einen Hochpassfilter 470a/470b, einen SSR Schalter 420a/420b,
ein Gitter von „X”-Kondensatoren 410a/410b und
einen Diskriminator 430a/430b. Die Hilfsstromversorgungseinheit 450 ist
gemeinsam zwischen den Modulen. Es ist wichtig zu erwähnen,
dass die Hauptleitung für das Leitungsseitenmodul 800a eine
Halbdrehung in dem zentralen Kern 403 macht, um ein gegenseitige
Beeinflussung zu vermeiden. Jedes Modul 800a/800b hat
eine IDC-Vorrichtung 405a/405b, um die Phasenleiter 700 zu
kontaktieren.
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Die
IDC-Verbindungselemente 405a/405b müssen
speziell für jeden Typ von Leitungskondensator 700 ausgelegt
sein, und es wäre nicht sehr praktisch es für
jeden erdenklichen Kabeltypen zu tun oder wenn die Phasenleiter
nicht isoliert sind. 8 illustriert ein alternatives
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, welches
einen zweistufigen Filter, wie er äquivalent in der 7 realisiert
wurde, ohne IDC-Verbindungselemente und ohne eine galvanische Verbindung
zu den Phasenleitern 700 zwischen den leitungsseitigen
Induktivitäten 401 und der lastseitigen Induktivität 402.
In diesem Fall verbinden die Module 800a/800b mit
den Phasenleitern an den Leitungseinrichtungen 409a respektive
an den Leitungseinrichtungen 409b verbunden. Weil die Rauschdrähte 717a und 417b und
die Sensordrähte 415a und 415b in der
leitungsseitigen Drossel 401 respektive in der lastseitigen
Drossel 402 angeordnet sind, ist das totale emf auf diesen
Drähten gleich zu dem totalen emf in den Leitungsleitern 700.
Die gemessene Spannung durch die Kabel 415a, 415b wird
deshalb dieselbe sein, wie wenn das X Netzwerk zwischen die Drosseln
eingesetzt worden wäre, wie in dem vorhergehenden Beispiel.
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Das
Filter ist deshalb elektronisch äquivalent zu dem der 7 und
hat im Wesentlichen dieselbe Frequenzantwort. Weil die Sensordrähte 415a/415b und
die Rauschdrähte 417a/417b in die Induktivitäten 401, 402 angeordnet
sind, werden virtuelle Nebenschlussknoten (VSN) geschaffen, welche äquivalent
dazu sind, die Induktivitäten 401, 402 zu
verbinden. Diese erhöhte Kabellänge ist von keiner
Konsequenz, weil die Impedanz der Kabel durch die Verstärkung
des Verstärkers ausgeglichen wird, wie wir dies bereits
gesehen haben.
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Ein
Vorteil des Filters der vorliegenden Erfindung ist, dass es einen
geringen Erdkriechstrom zu allen Zeiten bereitstellt und daher kompatibel
mit RCD Vorrichtungen ist. Ein anderer Vorteil ist die einfache
Struktur der Induktivität, wo typischerweise die Stromleiter
ohne Windungen durch den Filter gehen.
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Zusammenfassung
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Ein
aktiver EMV Filter, der fähig ist, einen geringen Erdkriechstrom
zu allen Zeiten zu erhalten, weshalb es mit RCD Vorrichtungen kompatibel
ist. Das Filter der Erfindung hat speziell eine einfache Induktivitätsstruktur,
wobei typischerweise die Stromleiter durch den Filter geleitet werden,
ohne Windungen, und die meisten Komponenten können in einem
modularen Nebenschlussschaltkreis implementiert werden. Vorzugsweise wird
der Filter dadurch realisiert, dass das Nebenschlussmodul durch
eine IDC Vorrichtung zu den Phasenleitern verbunden wird oder direkt
an die Leitungs- oder Lastvorrichtung, was das Schneiden oder Spleissen
von Hochspannungskabeln vermeidet. Der spezielle Schutzschaltkreis
des Filters verhindert Einschaltstrom beim Einschalten und begrenzt
den Erdkriechstrom sogar im Falle eines Fehlers in der Leitung.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 1069673 [0004]
- - EP 0995266 [0006]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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