DE19713449C2 - Funkentstörfilter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Dämpfung bzw. Unterdrückung von Störgrößen, insbesondere Funkstörungen, die die Funktion von elektrischen Einrichtungen und deren elektromagnetische Umgebung in unbeabsichtigter Weise belasten, und insbesondere ein aktives Leistungsfilter zur Entstörung von elektrischen Leitungen, auf denen hochfrequente Störungen vorliegen.

Die Einhaltung der EMV (elektromagnetische Verträglichkeit) wird bei modernen elektrischen Geräten durch die ständig wachsende Anwendung von elektrischen und elektronischen Elementen bei immer kleinerer Dimensionierung ein zunehmend kritisches Problem. Ist die EMV z. B. in einer Automationsanlage nicht gewährleistet, so kann sich das insbesondere im zufälligen Auftreten vorübergehender Funktionsstörungen mit den damit verbundenen ökonomischen und sicherheitstechnischen Konsequenzen, in der unmittelbaren elektrischen Zerstörung von Bauelementen und Geräten, und nicht zuletzt in einer Gefährdung des Anlagepersonals äußern.

Insbesondere im Bereich der Funkentstörmeßtechnik, die Frequenzen von etwa 10 kHz bis hinauf zu einigen hundert MHz erfaßt, sind strenge Normen und Gesetzesauflagen einzuhalten, die die Maximalwerte der Störspannungen bzw. des Rauschens in verschiedenen Klassen und bestimmten Frequenzbereichen festlegen. Elektrische Geräte, die elektromagnetische Störfelder aussenden, müssen u. a. den Normen EN 55 011 und EN 55 022 genügen.

Aus der JP 62-154912 A ist ein aktives Funkentstörfilter zur Dämpfung der elektromagnetischen Störgrößen einer elektrischen Einrichtung auf Versorgungs­ potentialleitern bekannt. Eine auf der Leitung vorhandene Störgröße wird dadurch gedämpft, daß zunächst mit einer Störsignal-Erfassungseinheit ein der Störgröße entsprechendes Referenzsignal erzeugt wird. Dieses Signal wird dann in einem Operationsverstärker aufbereitet, d. h., verstärkt, invertiert und impedanzgewandelt. Daraus entsteht ein Entstörsignal, das im Idealfall in Pegel und Bandbreite dem zu bedämpfenden Signal entspricht, jedoch letzterem entgegengesetzt gerichtet ist, und das in einer nachgeordneten Gegenkopplungseinheit auf dem Versorgungs­ potentialleiter eingekoppelt wird, um das Störsignal zu dämpfen. Dieses Filter ist jedoch nicht für Hochleistungsanwendungen geeignet, da insbesondere bei höheren Frequenzen und Spannungen negative Rückwirkungen auf die Ausgangsstufe des Operationsverstärkers auftreten werden.

Ein weiteres gattungsgemäßes Funkentstörfilter ist in der DE 44 06 691 A1 beschrieben, das zur Siebung von Wechselspannungsstörungen auf Versorgungs­ potentialleitern dient. Der Anwendungsbereich dieses Filters ist jedoch auf Gleichspannungsnetzwerke beschränkt.

Auch aus der WO 89/06879 A1 ist eine aktive Filteranordnung bekannt, die zum Filtern harmonischer Stromkomponenten dient, die von einem nicht linearen Verbraucher erzeugt wurden, der an ein Wechselspannungsnetz angeschlossen ist. Dieses Filter ist in der Praxis jedoch für die Dämpfung von Störsignalen einer elektrischen Wechselstromlast, mit Frequenzen von einigen Megahertz und in einem Leistungsbereich von bis zu einem Megawatt, ungeeignet.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Funkentstörfilter zu schaffen, das im wesentlichen den gesamten Störphasengang der Störsignale einer elektrischen Einrichtung, insbesondere in einem Bereich zwischen 9 und 30 MHz und in einem Leistungsbereich von bis zu 1000 Ampere und bis zu 440 Volt, dämpfen kann.

Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Filterwirkung des erfindungsgemäßen Funkentstörfilters beruht auf der Dämpfung der leitungsgeführten Störgrößen mittels eines Regelkreises mit aktiven Elementen zur Erzeugung eines den Störgrößen phasenverkehrten Entstörsignals, welches den Störgrößen gegengekoppelt wird und diese wenigstens größtenteils kompensiert.

Vorzugsweise enthält der Regelkreis eine Störsignal-Erfassungseinheit, die in der Arbeitsbandbreite des Filters, z. B. zwischen 9 und 30 kHz, kontinuierlich Störspannungspegel erfaßt, die oberhalb eines bestimmten oberen Grenzwertes liegen. Mit der erfindungsgemäßen Störsignal-Erfassungseinheit können bestimmte, der Netzspannung überlagerte hochfrequente Störpegel ausgesiebt bzw. zur weiteren Verarbeitung abgezweigt werden. Treten solche Störpegel auf, dann wird ein den Störsignalen vorzugsweise in Größe und Bandbreite entsprechendes Referenzsignal von der leistungsführenden Hauptleitung abgezweigt und einer Verarbeitungseinheit zugeführt. Die Empfindlichkeit des Regelkreises ist dabei vorzugsweise, wie oben erwähnt, an der Störsignal- Erfassungseinheit oder an einer anderen Funktionseinheit, wie z. B. der Verarbeitungseinheit einstellbar. Die erfindungsgemäße Störsignal- Erfassungseinheit kann z. B. in ihrer Empfindlichkeit auf verschiedene Dämpfungsklassen entsprechend der geltenden Vorschriften eingestellt, und die Dämpfung auch neuen strengeren Anforderungen angepaßt werden. Die Störsignal-Erfassungseinrichtung umfaßt einen Stromdifferenztransformator, wobei die Einstellung der Empfindlichkeit z. B. an regelbaren Schaltreiselementen (Drehkondensator, regelbarer Transformator Potentiometer ...) vorgenommen werden kann.

Die Ausgangssignale der Störsignal-Erfassungseinheit werden dann in der nachfolgenden Verarbeitungseinheit vorzugsweise gefiltert und verstärkt, um damit ein deutliches, dem Störsignal entsprechendes Referenzsignal zu erzeugen. Die Verarbeitungseinheit umfaßt z. B. aktive Schaltelemente (Operationsverstärker) und geeignete Filter (Hochpaß).

Das von der Verarbeitungseinheit stammende Signal dient schließlich als Eingangssignal einer Gegenkopplungseinheit zur Erzeugung eines Entstörsignals (Entstörspannung) auf dem betreffenden leistungsführenden Leiter. Die Gegenkopplungseinheit umfaßt einen Stromausgangstransformator. Das Entstörsignal entspricht im günstigsten Fall im Pegel und in der Bandbreite dem zu bedämpfenden Störsignal, mit dem Unterschied, daß dessen Phasenlage um eine halbe Wellenlänge verschoben ist. Die gegengekoppelte Überlagerung bzw. die vektorielle Addition beider Signale ergibt dann idealerweise "0", wodurch die aufgetretene Störspannung kompensiert wird.

Vorzugsweise ist die Regelschaltung auf Echtzeitverarbeitung ausgelegt, so daß in "Echtzeit" Störsignale erfaßt, verarbeitet und entsprechende Entstörsignale erzeugt werden können und zu keinem Zeitpunkt bestehende EMV-Grenzwerte überschritten werden. Die Dämpfung bzw. Unterdrückung der elektromagnetischen Störgrößen ist dabei vorzugsweise über einen Frequenzbereich von 9 bis 30 MHz möglich.

Eine ständige Überwachung der Funkstörgrößen ist nicht erforderlich, wenn das Funkemissionsspektrum der elektrischen Einrichtung bei verschiedenen Betriebszuständen bekannt ist. Diese Daten könnten z. B. in einem Speicher der Verarbeitungseinheit gespeichert sein und automatisch abgerufen werden, wenn ein bestimmter Betriebszustand der elektrischen Einrichtung eingestellt ist oder geändert wird. Die entsprechenden Entstörsignale können z. B. mit herkömmlichen Störspannungsgeneratoren erzeugt werden. Auf diese Weise kann das Eigen- bzw. Grundrauschen der elektrischen Einrichtung ständig gedämpft werden.

Die Filterwirkung, insbesondere zur Funkentstörung, ist für einen EMV- Leistungsbereich für bis zu 1.000 Ampere bei bis zu 380/440 Volt ausgelegt. Das erfindungsgemäße Funkentstörfilter hat den Vorteil, daß es universell für verschiedenste elektrische Einrichtungen einsetzbar ist. Die Filter werden daher nur noch nach dem EMV-Leistungsbereich, also nach Nennstrom und Nennspannung unterschieden und ausgewählt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Fig. 1 bis 5 beispielhaft erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die erfindungsgemäße Regelschaltung des Funkentstörfilters in schematischer Darstellung.

Fig. 2 eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Funkentstörfilters

Fig. 3 eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Funkentstörfilters

Fig. 4 eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Funkentstörfilters

Fig. 5 eine vierte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Funkentstörfilters

In Fig. 1 ist eine Störsignal-Erfassungseinheit 1 als Funktionsblock dargestellt, die auf dem leistungsführenden elektrischen Leiter 2 auftretende Störsignalpegel 3 kontinuierlich erfaßt. Die Störsignal-Erfassungseinheit reagiert in Abhängigkeit von deren Auslegung bzw. Einstellung nur auf Pegel oberhalb eines bestimmten Grenzwerts. Treten solche Pegel auf, dann wird das entsprechende Störsignal von der leistungsführenden Hauptleitung (Leiter L2) abgezweigt und einer Verarbeitungseinheit 4 zugeführt, in der das Referenzsignal I_S verstärkt wird. Daraufhin wird von der Gegenkopplungseinheit 5 auf dem Leiter 2 ein Entstörsignal (Entstörspannung) gegengekoppelt, das im Pegel und in der Bandbreite dem zu bedämpfenden Störsignal entspricht, jedoch dem Störsignal entgegengesetzt gerichtet ist und letzteres wenigstens teilweise kompensiert. Die entgegengekoppelte Überlagerung bzw. die vektorielle Addition beider Signale ergibt dann idealerweise "0" und die auftretende Störgröße ist kompensiert.

In einer ersten konkreten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Funkentstörfilters nach Fig. 2 entsteht bei Betrieb einer Last L ein niederfrequenter NF-Netzlaststrom (I_R ± jI_X) und ein hochfrequenter Störstrom I_HF. Das Ersatzschaltbild der zwischen die Versorgungspotentialleiter geschalteten Last zeigt eine Reallast R und eine Scheinlast jX. Die HF-Störungsquelle ist durch die Stromquelle I_HF dargestellt. Der Störstrom I_HF teilt sich in Abhängigkeit von den parallel zum Netzeingang geschalteten Kondensatoren C1 und C2 in zwei ungleiche Ströme I_HF1 und I_HF2 auf. Diese ungleichen HF-Ströme fließen durch die symmetrischen Primärwicklungen N_1a und N_1b eines Stromdifferenztransformators TRF_I und induzieren den HF-Sekundärstrom (Referenzstrom) I_S. Der Stromdifferenz transformator TRF_I entspricht in seiner Funktion der oben genannten Störsignal- Erfassungseinheit SE. Durch die Symmetrie der Wicklungen N_1a und N_1b wird die Induktion eines HF-Sekundärstroms I_S aufgrund des NF-Netzlaststroms (I_R ± jI_X) ausgeglichen, so daß der HF-Sekundärstrom I_S lediglich proportional zum HF- Störstrom I_HF ist. Der so induzierte Referenzstrom I_S dient als Eingangssignal der nachfolgenden Verarbeitungseinheit VE, bestehend aus einem Widerstand R_S, einem Hochpaß und einem invertierenden Operationsverstärker mit Verstärkungsfaktor -G. Der Strom I_S wird über den Widerstand R_S in eine Steuerspannung umgewandelt, deren niederfrequente Anteile mittels eines Hochpasses ausgefiltert werden. Die gefilterte Steuerspannung wird schließlich durch den Operationsverstärker V auf einen Ausgangsstrom I_G verstärkt. Der Ausgangsstrom I_G steuert die Wicklung N₃ eines Stromausgangstransformators TRF_A, dessen Sekundärwicklungen N_4a und N_4b symmetrisch aufgebaut und in Gegenreihe geschaltet sind, um den Rückeinfluß der Netzfrequenz auf die Ausgangsstufe des Verstärkers V zu vermeiden. Die oben genannte Gegenkopplungseinheit wird hier durch den Stromausgangstransformator TRF_A dargestellt, wobei der in der Wicklung N_4a induzierte Kompensationsstrom I₃ den Störstrom I_HF gößtenteils kompensiert. Der Kompensationsstrom I₃ fließt in einer Masche über die Last C3, C4 und Masse ab. Der aufgrund der Wicklungssymmetrie gleich große Strom I₄ schließt sich über C4 ab. Der Siebfaktor k ist umgekehrt proportional zur Verstärkung G. Vorzugsweise ist die Verstärkung G möglichst hoch - etwa bei 100 - so daß ein Siebfaktor k von ca. 0,01 erreicht wird. Die Versorgungspotentialleiter L1, L2 der Wechselspannungsquelle (Netz) führen schließlich nur noch einen Bruchteil, nämlich das k-fache des ursprünglichen Störstroms I_HF.

Die Funktion eines zweiten Ausführungsbeispiels in Fig. 3 ist ähnlich der des Ausführungsbeispiels in Fig. 2. Ein Anteil I_HF1, des HF-Störstroms I_HF wird über die zum Eingang parallel geschaltete Kapazität C1 abgeleitet und schließt sich über die Primärwicklung N1 des Stromdifferenztransformators TRF_I, C1 und die Last ab. Die Sekundärwicklungen N_2a und N_2b des Stromdifferenztransformators TRF_I sind in Gleichrichtung geschaltet und mit Widerständen R1a und R1b beschaltet, um die NF-Netzfrequenzinduktion zu unterdrücken, wobei das Mittenpotential auf Masse gelegt ist. Bei gleich großen Widerständen R1a, R1b wird die Induktion durch den Netzstrom (I_R ± jI_X) unterdrückt. Die gleich großen induzierten Sekundärströme I_Sa und I_Sb fließen durch unterschiedliche HF-Schleifen in Richtung der in Fig. 3 angegebenen Pfeile. Der HF-Stromunterschied wird mittels eines invertierenden Addier-Verstärkers mit Verstärkungsfaktor G auf eine Ausgangsspannung verstärkt, wobei G << 1 ist. Der hierfür maßgebliche Gegenkopplungswiderstand R2 beträgt ein G-faches von R1a und R1b, also ein G-faches von 50 Ω. Der Strom I_G am Verstärkerausgang steuert die Wicklung N3 eines Stromausgangstransformators TRF_A. Der Kondensator C4 bildet für den induzierten Sekundärstrom I₄ einen Hochpaß. Der induzierte Sekundärstrom I₄ schließt sich über die Wicklung N_4b und über den Kondensator C4 ab, und der induzierte Sekundärstrom 13 schließt sich über die Wicklung N_4a den Kondensator C3 und die Last ab. Als Gegenkopplungseinheit ist wiederum der aus Fig. 1 bekannte Stromausgangstransformator TRF_A eingesetzt, der sekundärseitig eine der hochfrequenten Störspannung entsprechende, invertierte Entstörspannung bzw. den Entstörstrom induziert und gegenkoppelt.

Die Schaltung einer dritten Ausführungsform (Fig. 4) des erfindungsgemäßen Funkentstörfilters entspricht etwa der in Fig. 2, mit einem Stromdifferenztransformator TRF_I als Stromerfassungseinheit, mit dem ein HF- Sekundärstrom I_S als Referenzstrom zum Störstrom I_HF erzeugt wird, um nach weiterer Verarbeitung auf den Versorgungspotentialleiter (L1, L2) gegengekoppelt zu werden. Der Störstrom I_HF teilt sich an den beiden parallel zum Eingang geschalteten Kapazitäten C1 und C2 in zwei ungleiche HF-Ströme I_HF1 und I_HF2 auf. Diese ungleichen HF-Ströme fließen durch die symmetrischen Primärwicklungen N_1a und N_1b des Stromdifferenztransformators TRF_I und induzieren den HF- Sekundärstrom I_S. Eine Induktion des NF-Netzlaststroms (I_R ± jI_X) wird durch die Symmetrie der in Gegenreihe geschalteten Wicklungen N_1a und N_1b ausgeglichen. Der Strom I_S wird, wie oben bezüglich der Fig. 2 beschrieben ist, mittels der Verarbeitungseinheit, bestehend aus einem Widerstand R_S einem Hochpaß (HI. Pass) und einem invertierenden Operationsverstärker auf einen Ausgangsstrom I_G verstärkt. Der Verstärkungsfaktor ist dabei als -G gegeben. Der Verstärkerausgangsstrom I_G steuert die symmetrischen Primärwicklungen N_3a und N_3b eines Stromausgangstransformators TRF_A. In diesem Ausführungsbeispiel weist der Stromausgangstransformator TRF_A zwei Primärwicklungen N_3a, und N_3b und eine Sekundärwicklung N₄ auf. Den Primärwicklungen N_3a und N_3b sind gleiche Widerstände R_T vorgeschaltet. Durch diese Auslegung und Beschaltung wird sichergestellt, daß keine Induktionseinflüsse des NF-Netzlaststroms (I_R ± jI_X) auf den Verstärkerausgang rückwirken. Der auf dem Versorgungspotentialleiter induzierte Kompensationsstrom I₃ (Entstörstrom) schließt sich über die Kapazität C3, die Last und die Sekundärwicklung N₄ ab. Aufgrund der Gegenkopplung führen die Versorgungspotentialleiter L1 und L2 nur noch das k-fache des ursprünglichen HF- Störstroms I_HF.

Die Schaltung des erfindungsgemäßen Funkentstörfilters nach einem vierten Ausführungsbeispiel (Fig. 5) entspricht der Schaltung in Fig. 3, wobei der Stromausgangstransformator TRF_A der Fig. 4 Verwendung findet. Auf dem mit einem Störsignal belasteten Versorgungspotentialleiter L2 wird in bekannter Weise ein hochfrequenter Störstromanteil I_HF erfaßt und hochfrequente Sekundärströme I_sa und I_sb zur weiteren Verarbeitung und Gegenkopplung abgezweigt. Diese HF- Sekundärströme werden wiederum mittels einem invertierenden Addierverstärker mit Verstärkungsfaktor -G auf einen Ausgangsstrom I_G verstärkt. Dieser Verstärkerausgangsstrom I_G steuert dann die Primärwicklungen N_3a und N_3b des Stromausgangstransformators TRF_A, wie in Fig. 4. In der Sekundärwicklung N₄ wird schließlich wieder der Kompensationsstrom I₃ induziert und auf den Versorgungspotentialleiter L1 gegengekoppelt. Dadurch tritt auf den Versorgungspotentialleitern L1, L2 lediglich ein um den Siebfaktor k, mit k << 1, verkleinerter Störstrom I_HF auf, so daß bestehende EMV-Richtlinien eingehalten werden können.

Claims (14)

1. Funkentstörfilter zur Dämpfung von HF-Störsignalen (3; I_HF) einer elektrischen Einrichtung auf Versorgungspotentialleitern (2; L1, L2) in einem Wechselstrom­ netzwerk, mit einer Störsignal-Erfassungseinheit (1; SE) zur Erzeugung eines dem HF-Störsignal (3; I_HF) entsprechenden Referenzsignals (I_S), einer Verarbeitungseinheit (4; VE) zur Aufbereitung (Verstärkung, Filterung) des Referenzsignals (I_s) für eine nachgeordnete Gegenkopplungseinheit (5; GE), mittels der ein Entstörsignal (I₃) auf den Versorgungspotentialleiter (2; L1, L2) eingekoppelt werden kann, um das Störsignals (3; I_HF) zu dämpfen, dadurch gekennzeichnet, daß die Störsignal-Ertassungseinheit (1; SE) einen Stromdifferenztransformator (TRF₁) umfaßt, der unabhängig vom niederfrequenten Netzsignal (I_R ± iI_x) ein dem HF- Störsignal (3; I_HF) entsprechendes Referenzsignal (T_s) erzeugt, und die Gegen­ kopplungseinheit (5; GE) einen Stromausgangstransformator (TRF_A) umfaßt, mittels dessen das Entstörsignal (I₃) auf den Versorgungspotentialleiter (2; L1, L2) eingekoppelt werden kann, wobei eine Rückwirkung des niederfrequenten Netzsignals (I_R ± iI_x) auf die Primärseite des Stromausgangstransformators (TRF_A) kompensiert wird.

2. Funkenstörfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Störsignal-Erfassungseinheit (1; SE) vorgesehen ist, deren Empfindlichkeit auf Störsignale (3; I_HF) oberhalb eines bestimmten Grenzwertes einstellbar ist.

3. Funkentstörfilter nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Störsignal-Erfassungseinheit (1; SE) regelbare Schaltkreiselemente zur Einstellung der Empfindlichkeit aufweist.

4. Funkentstörfilter nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der Stromdifferenztransformator (TRF_I) aus zwei symmetrischen, in Gegenreihe geschalteten Primärwicklungen (N1a, N1b) und einer Sekundärwicklung (N2) besteht.

5. Funkentstörfilter nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der Stromdifferenztransformator (TRF_I) aus zwei symmetrischen, in Gleichrichtung geschalteten Sekundärwicklungen (N2a, N2b) und einer Primärwicklung (N1) besteht.

6. Funkentstörfilter nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Verarbeitungseinheit (4; VE) einen Hochpass (HI Pass) zur Filterung niederfrequenter Anteile des Referenzsignals (I_S) aufweist.

7. Funkentstörfilter nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Verarbeitungseinheit (4; VE) einen invertierenden Verstärker (V) aufweist.

8. Funkentstörfilter nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der Stromdifferenztransformator (TRF_I) aus zwei symmetrischen, in Gleichrichtung geschalteten Primärwicklungen (N3a, N3b) und einer Sekundärwicklung (N4) besteht.

9. Funkentstörfilter nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der Stromdifferenztransformator (TRF_I) aus zwei symmetrischen, in Gegenreihe geschalteten Sekundärwicklungen (N4a, N4b) und einer Primärwicklung (N3) besteht.

10. Funkentstörfilter nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Kondensator parallel zum Netz geschaltet ist, der einen Teil des HF-Störsignals (3; I_HF) leitet.

11. Funkentstörfilter nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsbandbreite des Filters zwischen 9 und 30 MHz liegt.

12. Funkentstörfilter nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der Regelschatkreis auf Echtzeitverarbeitung ausgelegt ist.

13. Funkentstörfilter nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß es für einen EMV-Leistungsbereich bis zu 1.000 Ampere bei bis zu 440 Volt geeignet ist.

14. Funkentstörfilter nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß das gesamte Störspektrum gleichmäßig gedämpft wird.