DE2836368C2 - Schaltungsanordnung zur Verringerung eines über einen Leistungstransformator abfließenden Erdungsstromes - Google Patents
Schaltungsanordnung zur Verringerung eines über einen Leistungstransformator abfließenden ErdungsstromesInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Verringerung eines über einen Leistungstransformator
aus dem Stromversorgungsteil eines Gerätegehäuses abfließenden Erdungsstromes, bei der zwischen Laststromzuführung
und Gerätegehäuse ein erster Kondensator direkt und ihm parallel ein zweiter Kondensator
über eine Induktivität eingeschaltet ist.
Eine derartige Anordnung ist im Prinzip beispielsweise aus der US-PS 39 46 738 bekannt.
Dabei handelt es sich um ein mit Hochfrequenz betriebenes chirurgisches Instrument, bei dem ein
Hochfrequenzstrom für operative Eingriffe benutzt wird. Zur Beseitigung von über Streukapazitäten nach
Masse abfließenden Strömen ist eine weitere, über eine Kapazität und eine Tertiärwicklung angeschlossene
Erdverbindung vorgesehen. Auf diese Weise wird der bisher über der Streukapazitäi auftretende kapazitive
Strom kompensiert.
Seit einigen Jahren hat man mit Sorge festgestellt, daß in Erdleitern von elektrischen Geräten immer
häufiger größere Leckströme auftreten. Nachteilig ist, daß durch Kapazitäten in Netzfiltern von Datenverarbeitungsanlagen
und ähnlichen Geräten verursachte hohe Blindströme die Anwesenheit von Leckströmen,
die einen kritischen Wert überschreiten, maskieren. Das hat zur Folge, daß Leckstromschalter in den Netzanschlußgeräten
entweder falsch ansprechen oder aber nicht anzusprechen vermögen, wenn bereits eine
Gefahr vorhanden ist, die eine Wartung oder Reparatur erforderlich macht.
Durch schärfere Vorschriften werden Leckströme in Erdleitern von elektrischen Geräten und dergleichen
auf 1 mA festgelegt. Es bestand jedoch die Ansicht, daß ein derart niedriger Grenzwert bei tatsächlich gebauten
und benutzten Datenverarbeitungsanlagen nicht einzuhalten ist, so daß eine daraufhin erlassene Richtlinie, die
einen gewissen Kompromiß durstellt, vorschreibt, daß alle nicht tragbaren Datenverarbeitungsanlagen in
ihrem Erdleiter einen Leckstrom haben dürfen, der jedoch nicht größer als 3,5 mA sein darf. Selbstverständlich
bleibt kurzfristig das Ziel gestellt, den in einem Erdleiter fließenden Strom auf I mA oder weniger
abzusenken, jedoch hat sich dies bis jetzt wirtschaftlich nicht erzielen lassen.
Das der Erfindung zugrunde liegende Prinzip geht von der Talsache aus, daß in Datenverarbeitungsanla-
gen und ähnlichen elektronischen Geräten im Erdleiter auftretende Blindströme im wesentlichen konstant und
in ihrer Stärke vorherbestimmbar sind und daß man daher zusätzliche Schaltmittel zur Erzeugung von
Strömen in den Erdleitern einsetzt, deren Amplitude gleich groß und deren Phase den Blindströmen
entgegengesetzt ist, so daß die gewöhnlich in Erdleitern fließenden Wirkströme niedrig und damit sicher sind.
Einige Schaltungen des Standes der Technik seien zum besseren Verständnis der Erfindung herangezogen, ι ο
So zeigt beispielsweise die US-Patentschrift 14 85361
eine Wechselstrom-Netztransformatorschaltung für die Unterdrückung von Leitungsfehlerströmen, ohne daß
dadurch während des gewöhnlichen Betriebs die Netzleitung übermäßig belastet wird.
Die US-Patentschrift 15 37371 offenbart die Einschaltung
einer Induktivität in eine Wechselstromversorgung, wodurch ein nacheilender Strom eingeführt
wird, der in gewissem Maße den durch die hohe zwischen Leitung und Erde bestehende Kapazität
hervorgerufenen voreilenden Strom kompensiert
Die US-Patentschrift 27 31 728 offenbart eine Sicherheits-Erdschaltung
für elektromedizinische Geräte von einfachem Aufbau und zeigt ein aus Autotransformator,
Widerstand und Kondensator aufgebautes Netzwerk, das das Netzleitungsbrummen von dem Aufzeichnungsgerät
fernhalten soll.
Die US-Patentschrift 34 73 091 zeigt eine Erdungsfehler-Detektorschaltung,
wie sie beispielsweise auch in Verbindung mit der erfindungsgemäß aufgebauten Schaltung erwünscht sein könnte. Ein Autotransformator
liegt mit seinem als Sekundärwicklung arbeitenden Wicklungsteil in der geerdeten Leitung, während der
Primärteil über den angeschlossenen elektrischen Leitungen liegt, so daß ein hinter dem Autotransformator
auftretender Fehler eine Unsymmetrie in dem Differentialübertrager darstellt und das Schutzrelais
abwirft, selbst wenn der geerdete elektrische Leiter an beiden Enden geerdet ist.
Der Erfindung liegt im Gegensatz zum Stand der
Technik die Aufgabe zugrunde, bei einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art in Stromversorgungsanlagen
das Auftreten von Überströmen in Erdleitern zu verhindern, welche ein fehlerhaftes
Ansprechen von Erdungsfehler-Detektoren verursachen können.·
Diese Aufgabe wird für die eingangs genannte Anordnung dadurch gelöst, daß in einer einphasigen
Anordnung bei direkter Erdung des Leiters der Laststromzuführung der zweite Kondensator an der
anderen Laststromzufünrung bei einem dem ersten Kondensator etwa gleichen Kapazitätswert über die
Induktivität an das Gerätegehäuse in der Weise angeschlossen ist, daß sie mit zwei Klemmen zwischen
den Leitern der Laststromzuführung liegt und über eine dritte Klemme dem Kondensator eine Spannung
entgegengesetzter Phasenlage zuführt.
Für eine /V-phasige Anordnung der eingangs genannten
Art besteht die Lösung der Aufgabe darin, daß in einer /V-phasigen Anordnung bei direkter Erdung eines
Punktes der ΛΖ-phasigen Sekundärwicklung des Leistungstransformators
zwischen jede der N LaststromzufUhrungen und das geerdete Gehäuse /V erste
Kondensatoren eingeschaltet sind, daß N— 1 zweite Kondensatoren gemeinsam an den geerdeten Maschinenrahmen
angeschlossen sind, daß als Induktivitäten N — 1 Autotransformatoren mit ihren Primärwicklungen
zwischen jeweils zvr e\ der N Laststromzuführungen
angeschlossen sind, während die Sekundärwicklung der Autotransformatoren jeweils zwischen einen der Leiter
der zwei Laststromzuführungen und einen der zweiten Kondensatoren eingeschaltet ist und daß die Kapazitätswerte
der ersten Kondensatoren und der zweiten Kondensatoren praktisch gleich sind.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet
Das gleiche Prinzip wird angewandt, wenn ein übermäßig hoher Strom durch eine induktive Reaktanz
verursacht wird. In diesem Fall wird eine entsprechende Induktivität hinzugefügt, die direkt auf den Transformator
gewickelt ist
Zum besseren Verständnis der Erfindung soll diese anschließend an Hand von Ausführungsbeispielen in
Verbindung mit den Zeichnungen im einzelnen erläutert werden. In den Zeichnungen zeigt
F i g. 1 schematisch einen Reaktrmzstromkreis zwischen
Leiter und Erde,
Fig.2 schematisch eine Leckstrom-Kompensationsschaltung,
F i g. 3 schematisch die Überlagerung eines Reaktanzstromkreises über einem Leckstromkreis,
Fig.4 schematisch einen Reaktanzstromkreis in einem vollkompensierten Einphasen-Strom.ersorgungsgerät
gemäß der Erfindung,
Fig.5 Reaktanzstromkreise in einer Dreiphasen-Stromversorgungsschaltung
in Sternschaltung mit geerdetem Sternpunkt,
Fi g. 6a und 6b Stromdiagramme in Dreiphasensystemen,
Fig.7 Reaktanzstromkreise in geerdeten Dreiphasensystemen
mit Dreiecksschaltung,
F i g. 8a und 8b Vektordiagramme in einem geerdeten Dreiphasensystem in Dreiecksschaltung,
F i g. 9 schemalisch die Reaktanzstromkreise in einem voll kompensierten Dreiphasen-Stromversorgungssystem
mit geerdeter Dreiecksschaltung und
Fig. 10 schematisch eine Einphasen-Kompensationsschaltung,
die sowohl für reaktive als auch für gleichphasige Leckstromkomponenten einsetzbar ist.
Elektronische Datenverarbeitungsanlagen und andere elektronische Geräte oder Maschinen sind im
allgemeinen in der Netzleitung mit Hochfrequenzstörfiltern zur Unterdrückung elektromagnetischer und/
oder hochfrequenter Störungen von au3erhalb und von innerhalb der Anlage ausgerüstet. Diese Filter, die von
einfachen Durchführungskondensatoren bis zu komplexen LC-Netzwerken reichen, haben ein Merkmal
gemeinsam:
Sie haben zwischen der Netzleitung und dem geerdeten Maschinenrahmen eingeschaltete Kapazitäten. Wenn
nur Durchführungskondensatoren verwendet werden, werden für eine ausreichend hohe Störsignaldämpfung
hohe Kapazitätswerte zwischen 0,1—0,5 Mikrofarad normalerweise benötigt. Das hat zur Foige, daß auch
relativ hohe Ströme fließen. Die meisten Tiefpaßfilternetzwerke sind so ausgelegt, daß über die Erdleitung ein
Blindstrom von weniger als 3,5 mA fließt. Dieser Grenzwert beschränkt die insgesamt zwischen Netzleitung
und Erde in einem Einphasensystem mit 120 Volt einschaltbare Kapazität auf etwa 0,05 Mikrofarad. Filter
mit auf einem gemeinsamen Kern angebrachten Wicklungen benötigen zwischen den einzelnen Leitungen
hohe Kapazitäten, um deren Siebwirkung für differentiell erzeugte Störungen zu verbessern. Bei
manchen Netzteilschaltungen oder Stromversorgungsschaltungen, insbesondere bei Stromversorgungsschal-
tungen mit geerdeter Dreiecks-Schaltung werden einzelne, zwischen den Leitern liegende Bauelemente
zwischen Leitern und dem geerdeten Maschinenrahmen wirksam. Das hat zur Folge, daß für einen niedrigen
Leckstrom ausgelegte Filter tatsächlich unannehmbar hohe Ströme führen können.
Einphasensysteme
Mit einem einseitig geerdeten Einphasensystem üblicher Anordnung verläuft der Blindstromkreis für
einen zwischen Leiter und geerdetem Rahmen liegenden Kondensator, wie dies in Fig. I schematisch
dargestellt ist.
Ein Netztransformator 10 weist an seiner Sekundärwicklung 12 eine Anzapfung mit der Erdungsklemme 14
des Netzes auf. Der Maschinenrahmen 16 ist beim Abnehmer über einen Sicherheitserdleiter 20 mit einer
anderen Erdungsklemme 18 verbunden. Diese Verbindung ist normalerweise auf der Netzseite des Hauptnetzschalters
beim Abnehmer angebracht. Die Belastung 22 ist hier im wesentlichen als Wirklast dargestellt.
Wie dargestellt, läuft der reaktive Ladestrom /, für einen
ersten Kondensator 24 über den Sicherheitserdleiter 20. Für die Darstellung sei angenommen, daß der Stromfluß
im Uhrzeigersinn erfolgt.
Fig. 2 zeigt eine mit einem Autotransformator 26 ausgerüstete Schaltung, bei der der Ladestrom h für
einen (zweiten) Kondensator 28 im Gegenuhrzeigersinn durch den Sicherheitserdleiter 20 fließt. Auf diese Weise
wird ein gleich großer, gegenüber dem Ladestrom /, um
180" phasen verschobener Strom k erzeugt, der den im
Sicherheitserdleiter20fließenden Ladestrom /,neutralisiert.
Wenn man nach Fig. 3 die beiden Ströme Λ und h
überlagert, so kann man die Auswirkung der sich gegenseitig aufhebenden Ströme unter dem Symbol /,-
und damit die Wirkung der Kompensationsschaltung auf den Erdleiter erkennen. Man sieht, daß der
Sicherheitserdleiter 20 und die Erdleitung des Netztransformators beiden Stromkreisen gemeinsam sind.
Der insgesamt im Erdleiter fließende Strom Id gemäß
Fig.4 ist daher die Vektorsumme des ursprünglich
•fließenden Blindstroms und des Kompensations-Blindstroms, der durch die Wirkung des Autotransformators
26 gegenüber dem ursprünglichen Blindstrom um 180° phasenverschoben ist. Wenn beide Ströme die gleiche
Amplitude haben, d. h. wenn beide Ströme gleich stark sind, dann wird der in dem Erdleiter fließende
resultierende Strom zu Null. Der beiden Strömen /, und
Ib gemeinsame Blindstromkreis ist nunmehr vom
Sicherheitserdleiter 20 nach dem geerdeten Netzleiter verschoben. iJm dies zu erreichen, sind nur zwei
Bauelemente erforderlich, nämlich ein Autotransformator mit Übersetzungsverhältnis 1 :1 zur Polaritätsumkehr
und ein Kondensator, dessen Kapazität gleich der gesamten zwischen Leitung und Erde herrschenden
Kapazität an der ungeerdeten Seite der Last ist. Man kann auch einen nicht angepaßten Kondensator
benutzen und den Strom durch Veränderung des Obersetzungsverhältnisses des Transformators einstellen.
Dreiphasensystem
Die Anpassung des erfindungsgemäßen Prinzips von einer Einphasenschaltung auf Dreiphasenschaltungen
erfordert nur einen zusätzlichen Autotransformator und Kompensationskondensator. Der Klarheit halber sind in
den nachfolgenden Figuren die Stromkreise durch Pfeile dargestellt. Es ist darauf hinzuweisen, daß die
Pfeile dabei nicht die Richtung des Stromflusses zum gleichen Zeitpunkt darstellen sollen, wie das beim
Einphasensystem der Fall war.
Sternschaltung mit geerdetem Sternpunkt
Die Dreiphasen-Sternschaltung mit geerdetem Sternpunkt, dargestellt durch die Sekundärwicklung 10' des
Netztransformators 10 gemäß F i g. 5, wird umfassend
ίο benutzt. Wie in Fig.5 dargestellt, ist der in den
Erdleitern fließende Blindstrom /λ die Vektorsumme der
Ströme /„ Λ und If. Durch die in Fig. 6 dargestellte
Phasenverschiebung von jeweils 120° hat, wie Fig. 6b
dies zeigt, die Vektorsumme der drei gleichgroßen Ströme den Wert Null. Tritt in einer Sternschaltung mit
geerdetem Sternpunkt ein übermäßiger Leckstrom oder überhaupt ein Strom im am Sternpunkt angeschlossenen
Erdleiter auf, so ist dies das Ergebnis einer Unsymmetrie oder Ungleichheit zwischen den Phasen.
Gegen einen überniäuig Hüften Gliriuäirom im iiruiCücr
werden zur Symmetrierung in Analogie zur Anordnung nach F i g. 1 Kondensatoren 34, 36, 38 als erste
Kondensatoren zwischen Leiter und Erde geschaltet.
Geerdete Dreiecksschaltungen
In geerdeten Dreiecksschaltungen mit der Sekundärwicklung
10" des Netztransformators 10 liegen normalerweise nur zwei der drei zwischen Leiter und
Erdt liegenden ersten Kondensatoren 34,36, 38 in dem
Wechselstromkreis. F i g. 7 zeigt die sich dabei ergebenden Blindstromkreise. Wie bei der Sternschaltung, ist
der in den Erdleitern fließende Strom /,die Vektorsumme
aller Blindströme. In diesem Fall, wie dies Fig.8a
zeigt, treten nur die Ströme I1 und h auf. Die in F i g. 8b
dargestellte Vektorsumme ist nicht Null. Verfolgt man die Stromläufe, so sieht man. daß beim positiven
Halbzyklus h vom Erdstromkreis in einer der Richtung
von /,entgegengesetzten Richtung fließt. In Fig.8b ist
aus diesem Grund die Richtung des Vektors Λ umgekehrt.
Die Erzeugung eines Kompensationsstroms von der vektoriellen Größe I1 + h erfordert zwei Kompensationsnetzwerke
(Fig.9). Sie bestehen aus einem Autotransformator 7Z einem zweiten Kondensator 74.
einem Autotransformator 76 und einem zweiten Kondensator 78, die an den beiden nichtgeerdeten
Leitern angeschlossen sind.
Unter diesen Gleichgewichtsbedingungen werden die Blindströme vom Sicherheitserdleiter 20 nach dem
geerdeten Phasenleiter verlagert Eine partielle Kompensation hätte zur Folge, daß ein Teil der vektoriellen
Blindkomponente I1 + h dem Erdstromkreii x>lgt, wie
dies in F i g. 7 dargestellt ist.
Die hier dargestellten Transformatoren haben ein
festes Übersetzungsverhältnis, so daß mehrere kleine
Kondensatoren parallel geschaltet werden müssen, urn
dadurch die Kompensationskapazität auf kleinstem Strom im Erdleiter einzustellen. Ein bevorzugtes
Verfahren für die Einstellung besteht darin, zunächst einen Kondensator einzuschalten, der angenähert den
gleichen Wert wie die zwischen Leiter und Erde der
Maschine liegenden Kapazität aufweist, und dann die angelegte Spannung dadurch einzustellen, daß die
entsprechende Windungsanzapfung an dem Autotrans-
formator 26 ausgewählt wird. Eine derartige Anordnung
zeigt F ig. 10.
Ein Regelwiderstand 80 ermöglicht die tinsteiiung von Zwischenwerten.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (7)
1. Schaltungsanordnung zur Verringerung eines über einen Leistungstransformator aus dem Stromversorgungsteil
eines Gerätegehäuses abfließenden Erdungsstromes, bei der zwischen Laststromzuführung
und Gerätegehäuse ein erster Kondensator direkt und ihm parallel ein zweiter Kondensator
über eine Induktivität eingeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet,
daß in einer einphasigen Anordnung bei direkter Erdung des Leiters der Laststromzuführung der
zweite Kondensator (28) an der anderen Laststromzuführung bei einem dem ersten Kondensator (24)
etwa gleichen Kapazitätswert über die Induktivität als Autotransformator (26) an das Gerätegehäuse in
der Weise angeschlossen ist,
daß sie mit zwei Klemmen zwischen den Leitern der Laststromzuführung liegt und über eine dritte
Klemme dem Kondensator eine Spannung entgegengesetzttrPhasenlage
zuführt (F i g. 3,4).
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß als die die Phase umkehrende Induktivität ein Autotransformator (26) dient, dessen Primärwicklung
zwischen den zwei stromführenden Leitern eingeschaltet und dessen Sekundärwicklung über
einen Kondensator (28) an dem geerdeten Maschi-' ncnrahmen (18) angeschlossen ist und
daß der kapazitive Blindwiderstand des zweiten Kondensators (28) gleich dem vorgegebenen Wert des kapazitiven Blindwiderstandes des ersten Kondensaters (24) ist (Γ i g. 3,4 J.
daß der kapazitive Blindwiderstand des zweiten Kondensators (28) gleich dem vorgegebenen Wert des kapazitiven Blindwiderstandes des ersten Kondensaters (24) ist (Γ i g. 3,4 J.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß ein Regelwiderstand (80) zwischen dem einen stromführenden Leiter und dem Verbindungspunkt
der Sekundärwicklung des Autotransformators (26) und dem zweiten Kondensator (28) angeschlossen
ist, während der Abgriff des Regelwiderstandes an dem geerdeten Maschinenrahmen angeschlossen ist
(Fig. 10).
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurci? gekennzeichnet,
daß eine der Wicklungen des Autotransformators *5
(26) mit Anzapfungen für eine Einstellung der abgegebenen Spannung versehen ist (F i g. 10).
5. Schaltungsanordnung zur Verringerung eines über einen Leistungstransformator aus dem Stromversorgungsteil
eines Gerätegehäuses abfließenden Erdungsstromes, bei der zwischen Laststromzuführung
und Gerätegehäuse ein erster Kondensator direkt und ihm parallel ein zweiter Kondensator
über eine Induktivität eingeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß in einer /V-phasigen Anordnung bei direkter
Erdung eines Punktes der AZ-phasigen Sekundärwicklung
des Leistungstransformators zwischen jede der N Laststromzuführungen und das geerdete
Gehäuse N erste Kondensatoren (34, 36, 38) eingeschaltet sind,
daß (N — 1) zweite Kondensatoren (74,78) gemeinsam
an den geerdeten Maschinenrahmen angeschlossen sind,
daß als Induktivitäten (N- I) Aulotransformatoren
(72, 76) mit ihren Primärwicklungen zwischen jeweils zwei der /V Laststromzuführungen angeschlossen
sind, während die Sekundärwicklung der Autotransformatoren (72,76) jeweils zwischen einen
der Leiter der zwei Laststromzuführungen und einen der zweiten Kondensatoren (74,78) eingeschaltet ist
und
daß die Kapazitätswerte der ersten Kondensatoren (34,36,38) und der zweiten Kondensatoren (74, 78)
praktisch gleich sind (F i g. 5,7,9),
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die die Sekundärwicklung (10') des Leistungstransformators in Sternschaltung geschaltet und der
Sternpunkt mit Erde verbunden ist (F i g. 5).
7. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß die Sekundärwicklung (10") des Leistungstransformators in Dreieckschaltung geschaltet ist und daß
einer der stromführenden Leiter an Erde und an beiden Autotransformatoren angeschlossen ist
(F ig. 7.9).
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