DE2836368C2

DE2836368C2 - Schaltungsanordnung zur Verringerung eines über einen Leistungstransformator abfließenden Erdungsstromes

Info

Publication number: DE2836368C2
Application number: DE2836368A
Authority: DE
Inventors: Leslie Albert San Jose Calif. Smith jun.; Clarence Blair Los Altos Calif. Stanley
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1977-09-30
Filing date: 1978-08-19
Publication date: 1982-05-13
Also published as: JPS5457632A; DE2836368A1; JPS5828812B2; IT1159134B; CA1113146A; IT7828129A0

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

Patentansprüche;

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.

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).