DE3784813T2

DE3784813T2 - Harmonische stroeme isolierendes netz.

Info

Publication number: DE3784813T2
Application number: DE8787109834T
Authority: DE
Inventors: Steve Smith
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1986-07-23
Filing date: 1987-07-08
Publication date: 1993-06-24
Anticipated expiration: 2007-07-09
Also published as: US5113335A; JPS6335167A; EP0258576B1; DE3784813D1; ATE87148T1; EP0258576A2; EP0258576A3

Description

Die Erfindung betrifft ein Netzwerk zur Einschaltung zwischen eine Wechselstrom-Netzleitung mit vorbestimmter Spannung und Frequenz und den Eingang einer Gleichstromversorgungsquelle nach dem Anspruch 1.
Der Leistungsfaktor, den eine Last einer Wechselstrom- Netzleitung darbietet, ist lange problematisch gewesen. Zu einer bestimmten Zeit war das Hauptproblem die induktive Komponente bestimmter Lasten. Dazu wird beispielsweise hingewiesen auf "American Electricians' Handbook", 8. Ausgabe (1961), herausgegeben von Terrell Croft, revidiert von Clifford C. Carr, veröffentlicht von McGraw Hill Inc., und zwar den Abschnitt:
"143. Correction of Low Power Factor.
In Industriewerken beruht ein übermäßig kleiner Leistungsfaktor üblicherweise auf zu gering belasteten Induktionsmotoren, da deren Leistungsfaktor bei einer Teilbelastung wesentlich kleiner als bei voller Belastung ist. Wenn Motoren unterbelastet sind, sollten sie daher durch neue Motoren kleinerer Leistung ersetzt werden. Der Leistungsfaktor kann korrigiert werden (1) durch Installation von Synchronmotoren und (2) dadurch, daß feste Kondensatoren an die Leitung angeschaltet werden" (Ende des Abschnitts).
In jüngerer Zeit ist der "Leistungsfaktor" von Gleichstromversorgungsquellen zu einem Problem geworden. In typischer Weise verwenden Gleichstromversorgungsquellen einen Brückengleichrichter, einen Filterkondensator und gelegentlich eine Filterspule. Der Eingang des Gleichrichters wird (über eine Sicherung, einen Schalter usw.) an eine Wechselstrom- Netzleitung angeschaltet. Der Ausgang des Gleichrichter wird entweder durch eine Drossel mit dem Kondensator (Drossel- Eingangsfilter) oder ohne eine solche Drossel direkt mit dem Kondensator (Kondensator-Eingangsfilter) verbunden, um eine (Ausgangs-)Gleichspannung über dem Kondensator zu erzeugen. Bei Verwendung einer Drossel (Eingangsfilter) zieht die Gleichstromversorgungsquelle aus der Wechselstrom-Netzleitung einen Strom, dessen Kurvenform sich einer Rechteckwelle nähert (wenn die Induktivität der Drossel wesentlich größer als ein Wert ist, der üblicherweise als "kritische" Induktivität bezeichnet wird). Ohne Verwendung einer Drossel nähert sich die Kurvenform mehr einer Folge von Impulsen an, die je mit einem Spitzenwert der Netzleitungs-Wechselspannung synchronisiert sind. In beiden Fällen enthält der aus der Wechselstrom- Netzleitung gezogene Strom harmonische Komponenten (Ströme), und zwar jeweils eine Komponente für jede ungerade Harmonische der Wechselstrom-Netzleitungsfrequenz.
Gleichstromversorgungsquellen passen nicht zu allen alten Konventionen bezüglich des Leistungsfaktors. (Beispielsweise macht es wenig Sinn, den Leistungsfaktor, den eine Gleichstromversorgungsquelle einer Wechselstrom-Netzleitung darbietet, als den Cosinus des Phasenwinkels zwischen der Spannung über dem Eingang der Gleichstromversorgungsquelle und dem in diese fließenden Strom zu definieren.) Die Gleichstromversorgungsquellen führen aber zu vielen ähnlichen Problemen. Wie viele andere Lasten mit verhältnismäßig kleinem Leistungsfaktor ziehen die Gleichstromversorgungsquellen aus der Wechselstrom-Versorgungsleitung einen Strom, dessen Effektivwert unverhältnismäßig hoch bezüglich des Stromes ist, der für die verbrauchte Leistung entnommen werden sollte. (Anders gesagt, die Gleichstromversorgungsquellen entsprechen der Definition, die sagt, daß der Leistungsfaktor einer Last (in diesem Fall einer Gleichstromversorgungsquelle) gegeben ist durch das Verhältnis der tatsächlich verbrauchten Leistung (in diesem Fall durch eine an den Ausgang der Gleichstromversorgungsquelle angeschaltete Last) (gemessen durch ein Wattmeter) zu der Scheinleistung (angegeben durch die Kombination eines Amperemeters (für echten Effektivwert, nämlich ein Dreheisen- oder ein Thermopaar-Typ) und ein Voltmeter) (das an den Eingang der Gleichstromversorgungsquelle angeschlossen ist).
Ein relativ hoher Effektivstrom der Wechselstrom-Netzleitung ist problematisch, da die Wechselstrom-Erzeugungseinrichtungen und die Wechselstrom-Übertragungseinrichtungen (Leitungen und Transformatoren) so bemessen sein müssen, daß sie dem Strom gewachsen sind. Weiterhin sind die Erzeugungs- und Übertragungsverluste in erster Linie ohm'sche Verluste, die daher mit dem Quadrat des Effektivstroms auf der Wechselstrom- Netzleitung ansteigen. Man beachte, daß selbst verhältnismäßig kleine Lasten (Gleichstromversorgungsquellen) problematisch sein können. Obwohl beispielsweise ein kleiner Personal Computer nicht den Strom verbraucht, den eine große Rauchgas- Waschanlage benötigt, so kann doch dann, wenn die Gleichstromversorgungsquelle des Computers einen verhältnismäßig niedrigen Leistungsfaktor hat, der entnommene Strom so hoch sein, daß er die Leistung begrenzt, die an eine einzelne Wechselstrom-Steckdose angeschlossen werden kann. Außerdem bereiten Gleichstromversorgungsquellen viele besondere Probleme, insbesondere für den militärischen Bereich. Da die Zahl der luft- und wassergestützten Systeme unter Verwendung von Gleichstromversorgungsquellen zugenommen hat, hat sich auch die Höhe der harmonischen Ströme vergrößert, die auf den verschiedenen Wechselstrom-Netzleitungen erzeugt wird. Bei den erhöhten harmonischen Strömen sind auch die oben erwähnten Erzeugungs- und Übertragungsprobleme kritischer geworden. Außerdem und möglicherweise mit schwerwiegenderen Folgen bringen die höheren harmonischen Ströme Probleme unerwünschter Systemwechselwirkungen mit sich. Als Folge davon sind Normen eingeführt worden, zu denen diejenigen in einem Dokument des Department of Defense gehören, das als DOD-STD-1399 (Navy), Abschnitt 300, 1. August 1978 identifiziert ist und den Titel trägt: "Military Standard Interface Standard for Shipboard Systems Section 300 Electric Power. Alternating Current. Von besonderer Bedeutung ist der folgende Abschnitt:
"6.2.7 Harmonische Ströme. Der Betrieb von Ausrüstungen soll so ausgelegt sein, daß nur eine minimale harmonische Verzerrung für das elektrische System auftritt. Der Betrieb solcher Ausrüstungen mit den nachfolgend angegebenen Werten darf keine harmonische Leitungsströme erzeugen, die größer als 3 % des Grundwellenstroms für volle Belastung der Einheit zwischen der zweiten und zweiunddreißigsten Harmonischen betragen. ..." (Für eine Netzfrequenz von 60 Hz ist eine Einheitsbelastung von 1kVA oder mehr angegeben.)
"Zusätzlich dürfen Ströme mit Frequenzen zwischen der zweiunddreißigsten Harmonischen und 20 kHz 100/n Prozent nicht übersteigen ..."
In Tabelle I. (auf Seite 5) ist die gesamte harmonische Verzerrung begrenzt auf 5 % und im Abschnitt 6.2.2 ist der Leistungsfaktor beschränkt auf den Bereich von 0,8 nacheilend bis 0,95 voreilend. Außerdem ist in Tabelle I. (auf Seite 5) die maximale Frequenzabweichung von der Nennfrequenz als 5,5 % angegeben.
Bisher hat es große Schwierigkeiten gegeben, den oben angegebenen Standard zu erfüllen.
Eine bekannte Schaltung zur Verbesserung des Leistungsfaktors, den eine Gleichstromversorgung für eine Wechselstrom- Netzleitung darstellt, ist in der deutschen Patentschrift 3012747 und in der japanischen Patentschrift 58-163271 gezeigt. Beide Schaltungen enthalten eine Induktivität und einen dazu parallel geschalteten Kondensator. Die LC-Kombination ist zwischen die Wechselstrom-Netzleitung und den Eingang des Brückengleichrichters einer Gleichstromversorgung (mit Kondensator-Eingangsfilter) geschaltet, um die Gleichstromversorgung mit der Wechselstrom-Netzleitung zu verbinden. In dem genannten deutschen Patent ist angegeben, daß die LC-Kombination üblicherweise auf die fünfte Harmonische der Wechselstrom-Netzleitungsfrequenz abgestimmt wird, aber auch auf die neunte oder dreizehnte Harmonische abgestimmt sein kann. In dem genannten japanischen Patent ist angegeben, daß die LC-Kombination den Zweck hat, den Pegel der 3. und 5. Harmonischen (Ströme?) zu verringern.
Obwohl zwar eine gewisse Verringerung des Pegels einiger harmonischer Ströme erreicht wird, ist es wichtig, festzustellen, daß die durch die oben erläuterte LC-Kombination erreichte Verringerung nicht so weit geht, daß dem oben genannten Standard genügt wird. Weiterhin kann, während der Pegel gewisser harmonischer Ströme verringert wird, die oben erläuterte LC-Kombination den Pegel anderer harmonischer Ströme erhöhen. Außerdem kann der Einsatz der genannten LC-Kombination die Höhe der Ausgangsgleichspannung verringern, die die zugeordnete Gleichstromversorgung liefert.
Im britischen Patent 1.472.411 von T. Kennedy ist ein Filternetzwerk offenbart, das für eine Verwendung bei einer Last mit einem nichtlinearen Steuergerät (sättigbare Reaktanz) bestimmt ist und unerwünschte harmonische Ströme absorbieren soll. Das Filternetzwerk verwendet eine Vielzahl von Filtern, die je eine Induktivität und einen mit der (zugeordneten) Induktivität in Reihe geschalteten Kondensator enthalten. Jedes Filter (LC-Kombination) ist parallel zur Last geschaltet. Eine zusätzliche Induktivität ist zwischen die Wechselstromnetzleitung und die Last eingeschaltet, um diese an die Wechselstromnetzleitung anzukoppeln. Es wird angegeben (Seite 2, Zeilen 113-115 des genannten britischen Patents), daß jedes Filter (LC-Kombinationen) auf eine Frequenz abgestimmt ist, die kleiner ist als die harmonische Frequenz, die gefiltert werden soll. Weiterhin ist angegeben (Seite 3, Zeile 115-128), daß
"... das Vorhandensein von Harmonischen auf der Leitung es nicht nur unpraktisch sondern unmöglich macht, alle harmonischen Ströme auszufiltern. Ein Versuch, dies zu erreichen, kann zu einer Überlastung der Filter führen. Folglich wurde festgestellt, daß eine bessere Lösung darin besteht, nur einen Prozentsatz der harmonischen Ströme zu entfernen, die durch die Last und das Steuergerät erzeugt werden. Demgemäß wird ein bestimmter Betrag eines harmonischen Stroms zurück in die Netzleitung reflektiert. Die Höhe des auf diese Weise reflektierten harmonischen Stroms kann abhängig von den Anforderungen des Versorgungssystems eingestellt werden, das den Strom liefert."
Bei einem Beispiel in der GB-A-1.472.411 ist angegeben (Seite 4, Zeilen 109-112), daß 70 % der harmonischen Ströme beseitigt und 30 % in die Wechselstrom-Netzleitung reflektiert werden. Weiterhin ist angegeben (Seite 4, Zeilen 112-115), daß "wenn die Anforderungen bezüglich der Harmonischen strenger sind, die Möglichkeit besteht, sogar einen höheren Prozentsatz von beispielsweise 75 % zu beseitigen".
Obwohl zwar die erreichten Werte bei der Verringerung des Pegels von einigen harmonischen Strömen brauchbar sind, muß festgestellt werden, daß die durch das Netzwerk nach GB-A- 1.472.411 erreichten Verringerungen des Pegels harmonischer Ströme nicht diejenigen Werte erreichen, die zur Einhaltung des oben erläuterten Standards erforderlich sind.
In der US-A-4.222.096 und der US-A-4.369.490 ist eine Schaltung offenbart, die einen Kondensator parallel zum Eingang des Brückengleichrichters einer Gleichstromversorgung (mit Kondensator-Eingang) und eine Induktivität zwischen der Wechselstrom-Netzleitung und dem Eingang des Gleichrichters enthält, um die Gleichstromversorgung an die Wechselstrom- Netzleitung anzukoppeln. In der US-A-4.369.490 ist in Spalte 5, Zeilen 23-29 angegeben, daß ohne die oben erwähnte Schaltung die Gleichstromversorgung für die Wechselstrom-Netzleitung einen Leistungsfaktor von 65 % darstellt. Außerdem wurde gefunden, daß ohne die oben erwähnte Schaltung der Pegel des Stromes der dritten Harmonischen 88 % für den Strom der fünften Harmonischen 65 % und für die siebte Harmonische 38 % des Stromes der Grundwelle beträgt. Bei einem Beispiel der oben genannten Schaltung wurde festgestellt, daß die Gleichstromversorgung der Wechselstrom-Netzleitung einen Leistungsfaktor von 94 % bietet. Außerdem betrug der Pegel des Stromes der dritten Harmonischen 20 %, der fünften Harmonischen 6 % und der siebten Harmonischen 2 % des Wertes für den Strom der Grundwelle.
Eine bekannte Anordnung für eine Hochspannungs- Gleichstromübertragung ist in der DE-A-1.927.415 beschrieben. Ein Filter für Harmonische ist zwischen ein Wechselstromnetz und einen Gleichrichter geschaltet, der eine Gleichstromübertragungsleitung speist. Die bekannte Anordnung ist in der Lage, bis zu einem ausreichenden Grad die Merkbarkeit von Harmonischen zu begrenzen, die durch einen Frequenzumrichter im Wechselstromnetz erzeugt werden. Dazu besteht das Filter aus einem π-Glied mit einem Längszweig, der die Sperrschaltung darstellt, und zwei Querzweigen an den Enden des Längszweiges, die Parallelfilter sind.
Die oben erwähnte Schaltung verbessert zwar den Leistungsfaktor, den eine Gleichstromversorgung einer Wechselstrom-Netzleitung darstellt, und verringert den Pegel der harmonischen Ströme stark, aber es ist wichtig, darauf hinzuweisen, daß die Gleichstromversorgung (und die Schaltungskombination) dem oben erläuterten militärischen Standard nicht einmal nahe kommt.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Einrichtung zu schaffen, mit der der Pegel harmonischer Ströme, die durch eine Gleichstromversorgung auf einer Wechselstrom- Netzleitung erzeugt werden, so weit verringert werden kann, daß der Standard DOD-STD-1399 (Navy) Section 300, 1. August 1978 erfüllt werden kann, und mit der der Leistungsfaktor, den eine Gleichstromversorgung einer Wechselstrom-Netzleitung darbietet, verbessert werden kann.
Dieses Ziel der Erfindung wird durch die Merkmale entsprechend dem Kennzeichnungsteil des Anspruchs 1 erreicht.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Bereitstellung einer Einrichtung, durch die Stromversorgungen den Standard DOD-STD-1399 (Navy) Section 300, 1. August 1978 erfüllen können, stellt den Hauptvorteil der vorliegenden Erfindung dar.
Ein weiterer Vorteil ist die Bereitstellung einer Einrichtung, mit der Gleichstromversorgungen hergestellt werden können, die kommerzielle/industrielle Standards erfüllen.
Ein zusätzlicher Vorteil der Erfindung ist die Schaffung einer Einrichtung, mit der die harmonischen Ströme, die eine Gleichstromversorgung auf einer Wechselstrom-Netzleitung erzeugt, verringert werden können.
Ein zusätzlicher Vorteil ist die Bereitstellung einer Einrichtung, mit der der Leistungsfaktor verbessert werden kann, den eine Gleichstromversorgung einer Wechselstrom- Netzleitung darbietet.
Diese und weitere Ziele und Vorteile der Erfindung werden ohne Zweifel für den Fachmann klar, nachdem er die folgende Erläuterung bevorzugter Ausführungsbeispiele gelesen hat, die in den Figuren der Zeichnung dargestellt sind.
Fig. 1 zeigt das Schaltbild des gegenwärtig bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung in Form eines Trennetzwerks für harmonische Ströme bei militärischen Anwendungen;
Fig. 2 das Schaltbild eines im Augenblick bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung in Verbindung mit einem Trennetzwerk für harmonische Ströme bei kommerziellen/industriellen Anwendungen;
Fig. 3 das Schaltbild eines Trennetzwerks für harmonische Ströme in Verbindung mit kritischeren kommerziellen/industriellen Anwendungen.
Ins einzelne gehende Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels
In Fig. 1 ist ein allgemein mit der Bezugsziffer 10 versehenes, bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung für ein für Militärzwecke vorgesehenes Netzwerk zur Trennung harmonischer Ströme von einer Wechselstrom-Netzleitung, die von einer Gleichstromversorgung erzeugt werden. Zusätzlich zum Netzwerk 10 ist eine (dreiphasige) Wechselstrom-Netzleitung dargestellt, die allgemein mit 12 bezeichnet ist, und eine Gleichstromversorgung (mit Kondensatoreingang), die allgemein mit 14 bezeichnet ist. Das Netzwerk 10 besitzt drei Anschlüsse (Knoten) 20, 2' und 20", jeweils zur Anschaltung an einen zugeordneten Leiter der Wechselstrom-Netzleitung 12 und drei Anschlüsse (Knoten) 22, 22' und 22", jeweils zur Anschaltung an die Gleichstromversorgung 14.
Das Netzwerk 10 verwendet drei ähnliche Abschnitte, die mit 30, 30' und 30" bezeichnet sind und je zwischen einen der Anschlüsse 20, 20' und 20" und einen der Anschlüsse 22, 22' und 22" geschaltet sind. (In der vorliegenden Beschreibung werden ähnliche Abschnitte/Bauteile ähnlich numeriert.) Weiterhin benutzt das Netzwerk 10 drei ähnliche Abschnitte, die mit 32, 32' und 32" bezeichnet und jeweils zwischen ein entsprechendes Paar der Anschlüsse 20 und 20', 20' und 20" sowie 20" und 20 geschaltet sind.
Der Abschnitt 30 enthält eine Induktivität (Drossel) 40, die zwischen den Anschluß 20 und einen Knoten 42 geschaltet ist.
Zusätzlich besitzt der Abschnitt 30 einen Widerstand 44 und einen Kondensator 26, die in Reihe zwischen den Anschluß 20 und den Knoten 42 gelegt sind. Außerdem enthält der Abschnitt 30 eine Induktivität 50 und einen Kondensator 52, wobei die Kombination (mit der Induktivität 50 und dem Kondensator 52) parallel (in Parallelresonanz) zwischen dem Knoten 42 und einem Knoten 54 geschaltet ist. Schließlich enthält der Abschnitt 30 eine Induktivität 58 und einen Kondensator 60, wobei die Kombination (mit der Induktivität 58 und dem Kondensator 60) parallel (in Parallelresonanz) zwischen den Knoten 54 und den Anschluß 22 gelegt ist.
Der Abschnitt 32 enthält eine Induktivität 70 und einen Kondensator 72, wobei die Kombination (mit der Induktivität 70 und dem Kondensator 72) in Reihe (in Reihenresonanz) zwischen die Anschlußknoten 22 und 22' geschaltet ist.
Die Gleichstromversorgung 14 enthält einen Brückengleichrichter 80 und einen Filterkondensator 82. Der Eingang des Gleichrichters 80 ist mit den Anschlüssen 22, 22', 22" verbunden und der Ausgang des Gleichrichters (im vorliegenden Fall) direkt über den Kondensator 82 gelegt (zwischen ein Anschlußpaar 84 und 86), um eine (Ausgangs-)Gleichspannung (zwischen den Anschlüssen) über dem Kondensator zur erzeugen. Eine Last (für die Gleichstromversorgung 14) ist durch einen zwischen die Anschlüsse 84 und 86 gelegten Widerstand 90 dargestellt. der Brückengleichrichter 80 enthält drei Gleichrichterdioden (nicht gezeigt) mit je einer Kathode, die mit dem Anschluß 84 verbunden ist, und einer Anode, die mit einem der Anschlüsse 22, 22' und 22" verbunden sind. Außerdem enthält der Brückengleichrichter 80 drei weitere Dioden (ebenfalls nicht gezeigt) mit je einer Anode, die mit dem Anschluß 86 verbunden sind, und einer Kathode, die mit einem der Anschlüsse 22, 22' und 22" verbunden sind.
Die Kombination aus Induktivität (70, 70' oder 70") und einem Kondensator (72, 72' oder 72") jedes Abschnitts 32, 32' und 32" bildet einen (hier so genannten) "Resonator" zur Erzeugung (wie hier angenommen wird) (in Verbindung mit der Stromversorgung 14) von harmonischen Strömen für die Stromversorgung. Im gegenwärtig bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Wert der Induktivität (70, 70' oder 70") und des Kondensators (72, 72' oder 72") so gewählt, daß jede Kombination aus Induktivität und Kondensator bei einer Frequenz nahe der sechsten Harmonischen der Netzfrequenz in Resonanz ist und eine Güte Q von etwa eins besitzt, um Ströme sowohl der fünften als auch der siebten Harmonischen zu erzeugen.
Die Induktivitäts-Kondensatorkombinationen des Abschnitts 30 (40 und 46, 50 und 52, 58 und 60) (sowie die ähnlichen Kombinationen der Abschnitte 30' und 30") bilden (hier so genannte) "Reflektoren" zur (wie angenommen wird) Reflexion harmonischer Energie zurück zur Stromversorgung 14. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Induktivität 58 und der Kondensator 60 nahe der siebten Harmonischen, die Induktivität 50 und der Kondensator 52 nahe der fünften Harmonischen und die Induktivität 40 sowie der Kondensator 46 nahe der dreizehnten Harmonischen in Resonanz. Jede Induktivitäts-Kondensatorkombination der "Reflektoren" besitzt eine Güte Q im Bereich zwischen 0,5 und 3. (Eine niedrige Reflektorgüte wird benutzt, um unter anderem eine zu starke Dämpfung des Grundwellenstroms zu vermeiden.) Man beachte, daß zur Dämpfung des Pegels harmonischer Ströme höherer Ordnung ein Widerstand (44) in Reihe zum Kondensator (46) im "Resonator" der höchsten Frequenz geschaltet ist. Der Wert des Widerstandes (44) ist etwa gleich dem Wellenwiderstand jedes der "Resonatoren" (jedes Abschnitts 32, 32' und 32"). Schließlich ist zu beachten, daß keine Induktivitäts-Kondensatorkombination bei einem genauen Vielfachen der Resonanzfrequenz einer anderen Induktivitäts-Kondensatorkombination in Resonanz ist, da beobachtet wurde, daß bestimmte Kombinationen der Frequenz und Güte zu hohen Pegeln harmonischer Ströme auf der Leitung geführt haben.
Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel wurden die folgenden Bauteilwerte benutzt:
Induktivität 40 ... 2,41 mH,
Widerstand 44 ... 12 Ohm
Kondensator 46 ... 2,84 uF,
Induktivität 50 ... 2,84 mH,
Kondensator 52 ... 97,4 uF,
Induktivität 58 ... 2,43 mH,
Kondensator 60 ... 46,9 uF,
Induktivität 70 ... 3,55 mH,
Kondensator 72 ... 10,95 uF,
Kondensator 82 ... 3000 uF und
Widerstand 90 ... konstante Last von 2000 W (wie sie ein Schaltnetzteil und seine Last darbieten)
Die folgenden Gütekennwerte wurden mit Hilfe eines Rechnerprogramms Micro-Cap II von Spectrum Software erechnet:
57 Hz 60 Hz 63 Hz
Pegel der harmonischen Ströme mit Bezug auf die Grundwelle
5 ... 1,75 % ... 0,73 % ... 2,10 %
7 ... 2,85 % ... 1,78 % ... 1,10 %
11 ... 1,71 % ... 1,42 % ... 1,66 %
13 ... 1,30 % ... 0,79 % ... 0,68 %
17 ... 0,96 % ... 0,84 % ... 0,57 %
23 ... 0,49 % ... 0,87 % ... 0,58 %
25 ... 0,16 % ... 0,38 % ... 0,49 %
Gesamte harmonische Verzerrung
4,12 % 2,82 % 3,12 %
Phasenwinkel in Grad
14 voreilend 13 voreilend 15 voreilend
Spannungswert über der Last (Widerstand 90)
144 V= 144,4 V= 146,6 V=
In Fig. 2 ist das bevorzugte Ausführungsbeispiel eines Trennetzwerkes für harmonische Ströme und kommerziellen/industriellen Einsatz gezeigt und generell mit 110 bezeichnet. Zusätzlich zum Netzwerk 110 ist eine (einphasige) Wechselstrom-Netzleitung, allgemein mit 112 bezeichnet, und eine weitere Gleichstromversorgung (mit Kondensatoreingang) dargestellt, die allgemein mit 114 bezeichnet ist. Das Netzwerk 110 besitzt zwei Anschlüsse (Knoten), die mit 120 und 120' bezeichnet sind und je zur Verbindung mit einem entsprechenden Leiter der Wechselstrom- Netzleitung 112 dienen, und zwei weitere Anschlüsse (Knoten), die mit 122 und 122' bezeichnet sind und je zur Verbindung mit der Gleichstromversorgung 114 dienen.
Das Netzwerk 110 verwendet 2 "Reflektoren" und einen "Resonator". Der erste Reflektor enthält eine Induktivität 140, die zwischen den Anschluß 120 und einen Knoten 142 geschaltet ist. Zusätzlich enthält der erste "Reflektor" einen Widerstand 144 und einen Kondensator 146, der in Reihe mit dem Widerstand 144 zwischen den Anschluß 120 und den Knoten 142 gelegt ist. Der zweite "Reflektor" enthält eine weitere Induktivität 150 und einen weiteren Kondensator 142, die parallel zwischen den Knoten 142 und den Anschluß 122 geschaltet sind. Schließlich enthält der "Resonator" eine weitere Induktivität 170 und einen weiteren Kondensator 172, die in Reihe zwischen die Anschlüsse 122 und 122' gelegt sind. Der Anschluß 120' ist direkt mit dem Anschluß 122' verbunden.
Die Gleichstromversorgung 114 enthält einen Brückengleichrichter 180 und einen Filterkondensator 182. Der Eingang des Gleichrichters 180 ist zwischen die Anschlüsse 122 und 122' gelegt und der Ausgang des Gleichrichters ist direkt an den Kondensator 182 angeschaltet (zwischen ein Anschlußpaar 184 und 186), um eine (Ausgangs-)Gleichspannung (zwischen den Anschlüssen) am Kondensator zu erzeugen. Eine Last (für die Gleichstromversorgung 104) ist durch einen Widerstand 190 dargestellt, der zwischen die Anschlüsse 184 und 186 gelegt ist.
Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Wert der Induktivität 170 und des Kondensators 172 für den "Resonator" so gewählt, daß die bei einer Frequenz nahe der sechsten Harmonischen der Netzleitungsfrequenz in Resonanz sind und eine Güte Q von etwa eins besitzen, um Ströme sowohl der fünften als auch der siebten Harmonischen zu erzeugen. Außerdem erzeugt der "Resonator" (Induktivität 170 und Kondensator 172) in merkbarem Umfang einen Strom der dritten Harmonischen ohne den hohen Spannungswert im unbelasteten Zustand für einen "Resonator", der bei einer niedrigeren Frequenz in Resonanz ist. Der "Reflektor", der die Induktivität 150 und den Kondensator 152 enthält, ist bei einer Frequenz nahe der fünften Harmonischen in Resonanz und besitzt eine Güte Q von etwa eins. Der weitere "Reflektor", der die Induktivität 140 und den Kondensator 146 enthält, ist nahe der siebten Harmonischen in Resonanz und besitzt eine Güte Q von etwa 0,75. Der Wert des Widerstandes 144 ist etwa gleich dem Wellenwiderstand des "Resonators". Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden die folgenden Bauteilwerte benutzt:
Induktivität 140 ... 36 mH
Widerstand 144 ... 115 Ohm
Kondensator 146 ... 4,84 uF
Induktivität 150 ... 67,2 mH
Kondensator 152 ... 5,08 uF
Induktivität 170 ... 56,5 mH
Kondensator 172 ... 4,27 uF
Kondensator 182 ... 600 uF und
Widerstand 190 ... konstante Widerstandslast von 200 Ohm, die etwa 110 W verbraucht.
Die folgenden Kennwerte wurden berechnet :
47 Hz 50 Hz 53 Hz 57 Hz 60 Hz 63 Hz
Pegel der harmonischen Ströme mit Bezug auf die Grundwelle
3. 34,59% 33,86% 31,13% 19,83% 15,20% 13,20%
5. 2,87% 2,36% 1,10% 0,91% 1,35% 1,01%
7. 0,82% 4,50% 8,76% 9,03% 8,85% 8,14%
9. 3,81% 2,03% 4,57% 4,84% 5,56% 5,85%
11. 4,66% 2,91% 0,91% 0,46% 1,11% 1,72%
13. 3,20% 3,01% 1,11% 1,71% 1,66% 1,44%
15. 1,37% 2,22% 1,61% 1,63% 1,89% 1,95%
17. 0,69% 1,17% 1,48% 0,37% 0,66% 0,89%
19. 1,28% 0,55% 1,01% 0,70% 0,63% 0,54%
Leistungsfaktor
0,91 0,91 0,90 0,89 0,93 0,94
Spannungswert über der Last (Widerstand 190)
134 V= 135 V= 138 V= 143 V= 144 V= 143 V=
Für kritischere Anwendungen ist ein kommerzielles/industrielles Trennetzwerk für harmonische Ströme in Fig. 3 gezeigt und dort allgemein mit 210 bezeichnet. Das Netzwerk 210 besitzt zwei Anschlüsse (Knoten), die mit 220 und 220' bezeichnet sind und je zur Verbindung mit einem entsprechenden Leiter einer Wechselstrom-Netzleitung dienen, sowie zwei Anschlüsse (Knoten), die mit 222 und 222' bezeichnet sind und je zur Anschaltung an eine Gleichstromversorgung dienen. Das Netzwerk 210 besitzt fünf "Reflektoren", die in Reihe zwischen die Anschlüsse 220 und 222 geschaltet sind, und zwei "Resonatoren". Die ersten drei "Reflektoren", enthalten die Parallelschaltung einer Induktivität 240 und eines Widerstandes 244 im ersten Reflektor, die Parallelschaltung einer Induktivität 250 und eines Kondensators 252 im zweiten Reflektor sowie eine Induktivität 258 und einen Kondensator 260 im dritten Reflektor. Der erste "Resonator" ist zwischen den dritten und vierten "Reflektor" geschaltet und enthält eine Induktivität 270 und einen Kondensator 272, die in Reihe zwischen einen Knoten 274 und den Anschluß 222' gelegt sind. Die letzten beiden "Reflektoren" enthalten die Parallelschaltung einer Induktivität 340 und eines Kondensators 346 im vierten Reflektor und die Parallelschaltung einer Induktivität 350 und eines Kondensators 352 im fünften Reflektor. Der letzte (zweite) "Resonator" enthält eine Induktivität 370 und einen Kondensator 372, die in Reihe zwischen die Anschlüsse 222 und 222' geschaltet sind. Der Anschluß 220' ist direkt mit dem Anschluß 222' verbunden.
In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden die folgenden Bauteilwerte verwendet:
Induktivität 240 ... 30 mH
Widerstand 244 ... 115 Ohm
Induktivität 250 ... 30,5 mH
Kondensator 252 ... 9,23 uF ... Freq.. 5. Harmonische, Q 1/2
Induktivität 258 ... 67,2 mH
Kondensator 260 ... 6,59 uF ... Freq.. 7. Harmonische, Q 1/2
Induktivität 270 ... 102 mH
Kondensator 272 ... 7,66 uF... Freq.. 3. Harmonische, Q 1
Induktivität 340 ... 16,9 mH
Kondensator 346 ... 5,12 uF ... Freq.. 9. Harmonische, Q 1/2
Induktivität 350 ... 13,9 mH
Kondensator 352 ... 4,19 uF ... Freq.. 11. Harmonische, Q 1/2
Induktivität 370 ... 51 mH und
Kondensator 372 ... 3,84 uF ... Freq.. 6. Harmonische, Q 1
Gleichstromversorgungskondensator 600 uF und konstante Widerstandslast von 200 Ohm, die etwa 100 Watt verbraucht.
Die folgenden Kennwerte wurden berechnet:
57 Hz 60 Hz 63 Hz
Pegel der harmonischen Ströme mit Bezug auf die Grundwelle
3. 7,89 % 1,03 % 6,60 %
5. 1,12 % 0,42 % 2,74 %
7. 0,42 % 0,21 % 0,36 %
9. 1,52 % 0,32 % 1,91 %
11. 0,89 % 0,37 % 0,89 %
13. 2,07 % 0,74 % 1,17 %
15. 3,64 % 1,78 % 2,26 %
17. 1,39 % 2,02 % 1,88 %
19. 1,55 % 0,82 % 1,97 %
21. 0,79 % 0,68 % 1,15 %
23. 0,93 % 0,56 % 0,75 %
25. 0,62 % 0,19 % 0,99 %
27. 0,55 % 0,47 % 2,00 %
29. 0,50 % 0,44 % 1,50 %
31. 0,30 % 0,38 % 0,26 %
Gesamte harmonische Verzerrung
9,55 3,37 % 8,87 %
Über der Last erzeugte Spannung
156 V= 147,5 V= 147 V=
(Da die Bauteile alle passiv sind, können sie natürlich maßstäblich vergrößert oder verkleinert werden. Als erstes erhält man das Verhältnis der gewünschten Leistung zur gegebenen Leistung. Dann wird der Wert jeder Induktivität durch das Verhältnis dividiert; der Wert jedes Kondensators wird mit dem Verhältnis multipliziert und der Wert jedes Widerstandes durch das Verhältnis dividiert.)
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel sind die Induktivität und der Kondensator 272 (des ersten "Resonators) in Reihe zwischen den Anschluß 222' und einen Knoten 400 am Verbindungspunkt der Induktivitäten 340 und 350 geschaltet. Es wird davon ausgegangen, daß in Kenntnis der vorstehenden Offenbarung Änderungen und Abwandlungen der Erfindung für den Fachmann zu erkennen sind. Die folgenden Ansprüche sollen daher solche Änderungen und Abwandlungen als innerhalb des Schutzumfangs umfassen.

Claims

1. Netzwerk zur Einschaltung zwischen eine Wechselstrom- Netzleitung (112) mit vorbestimmter Spannung und Frequenz und den Eingang einer Gleichstromversorgungsquelle (114), die auf der Wechselstrom-Netzleitung bei direkter Anschaltung Ströme mit harmonischen Frequenzen der Netzfrequenz erzeugt, wobei das Netzwerk in Kombination aufweist:

einen ersten Anschluß (120),

einen zweiten Anschluß (122),

einen dritten Anschluß (120') zur Anschaltung zusammen mit dem ersten Anschluß (120) an die Wechselstrom-Netzleitung (112),

einen vierten Anschluß (122') zur Anschaltung zusammen mit dem zweiten Anschluß (122) an den Eingang der Gleichstromversorgungsquelle,

eine erste Einrichtung (140, 144, 146; 150, 152) einschließlich eines Parallelresonanzkreises, der zwischen den ersten Anschluß (120) und den zweiten Anschluß (122) geschaltet ist,

eine zweite Einrichtung einschließlich eines Reihenresonanzkreises (170, 172), der über den Eingang 122, 122' der Gleichstromversorgungsquelle geschaltet ist, wobei die Gleichstromversorgungsquelle (114) mit ihrem Eingang an den zweiten und vierten Anschluß (122, 122') gelegt ist,

dadurch gekennzeichnet,

daß die erste Einrichtung zwei in Reihe geschaltete Parallelresonanzkreise (140, 144, 146; 150, 152) enthält, daß der erste Parallelresonanzkreis (150, 152) nahe der fünften Harmonischen der Netzleitungsfrequenz und der zweite Parallelresonanzkreis (140, 144, 146) nahe der siebten Harmonischen der Netzleitungsfrequenz in Resonanz sind, und

daß der Serienresonanzkreis (170, 172) nahe der sechsten Harmonischen der Netzleitungsfrequenz in Resonanz ist.

2. Netzwerk nach Anspruch 1,

bei dem der Serienresonanzkreis (170, 172) bei einer Frequenz in Resonanz ist, die höher als die fünfte und niedriger als die siebte Harmonische der Netzleitungsfrequenz ist.

3. Netzwerk nach Anspruch 1 oder 2,

bei dem der Serienresonanzkreis (170, 172) eine Güte Q aufweist, die größer als 0,5 und kleiner als 3,0 ist.

4. Netzwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 3,

bei dem der zweite Parallelresonanzkreis (140, 144, 146) ferner einen Widerstand (144) aufweist.

5. Netzwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 5,

bei dem zwischen dem ersten Auschluß (220) und den zweiten Anschluß ein dritter Parallelresonanzkreis (258, 260) geschaltet ist, bei dem ferner zwischen den zweiten Anschluß (274) und einen Eingangsauschluß (222) der Gleichstromversorgungsquelle eine Reihenschaltung eines vierten und fünften Parallelresonanzkreises (340, 346; 350, 352) gelegt ist, die nahe der neunten bzw. elften Harmonischen der Netzleitungsfrequenz in Resonanz sind, und bei dem ein weiterer Serienresonanzkreis (370, 372), der nahe der sechsten Harmonischen der Netzleitungsfrequenz in Resonanz ist, über den Eingang (222, 222') der Gleichstromversorgungsquelle gelegt ist.

6. Netzwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß für eine Drei-Phasen-Wechselstromquelle (14) vorbestimmter Spannung und Frequenz mit drei Phasenleitungen und eine Gleichstrom-versorgungsquelle (14) mit drei Eingängen (22, 22', 22") jede Phasenleitung die zwei in Reihe geschalteten Parallel resonanzkreise (2, 3; 2', 3'; 2", 3") enthält und

daß zwischen jedes unterschiedliche Paar von Eingängen (22, 22'; 22', 22"; 22, 22") der Gleichstromversorgungsquelle (14) der Serienresonanzkreis geschaltet ist.

7. Netzwerk nach Anspruch 6,

bei dem jede Phasenleitung einen dritten Parallelresonanzkreis (40, 44, 46; 44', 46'; 40", 44", 46") enthält, der in Reihe zu dem ersten und dem zweiten Parallelresonanzkreis (50, 52, 58, 60; 50', 52', 58', 60'; 50", 52", 58", 60") geschaltet ist.

8. Netzwerk nach Anspruch 7,

bei dem dritte Parallelresonanzkreise (40, 44, 46; 40', 44', 46': 40", 44", 46") nahe der dreizehnten Harmonischen der Netzleistungsfrequenz in Resonanz sind.