DE4003653C2 - Stromnetz-Kommunikationssystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Kommunikationssysteme, welche zur Übertragung von Kommunikationssignalen ein elektrisches Stromnetz nutzen.

Es ist bekannt, daß zur Übertragung von Kommunikationssig­ nalen die Stromleiter eines elektrischen Stromnetzes geeignet sind. Die US-PS 4 234 926 beispielsweise beschreibt den Ge­ brauch eines elektrischen Stromnetzes zur Überwachung von Kühlcontainern auf Schiffen oder Häfen.

Man hat entdeckt, daß, wenn bestimmte Arten elektrischer Ver­ braucher von einem elektrischen Stromnetz gespeist werden, wie z. B. Festkörperansteuerungen für Motoren, welche die Wechselspannung zerhacken, solche Verbraucher elektrisches Rauschen in das Stromnetz zurückspeisen, wodurch es schwierig wird, mit praktikablen Signalstärken über das Stromnetz zu kommunizieren.

Da das elektrische Rauschen einen breiten Frequenzbereich umfaßt, ist es nicht praktikabel, abgestimmte Filter zu ver­ wenden, da eine große Anzahl großer Filter, welche schwierig abzustimmen sind, benötigt würden.

Die Aufgabe der Erfindung liegt darin, ein Kommunizieren über ein Stromnetz zu ermöglichen, und dabei die obengenannten Probleme zu lösen.

Die vorliegende Erfindung schafft ein Stromnetz-Kommunika­ tionssystem mit einer Breitband-Richtschaltung, die nahe der Rauschquelle zwischen Rauschquelle und dem Punkt, wo die Kommunkationssignale dem Stromnetz zugeführt werden, mit dem Stromnetz verbunden ist. Die Schaltung ist einfach aufgebaut und kann in ein Stromnetz leicht eingefügt werden, wobei nur ein Kondensator pro elektrischer Phase und ein 1 : 1 Transfor­ mator mit einer Wicklungsanzahl, die um eins größer ist als die Anzahl der elektrischen Phasen, benötigt werden. Demnach würde ein einphasiges Stromnetz lediglich einen Kondensator benötigen, der mit dem nicht geerdeten Stromleiter verbunden ist, und ein dreiphasiges Stromnetz würde drei Kondensatoren benötigen, die jeweils mit einer Phase verbunden sind.

Der Transformator ist einfach aufgebaut und benötigt nur einen magnetischen Kern mit einem Wickelraum, durch welchen Einwindungswicklungen geradlinig verlaufen. Die Wicklung wird durch Hindurchführung jeder Phase und eines zusätzlichen Lei­ ters durch den Wicklungsraum des magnetischen Kernes gebil­ det, wobei der zusätzliche Leiter die gemeinsame Leitung der Kondensatoren ist und die Kondensatoren jeder Phase unterein­ ander und mit Erde verbindet. Die Verbindung der jeweiligen Kondensatoren mit den Stromnetzleitern wird an einem Punkt vorgenommen, der zwischen dem Transformator und dem Punkt, an dem die Kommunikationssignale in das Stromnetz eingeleitet werden, liegt. Demnach verläuft das elektrische Rauschen von der Rauschquelle durch die der Phase entsprechende Transfor­ matorwicklung oder -wicklungen, und dann trifft das Rauschen auf den Kondensator oder die Kondensatoren. Der Kondensator oder die Kondensatoren bildet bzw. bilden zusammen mit der damit verbundenen Transformatorwicklung für das elektrische Rauschen einen Strompfad bis zur Erdung mit niedrigem Schein­ widerstand, da der Kondensator oder die Kondensatoren das elektrische Rauschen durch den Transformator mit bezüglich des Rauschens in den anderen Wicklungen umgekehrtem Sinn zurückleitet bzw. -leiten, wodurch nahezu keine Induktion entsteht. Die Kommunikationssignale erreichen die Schaltung von der anderen Richtung her, und demnach müssen die Kommu­ nikationssignale durch alle Transformatorwicklungen ein­ schließlich der kondensatorbezogenen Wicklung in der gleichen Richtung durchströmen. Dies bedeutet eine hohe Induktion für die Kommunikationssignale und einen hohen Scheinwiderstand gegenüber Erde. Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen beschrieben, in denen zeigt:

Fig. 1 Ein schematisches Schaltbild ei­ nes erfindungsgemäßen dreiphasi­ gen Stromnetz-Kommunikationssys­ tems;

Fig. 2 Einen dem in Fig. 1 dargestellten dreiphasigen System entsprechen­ den Schaltkreis,

Fig. 3 Einen entsprechenden Schaltkreis eines einphasigen Stromnetz- Kommunikationssystems,

Fig. 4 Eine schematische Darstellung der in den Fig. 1 und 2 gezeigten Schaltung, welche die Ausführung des in der Schaltung verwendeten magnetischen Kerns deutlicher zeigt und,

Fig. 5 Eine Kurve, die die Wirkung der Schaltung auf das Rauschen einer Dreiphasen-440-V-225-kW-Festkör­ per-Motorsteuerung für variab­ le Frequenz, die vom elektrischen System eines Schiffes gespeist wird.

In den Zeichnungen ist das schematische Schaltbild eines er­ findungsgemäßen Stromnetz-Trägerfrequenz-Kommunikationssys­ tems 10 gezeigt. Das System 10 weist ein dreiphasiges elek­ trisches Stromnetz 12 auf, wie beispielsweise ein elektri­ sches Verteilsystem auf einem Schiff oder ein elektrisches Verteilsystem am Hafen. Das Stromnetz 12 weist Phasen A, B und C und eine Erdung 13 auf, wie zum Beispiel ein geerdeter Nulleiter N oder ein Schiffskörper. Eine Leitüberwachsungs­ einrichtung 14 speist in das Stromnetz 12 eine gleichsinnige hochfrequente, modulierte Trägerfrequenz ein, d. h. direkt in jede Phase des Netzes, und zwar über eine Stromnetzkopp­ lung 16, wie beispielweise einem Transformator 18 und Kopp­ lungskondensatoren 20. Eine Fernüberwachungseinrichtung 22, wie sie beispielsweise einem Kühlcontainer zugeordnet sein kann, empfängt das modulierte Signal über eine Stromnetz­ kopplung 24. Die Fernüberwachungseinrichtung 22 ermittelt die erforderlichen Daten und übermittelt diese Daten über eine dem Stromnetz eingespeiste modulierte Trägerfrequenz zur Leitüberwachungseinrichtung 14 zurück. Eine Rauschquelle 26, welche mit dem Stromnetz 12 verbunden ist und elektrisches Rauschen erzeugt, kann die Wirksamkeit des Stromnetz- Kommunikationssystems sehr schädigen, wenn das Rauschen nicht von dem Teil des Stromnetzes ferngehalten wird, über den die Kommunikation stattfindet. Die vorliegende Erfindung isoliert das elektrische Rauschen mittels einer Breitband-Gleichricht- Schaltung 28, welche keine Frequenzabstimmung erfordert.

Die Schaltung 28 weist Netzfrequenz sperrende Sperrkonden­ satoren für jede Phase auf, wie beispielsweise die Kondensa­ toren 30, 32 und 34, die mit den entsprechenden Phasen A, B bzw. C verbunden sind, und sie weist einen 1 : 1 Transforma­ tor 35 auf. Der Transformator 35 hat einen magnetischen Kern 37 und weist für jede Phase eine Wicklung auf, wie beispielsweise die Wicklungen 36, 38 und 40 der entsprechen­ den Phasen A, B bzw. C, und er weist eine Wicklung 42 auf, die Kondensatoren zugeordnet ist. Die Wicklungen 36, 38 und 40 sind mit den Phasen A, B bzw. C in Reihe geschaltet, und die Wicklung 42 verbindet die Enden der Kondensatoren 30, 32 und 34 mit Erde, d. h. mit dem geerdeten Neutralleiter N.

In Fig. 2 ist ein gleichwertiger schematischer Schaltplan des Stromnetz-Trägerfrequenz-Kommunikationssystems 10 mit einem Stromerzeuger dargestellt, der eine hochfrequente Trägerfre­ quenz liefert, wie beispielsweise einer Leitüberwachungein­ richtung 14, wobei der Stromerzeuger die Trägerfrequenz am Punkt 43 in das Stromnetz gleichsinnig einspeist und die Widerstände 44 den Scheinwiderstand des Stromnetzes 12 ange­ ben. Der das elektrische Rauschen erzeugende Stromerzeuger 26 ist am Knoten 45 mit dem Stromnetz 12 verbunden, wobei die Widerstände 46 dessen Ausgangs-Scheinwiderstand angeben.

Betrachtet man das Stromnetz 12 vom Stromerzeuger 26 aus, welcher das elektrische Rauschen erzeugt, so geht das elek­ trische Rauschen durch die Transformatorwicklungen 36, 38 und 40, wobei es jeweils in die Enden der Wicklungen eintritt, die nicht mit einem Punkt versehen sind. Während die Scheinwiderstände der Kondensatoren 30, 32 und 34 bezüglich der Netzströme hoch sind, sind sie niedrig bezüglich des breiten Bandes hoher Frequenzen im elektrischen Rauschen. Die Scheinwiderstände der Kondensatoren 30, 32 und 34 bezüglich des elektrischen Rauschens sind auch im Vergleich zum Schein­ widerstand 44 des Stromnetzes niedrig. Demnach fließt das elektrische Rauschen durch die Kondensatoren 30, 32 und 34 und tritt in die Transformatorwicklung 42 ein, von der Seite aus, die mit einem Punkt versehen ist. Das elektrische Rau­ schen fließt durch die Wicklung 42 bezüglich der Wicklun­ gen 36, 38 und 40 in entgegengesetzter Richtung und ist bezüglich des elektrischen Rauschens in genannten Wicklungen gegensinnig, wodurch der Transformator 35 wie eine bifilar gewickelte Spule wirkt und die Induktion des Transforma­ tors 35 bezüglich des elektrischen Rauschens auf nahezu Null reduziert. Dementsprechend bieten die Kondensatoren 30, 32 und 34 mit der Wicklung 42 für das elektrische Rauschen einen Strompfad bis zur Erdung von sehr niedrigem Scheinwiderstand. Die Verbindung 48 mit dem Nulleiter sollte nahe an der Rauschquelle liegen, so daß ein sehr geringer Scheinwider­ stand in der Stromrückführungsleitung zum rauschenden Strom­ erzeuger 26 entsteht, so daß das Rauschen nicht wieder in das Stromnetz 12 zurückgedrängt wird.

Betrachtet man das Stromnetz 12 vom Stromerzeuger 14 aus, der Hochfrequenz liefert, so fließen alle Kommunikationssignale in gleicher Richtung durch den Transformator 35, d. h. durch die mit einem Punkt versehenen Enden der Windungen 36, 38, 40 und 42 eintretend. Der Transformator 35 weist bezüglich der hochfrequenten Signale eine hohe Induktanz und gegenüber der Erdung einen hohen Scheinwiderstand auf.

In Fig. 3 ist ein gleichwertiger Schaltplan für ein einpha­ siges Stromnetz-Kommunikationssystem 10′ mit Stromleitun­ gen 49 und 50 dargestellt, wobei der Stromleiter 50 bei 13 geerdet ist. Gleiche Bezugsziffern in den Fig. 2 und 3 (mit Ausnahme des Striches) bezeichnen entsprechende Bau­ steine des einphasigen Systems 10′. In der einphasigen Aus­ führungsform der Erfindung führt der Transformator 35′ den vollen Laststrom, und deshalb muß der magnetische Kern 37 so ausgelegt sein, daß beim Netzstrom keine Sättigung eintritt. Beim dreiphasigen System 10 muß der Transformator 35 nur entsprechend des maximal zu erwartenden Ungleichgewichts der Lastströme ausgelegt werden, denn die Summe der Lastströme ergibt bei einem ausgeglichenen Verbraucher in jedem Fall Null.

Fig. 4 zeigt eine beispielhafte Konstruktion der Gleichricht- Schaltung 28, die schematisch in den Fig. 1 und 2 darge­ stellt ist. Der magnetische Kern 37 kann aus ferritischem Ma­ terial bestehen und bildet einen Wicklungsraum 52. Der mag­ netische Kern 37 kann beispielsweise aus 8 Leistungs-U-Kernen bestehen. Die Wicklungen 36, 38, 40 und 42 sind Wicklungen mit einer einzigen Windung, die direkt von den Leitern ge­ bildet sind, d. h. daß die Phasenleiter einfach durch den Kern-Wicklungsraum 52 hindurchgeführt werden können. Die Kon­ densatoren können beispielsweise folgende Kennwerte haben:
20 Mikrofarad, 1000 V. Die gestrichelte Linie 54 zweigt eine nicht magnetische Lücke im Kern 37 an, welche in einem ein­ phasigen System dazu verwendet werden, die Sättigung bei einer unter Last stehender Stromnetzfrequenz von beispiels­ weise 60 Hz zu verhindern.

In Fig. 5 ist die Kurve des auf die Spannung bezogenen elek­ trischen Rauschens in dB/V über der Frequenz in kHz darge­ stellt, die die Wirkung der Schaltung 28 aufzeigt. Die Kur­ ve 56 stellt das elektrische Rauschen eines dreiphasigen Stromnetzes mit Festkörper-Motoransteuerungsschaltung ohne die Gleichricht-Schaltung dar. Die Kurve 58 stellt den Ver­ lauf des elektrischen Rauschens in einem Stromnetz mit Fest­ körper-Motoransteuerungsschaltung mit der Gleichricht-Schal­ tung dar. Man stellt fest, daß über den Frequenzbereich eine Absenkung von etwa 20 dB erreicht wird, was in Stromnetz- Trägerfrequenz-Kommunikationssystemen gerne genutzt wird. Die Kurve 60 stellt das elektrische Rauschen in einem Stromnetz dar, wobei die Festkörper-Motoransteuerungsschaltung nicht aktiv, d. h. abgeschaltet ist, und keine Gleichricht-Schal­ tung 28 vorhanden ist. Vergleicht man die Kurven 58 und 60, so stellt man fest, daß in einem Bereich von ungefähr 40 kHz bis 400 kHz die beiden Kurven sehr nahe beieinander liegen, was darauf hindeutet, daß die Schaltung 28 im wesentlichen das Ganze von der Motoransteuerung erzeugte Rauschen unter­ drückt, wodurch eine Stromnetz-Kommunikation mit normalen Signalstärken möglich wird.

In der dreiphasigen Ausführungsform schaffen die Kondensa­ toren eine Zwischenverbindung zwischen jeweils zwei belie­ bigen Phasen. Deshalb ist es wichtig, daß die Kommunikations­ signale in die drei Phasenleiter einer dreiphasigen Ausfüh­ rung gleichsinnig eingespeist werden, und nicht in irgendei­ nem anderen Sinn.

Claims (3)

1. Rauschunterdrückungsschaltung für Stromnetz-Kommunika­ tionssysteme (10), bei welchen in einem elektrischen Strom­ netz (12) mit einer Anzahl elektrischer Phasenleiter (A, B, C) und einer elektrischen Erdung (13) eine Kommunikations­ signal-Quelle (14) und ein Verbraucher (26) angeschlossen ist, wobei die Kommunikationssignal-Quelle (14) an einem er­ sten Punkt mit dem Stromnetz (12) und der Verbraucher (26), der elektrisches Rauschen in das Stromnetz einleitet, an einem zweiten Punkt mit dem Stromnetz (12) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß
die Schaltung eine Breitband-Richtschaltung (28) ist und zwischen dem ersten und dem zweiten Punkt mit dem Stromnetz verbunden ist, wobei die Schaltung für das elektrische Rau­ schen gegenüber Erde einen niedrigeren Scheinwiderstand er­ zeugt als für die Kommunikationssignale,
die Schaltung (28) Kondensatoren (30, 32, 34) aufweist, die mit jedem elektrischen Phasenleiter (A, B, C) verbunden sind, und einen 1 : 1 Transformator (35) mit Wicklungen (36, 38, 40), die mit jedem elektrischen Phasenleiter zwischen dem ersten und dem zweiten Punkt in Reihe geschaltet sind, und mit einer weiteren Wicklung (42) aufweist,
die weitere Wicklung (42) jeden einer Phase zugeordneten Kon­ densator mit der elektrischen Erdung verbindet und wie ein gemeinsamer Kondensator wirkt,
in jeder Phase der entsprechende Kondensator mit dem Phasen­ leiter zwischen der entsprechenden Transformatorwicklung und dem ersten Punkt verbunden ist, damit die Kommunikationssig­ nale durch alle Transformatorwicklungen in gleicher Richtung fließen, wodurch für die Kommunikationssignale hohe Induktanz und hoher Scheinwiderstand gegenüber Erde bewirkt wird, wäh­ rend das elektrische Rauschen durch die dem Kondensator zuge­ ordnete Transformatorwicklung (42) bezüglich der den Phasen zugeordneten Transformatorwicklungen (36, 38, 40) in entge­ gengesetzter Richtung fließt, wodurch für das elektrische Rauschen niedrige Induktanz und niedriger Scheinwiderstand gegenüber Erde erreicht wird.

2. Schaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Transformator (35) einen magnetischen Kern (37) mit einem Wicklungsraum (52) aufweist, und die Wicklungen jeweils nur eine Quasi-Windung haben, die geradlinig durch den Wicklungs­ raum des magnetischen Kerns (37) führt.

3. Schaltung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetische Kern (37) einen nicht magnetischen Spalt (54) aufweist, um die Sättigung des magnetischen Kern zu verhin­ dern.