EP3753094A1 - Kompensationsfilter und verfahren zur inbetriebnahme eines kompensationsfilters - Google Patents

Kompensationsfilter und verfahren zur inbetriebnahme eines kompensationsfilters

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EP3753094A1
EP3753094A1 EP19701165.3A EP19701165A EP3753094A1 EP 3753094 A1 EP3753094 A1 EP 3753094A1 EP 19701165 A EP19701165 A EP 19701165A EP 3753094 A1 EP3753094 A1 EP 3753094A1
Authority
EP
European Patent Office
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compensation filter
power line
operational amplifier
coupled
filter according
Prior art date
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Pending
Application number
EP19701165.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Yasin KARINCA
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
TDK Electronics AG
Original Assignee
TDK Electronics AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by TDK Electronics AG filed Critical TDK Electronics AG
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Pending legal-status Critical Current

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    • Y02E40/00—Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
    • Y02E40/40—Arrangements for reducing harmonics

Definitions

  • the invention relates to compensation filters, z. For example, to suppress interference signals such as leakage currents, and methods for commissioning a corresponding compensation filter.
  • Electric currents that flow in power lines to supply electrical consumers can be divided into three categories in principle.
  • currents can flow, the usual use, eg. B. for driving a motor or the like, serve.
  • currents can flow that are attributable to a malfunction.
  • a housing of a consumer is connected to a live line.
  • a corresponding current would flow through the user.
  • RCD fault current circuit breaker
  • the fault current circuit breaker would detect a current flow through a corresponding unwanted path and the electrical load from the
  • a third category of currents relates to leakage currents of electrical consumers.
  • Leakage current is an electrical current that flows under normal operating conditions into an undesirable current path and differs from unwanted currents of the second category in that the leakage current may be necessary for a correct functioning of the electrical consumer, such as Eg an EMC filter or a frequency converter,
  • leakage currents are essentially harmless to users, but can be used in systems with fault current circuit breakers, eg. B. residual current circuit breakers, too
  • isolation transformers Furthermore, it is possible to prevent inadvertent release of residual current operated circuit breakers by leakage currents through the use of isolation transformers.
  • a galvanic isolation means that the leakage current flows almost completely on the secondary side of the isolating transformer and thus is not detected by the residual current circuit breaker, which is located on the primary side.
  • the use of isolation transformers is undesirable due to some disadvantages. The size increases significantly at higher rated currents, making the isolation transformer large and difficult to build. This can be an exclusion criterion, especially for mobile electrical consumers. High power losses and associated high temperatures are another unwanted consequence of isolating transformers.
  • a condensation filter for this purpose comprises a first port, a second port and a power line between the first port and the second port.
  • the compensation filter has an operational amplifier with an input and an output.
  • the compensation filter has a capacitive element which is coupled between the first port and the output of the operational amplifier and has the capacitance Co.
  • the compensation filter further includes a first resistive element coupled between the capacitive element and the output of the operational amplifier and having the electrical resistance Ro.
  • the filter further has a current transformer which is coupled in parallel to the capacitive element and which couples the power line to the input of the operational amplifier.
  • a second resistive element of the compensation filter is coupled between the capacitive element and the input of the operational amplifier and has the resistance R B.
  • Common-mode interference in the power line transmits a compensation signal of the same frequency, amplitude and inverse parity to the power line.
  • the compensation filter is electrically interconnected between a power source and at least one electrically active element of an electrical load.
  • a residual current circuit breaker between the power source and the
  • Compensation filter is interconnected. Disturbances z. B. unavoidable for the operation of the electrical load, but if necessary can trigger a residual current circuit breaker are provided by providing a current path with a corresponding compensation signal of the
  • the electrical load can via an electrical cal coupling, z. B. an electrical plug in an electrical outlet, connected to the power source and separated from the power source.
  • the critical frequency range in which the compensation filter sufficiently attenuates the common mode noise includes frequencies between one kilohertz and 300 kilohertz. Furthermore, it is possible that the critical frequency range also covers frequencies below one kilohertz. It is accordingly possible that the critical frequency range begins at about 150 hertz.
  • Conventional electrical consumers can be connected to a power source that provides a mains current with 50 or 60 Hertz frequency. In order to ensure the protection of users of the electrical load, a Gleich aktstrom the mains voltage, z. 50 hertz or 60 hertz, can not be damped. Fault currents with the mains frequency, z. B. 50 hertz or 60 hertz, the corresponding residual current circuit breaker must be able to reliably detect. This
  • the critical frequency range begins above 50 hertz or above 60 hertz.
  • Frequency range is determined by the values of the capacitance Co, the first resistive element Ro and the second resistive element R B. Accordingly, Co, Ro and R B SO are selected so that the lower limit is obtained at a frequency of 50 Hertz or higher, preferably 100 Hertz or 150 Hertz.
  • the compensation filter reacts to common-mode noise.
  • the number of electrical conductors in the power line can be greater than 1 and z. B. 3 include. It is thus possible to use electrical consumers having one phase working with two phases or those with three phases.
  • the compensation filter may be coupled to the power source.
  • the first port looks like the network impedance.
  • the second port may be coupled to the electrical load and sees its impedance or the impedance of an intermediate drive system.
  • the inverter system may be one of several sources of common mode noise. decision If the interference signal is a leakage current I N , SO is preferential, a compensation current Io generated in phase opposition and delivered to the power line that the resulting current I the expected current, z. B. the residual current circuit breaker corresponds.
  • the capacitive element with the capacity Co represents the network connection that connects the network with the electronics of the Kom pensationsfilters.
  • the core of the electronics is formed by the operational amplifier.
  • the operation amplifier is part of a voltage follower. If the leakage current I N flows through a primary side of the current transformer, the water stream is transferred to the secondary side of the current transformer with a phase shift of 180 °. In this case, the current flows through the second resistive element, which can represent a Burden resistor, for example, and thus generates the input voltage of the operational amplifier.
  • the amplification factor of the operational amplifier may, for example, be one. Then, the input voltage is transmitted 1: 1 to the first resistive element having the resistance Ro.
  • the values of the electrical components are correspondingly chosen so that a frequency response is obtained, so that the damping is sufficiently high even at frequencies below one kilohertz to prevent tripping of a residual current circuit breaker.
  • the frequency response is maintained at frequencies in the range of 50 hertz and 60 hertz so that attenuation does not occur. It is possible that at frequencies in the vicinity of the Netzfre frequency even overshoot is obtained by the compensation filter. Ie. a corresponding signal is not only not attenuated, but even amplified. However, such an over swing is not a problem and in particular does not constitute a safety-related problem. The personal safety of the user is given.
  • the mains frequency can be 50 hertz or 60 hertz. It is accordingly possible that the common mode noise includes a leakage current or consists of a leakage current.
  • the operational amplifier also takes into account this voltage drop in the regulation of the output voltage.
  • the higher the amount of this voltage drop across the coupling capacitor the higher the amount of the coupling current Vo belonging to the coupling current. This means that the operational amplifier can be overdriven if the voltage drop across the head capacitor becomes too high. This suggests choosing the impedance of the coupling capacitor as small as possible.
  • the compensation filter preferably has a large coupling capacity Co. This allows the lower frequency limit of the critical range to be shifted towards lower frequencies.
  • the compensation filter includes a supply terminal that is disconnected from the power line.
  • the compensation filter uses electronic components to generate the compensation current.
  • the electronic components eg. As the operational amplifier, are electrical components, which are even electrical consumers cher.
  • the compensation filter has the power line, which can be connected to a power source. It would therefore be reasonable to make the energy supply to the electronics of the compensation filter by an interconnection with the power line.
  • the compensation filter Ver supply connection in particular for the supply of electronic's components, which is separated from the power line ge.
  • circuit components of the compensation filter are from an external
  • the compensation filter is preferably supplied with electrical shear energy before the compensation filter between a power source and the electrical load is switched GE.
  • the electronics of the compensation filter is put into operation earlier and transient phenomena of the electronic components can be terminated before the compensation filter has to start its work.
  • the aspect of the prematurity of the power supply of the electronic components is particularly important for the compensation of leakage currents with low frequency, eg. Eg less than one kilohertz. This ensures that the electronics attenuate the leakage currents fast enough before the residual current device can detect these currents.
  • a switching power supply that supplies the Opera tion amplifier with electrical energy, a kriti shear point, since the settling of the output voltage z. B. can take longer than 100 milliseconds.
  • the external power supply can ensure who the that the output voltage of the switching power supply for the electronics is reached before the leakage currents flow.
  • the switching power supply for the electronics for example, the energy can reduce the external voltage of 400 volts to an operating voltage of the electronics of about 60 volts.
  • the DC Operating point of an operational amplifier can, for. B. 30 volts.
  • the electronics of the compensation filter is in steady state flow before leakage currents flow.
  • the current transformer comprises magnetically coupled inductive elements.
  • a first inductive element can be connected in a conductor of the power line or be coupled to a part of a conductor of the power line.
  • a second part of the current transformer can be connected to the first part of the current transformer and turn turn ver with the electronics of the compensation filter or coupled.
  • the current transformer comprises at least one indukti ves element per conductor of the power line on the primary side.
  • the power line comprises conductors for one, two or three phases in the power line.
  • the power line comprises conductors for three phases, the conductors are coupled to the operational amplifier via a neutral point and the neutral point is coupled to the respective conductor for each phase via a parallel connection of a capacitive element and a resistive element.
  • a method for starting up a compensation filter with its own supply connection can be configured in such a way that the supply connection to a power source is interconnected before the compensation filter is interconnected between a consumer and a power source.
  • the energy source which connects the compensation filter with the consumer, can be identical to the energy source for the supply connection. However, it is also possible that the supply connection of the compensation filter and the consumers use different sources of energy.
  • Fig. 1 an equivalent circuit diagram, which explains the operation of Kom pensationsfilters.
  • Fig. 2 a preferred frequency response of Kompensationsfil age.
  • Fig. 3 the coupling to a three-phase line.
  • FIG 5 shows an embodiment of the compensation filter with an external supply connection.
  • FIG. 1 shows an equivalent circuit diagram of a possible circuit topology of the compensation filter KF.
  • the compensation filter KF has a first port PI and a second port P2.
  • a power line SL is connected between the first port PI and the second port P2.
  • the compensation filter has an operational amplifier OPV.
  • the Operationsver stronger has an input E and an output A.
  • the coupling capacitance that is, the capacitive element connected to the capacitance Co.
  • the first resistive element Ro is interconnected.
  • a current transformer SW Parallel to the coupling capacitance Co, a current transformer SW is connected.
  • the current transformer SW has a first inductive element SW1 and a second induct tive element SW2.
  • the first inductive element SW1 is arranged on the primary side of the current transformer SW and connected in the power line SL or at least coupled to the power line SL.
  • the second inductive element SW2 of the current transformer SW is arranged on the secondary side of the current transformer SW and coupled to the input E of the operational amplifier.
  • the second inductive element SW2 of the current transformer SW is pa rallel connected to the second resistive element RB.
  • the second resistive element RE is connected in series between the coupling capacitance Co and the input E of the operational amplifier OPV.
  • I N represents the complete fault, z.
  • Io is the compensation current which is determined by the operational amplifier OPV and the additional circuit elements Co, RE and Ro.
  • the compensation current Io is preferably before the sign, the frequency and the
  • the compensation filter can be interconnected with an electrical consumer via the second port P2.
  • FIG. 2 shows a preferred frequency response FG of the compensation filter.
  • the critical frequency range is, for example, defined so that attenuation values of 10 dB define the lower and upper limits of the frequency range.
  • FIG. 2 shows a critical frequency range from 150 hertz to 30 kilohertz.
  • the overshoot at frequencies just below 100 hertz effectively represents signal amplification.
  • this is not a problem and does not represent a functional safety problem.
  • FIG. 3 illustrates how a connection to a three-phase power line is possible.
  • the symmetry point of the three phases is obtained at the star point SP.
  • the neutral point SP is connected by a respective parallel connection of a capacitive element CE and a resistive element RB to the respective conductor LI, L2, L3 of the power line SL.
  • the star point SP is the output side via a parallel connection, comprising the coupling inductance C0 and the second resistive element RB to the rest of the compensation circuit (not shown here) interconnected.
  • the fault to be compensated is a common-mode fault. Ie. a disturbance that is additive to all conductors LI, L2, L3 of the power line SL with respect to amplitude, frequency and phase acts. It is therefore sufficient to let the electronics of Kompensa tion filter act on the neutral point SP of the power line SL.
  • FIG. 4 shows an equivalent circuit diagram which helps to advantageously determine the value of the coupling capacitance Co.
  • the Netzanbin tion is realized by the one or more coupling capacitors. If a leakage current is compensated and thus flows through the coupling capacitor or several coupling capacitors, a voltage drop occurs at the capacitors. So that the compensation current Io always remains correct, the operational amplifier must also take into account the associated voltage drop at the coupling capacitor in the regulation of the output voltage. In order to be able to compensate for leakage currents of a frequency below one kilohertz, coupler capacitors with a larger capacitance than conventionally be known are necessary in order to obtain a lower impedance and thus a smaller voltage drop.
  • Circuit components ELC, z. B. the operational amplifier OPV to supply via an external supply connection VA with electrical shear energy. It is just not taken elec- tric energy of the power line. This makes it possible to supply the electronic circuit components ELC with electrical energy and to wait for transient processes before the compensation filter KF starts its work, ie. H. before the compensation filter a
  • the associated time sequence is shown in FIG.
  • the upper curve VSUP represents the time profile of the versor supply voltage of the electrical circuit components ELC of the compensation filter KF.
  • the curve VOPV shows the output signal of the operational amplifier.
  • the electronic circuit components are powered. It takes a certain time DT until the supply voltage has reached the correct value.
  • the operation amplifier takes on its character as soon as a supply voltage is made available to it. However, it reaches its maximum effectiveness only at the time To plus DT, at which the supply voltage VSUP has reached its intended value.
  • Residual current circuit breaker can be the result.
  • the compensation filter receives its own voltage supply at the supply connection VA, preferably before a functioning of the filter is required, transient processes can take place.
  • the compensation filter can be interconnected with the first and second ports between a power source and a consumer.
  • the time delay DT can be on the order of 100 milliseconds.
  • the compensation filter and the method for commissioning a compensation filter are not shown in the figure and described technical details.
  • the compen sationsfilter can further circuit components such. B. include further coupling capacitors and other electronic scarf processing components.
  • the method may include additional steps, e.g. B. with respect to the interconnection to the external

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Abstract

Er wird ein Kompensationsfilter zur Dämpfung von Gleichtaktstörungen, verursacht durch einen elektrischen Verbraucher, angegeben. Das Kompensationsfilter hat einen Operationsverstärker, ein kapazitives Element, ein erstes und ein zweites resistives Element und einen Stromwandler. Das Kompensationsfilter dämpft eine Gleichtaktstörung in einem kritischen Frequenzbereich.

Description

Beschreibung
Kompensationsfilter und Verfahren zur Inbetriebnahme eines Kompensationsfilters
Die Erfindung betrifft Kompensationsfilter, z. B. zum Unter drücken von Störsignalen wie Ableitströme, und Verfahren zur Inbetriebnahme eines entsprechenden Kompensationsfilters.
Elektrische Ströme, die in Stromleitungen zur Versorgung elektrischer Verbraucher fließen, können prinzipiell in drei Kategorien eingeteilt werden. Zum einen können Ströme flie ßen, die der üblichen Verwendung, z. B. zum Antreiben eines Motors oder dergleichen, dienen. Weiterhin können Ströme fließen, die einer Fehlfunktion zuzuordnen sind. So ist es beispielsweise unerwünscht aber möglich, dass ein Gehäuse ei nes Verbrauchers mit einer stromführenden Leitung verbunden ist. Berührt beispielweise ein Benutzer das Gehäuse, so würde ein entsprechender Strom durch den Benutzer fließen. Um Be nutzer vor entsprechenden Stromschlägen zu schützen, ist es möglich einen Fehlerstrom-Schutzschalter (FI-Schalter) zwischen einer Energiequelle und dem elektrischen Verbraucher zu verschalten. Der Fehlerstrom-Schutzschalter würde einen Stromfluss über einen entsprechenden unerwünschten Pfad feststellen und den elektrischen Verbraucher von der
Energiequelle trennen. Eine dritte Kategorie von Strömen betrifft Ableitströme elektrischer Verbraucher. Ein
Ableitstrom ist ein elektrischer Strom, der unter üblichen Betriebsbedingungen in einen unerwünschten Strompfad fließt und unterscheidet sich von unerwünschten Strömen der zweiten Kategorie dadurch, dass der Ableitstrom unter Umständen für ein korrektes Funktionieren des elektrischen Verbrauchers, wie z. B. eim EMV-Filter oder ein Frequenzumrichter,
notwendig ist.
Derartige Ableitströme sind im Wesentlichen ungefährlich für Benutzer, aber können in Anlagen mit Fehlerstrom- Schutzschaltern, z. B. Fehlerstrom-Schutzschaltern, zu
Problemen führen. Insbesondere können Ableitströme
Fehlerstrom-Schutzschalter auslösen und somit die
Zuverlässigkeit der Anlage massiv beeinträchtigen. Es ist deshalb eine Schaltung gewünscht, die die Zuverlässigkeit ei nes elektrischen Verbrauchers, der z. B. einem Fehlerstrom- Schutzschalter nachgeschaltet ist, erhöht.
Aus der EP 3 113 361 Al sind Filterschaltungen, die einen Ab leitstrom reduzieren können, bekannt.
Ferner ist es möglich, ein unbeabsichtigtes Auslösen von Fehlerstrom-Schutzschaltern durch Ableitströme durch die Verwendung von Trenntransformatoren zu verhindern. Eine galvanische Trennung führt dazu, dass der Ableitstrom nahezu komplett auf der Sekundärseite des Trenntransformators fließt und somit nicht vom Fehlerstrom-Schutzschalter, der auf der Primärseite sitzt, erfasst wird. Jedoch ist das Einsetzen von Trenntransformatoren aufgrund einiger Nachteile unerwünscht. Die Baugröße nimmt bei höheren Nennströmen signifikant zu, sodass der Trenntransformator groß und schwer zu bauen ist. Dies kann vor allem bei mobilen elektrischen Verbrauchern ein Ausschlusskriterium sein. Hohe Verlustleistungen und damit verbundene hohe Temperaturen sind weitere unerwünschte Folge von Trenntransformatoren.
Ferner ist es möglich, eine Netzzuleitung mit einem Festan schluss zu verwenden. Dann ist es z. B. möglich, auf einen Fehlerstrom-Schutzschalter zu verzichten. Der große Nachteil hierbei ist, dass die entsprechend angeschlossenen
elektrischen Verbraucher ortsfest sind.
Es besteht deshalb der Wunsch nach Schaltungen, die Störun gen, insbesondere Gleichtaktstörungen wie z. B. Ableitströme, so stark reduzieren oder gar vollständig kompensieren, dass prinzipiell problematische elektrische Verbraucher ohne
Festanschluss verwendbar sind.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen An sprüche gelöst. Abhängige Ansprüche geben vorteilhafte Ausge staltungen an.
Ein Kondensationsfilter umfasst dazu einen ersten Port, einen zweiten Port und eine Stromleitung zwischen dem ersten Port und dem zweiten Port. Ferner hat das Kompensationsfilter ei nen Operationsverstärker mit einem Eingang und einem Ausgang. Zusätzlich hat das Kompensationsfilter ein kapazitives Ele ment, das zwischen dem ersten Port und dem Ausgang des Opera tionsverstärkers gekoppelt ist und die Kapazität Co hat. Das Kompensationsfilter hat ferner ein erstes resistives Element, das zwischen dem kapazitiven Element und dem Ausgang des Ope rationsverstärkers gekoppelt ist und den elektrischen Wider stand Ro hat. Das Filter hat ferner einen Stromwandler, der parallel zum kapazitiven Element gekoppelt ist und der die Stromleitung mit dem Eingang des Operationsverstärkers kop pelt. Ein zweites resistives Element des Kompensationsfilters ist zwischen dem kapazitiven Element und dem Eingang des Ope rationsverstärkers gekoppelt und hat den Widerstand RB. Das Kompensationsfilter dämpft eine Gleichtaktstörung in einem kritischen Frequenzbereich. Es ist möglich, dass das Kompensationsfilter zu einer
Gleichtaktstörung in der Stromleitung ein Kompensationssignal gleicher Frequenz, gleicher Amplitude und umgekehrtem Vorzei chen auf die Stromleitung überträgt.
Es ist möglich, dass das Kompensationsfilter elektrisch zwi schen einer Energiequelle und zumindest einem elektrisch ak tiven Element eines elektrischen Verbrauchers verschaltet ist. Insbesondere ist es möglich, dass ein Fehlerstrom- Schutzschalter zwischen der Energiequelle und dem
Kompensationsfilter verschaltet ist. Störungen, die z. B. für den Betrieb des elektrischen Verbrauchers unvermeidbar sind, aber gegebenenfalls einen Fehlerstrom-Schutzschalter auslösen können, werden durch das Bereitstellen eines Strompfads mit einem entsprechenden Kompensationssignal des
Kompensationsfilters neutralisiert oder zumindest so stark abgeschwächt, dass der elektrische Verbraucher problemlos hinter einem Fehlerstrom-Schutzschalter betrieben werden kann. Dadurch ist es möglich, auf einen Festanschluss zu ver zichten. Der elektrische Verbraucher kann über eine elektri sche Kopplung, z. B. einem elektrischen Stecker in einer elektrischen Steckdose, mit der Energiequelle verbunden und von der Energiequelle getrennt werden.
Es ist möglich, dass der kritische Frequenzbereich, in dem das Kompensationsfilter die Gleichtaktstörung hinreichend stark dämpft, Frequenzen zwischen einem Kilohertz und 300 Ki lohertz umfasst. Ferner ist es möglich, dass der kritische Frequenzbereich auch Frequenzen unter einem Kilohertz um fasst. Es ist entsprechend möglich, dass der kritische Fre quenzbereich bei etwa 150 Hertz beginnt. Übliche elektrische Verbraucher können mit einer Energie quelle verschaltbar sein, die einen Netzstrom mit 50 oder 60 Hertz Frequenz bereitstellt . Um den Schutz von Benutzern des elektrischen Verbrauchers sicherzustellen, darf ein Gleicht aktstrom der Netzspannung, z. B. 50 Hertz oder 60 Hertz, nicht gedämpft werden. Fehlströme mit der Netzfrequenz, z. B. 50 Hertz oder 60 Hertz, muss der entsprechende Fehlerstrom- Schutzschalter zuverlässig erkennen können. Dieser
Frequenzbereich darf deshalb nicht Teil des kritischen
Frequenzbereichs sein, in dem das Kompensationsfilter
Störungen dämpft. Es ist deshalb vorteilhaft, dass der kritische Frequenzbereich oberhalb von 50 Hertz bzw. oberhalb von 60 Hertz beginnt. Die untere Grenze des kritischen
Frequenzbereichs wird dabei durch die Werte der Kapazität Co, des ersten resistiven Elements Ro und des zweiten resistiven Elements RB bestimmt. Entsprechend sind Co, Ro und RB SO gewählt, dass die untere Grenze bei einer Frequenz von 50 Hertz oder höher, vorzugsweise 100 Hertz oder 150 Hertz, erhalten wird.
Dabei gilt folgendes zu beachten: Das Kompensationsfilter re agiert auf Gleichtaktstörungen . Dabei kann die Zahl der elektrischen Leiter in der Stromleitung größer als 1 sein und z. B. 3 umfassen. Es ist also möglich, elektrische Verbrau cher, die mit einer Phase, die mit zwei Phasen oder die mit drei Phasen arbeiten, zu verwenden. Am ersten Port kann das Kompensationsfilter mit der Energiequelle gekoppelt sein. Der erste Port sieht quasi die Netzimpedanz. Der zweite Port kann mit dem elektrischen Verbraucher gekoppelt sein und sieht dessen Impedanz oder die Impedanz eines zwischengeschalteten Umrichtersystems. Das Umrichtersystem kann beispielsweise eine von mehreren Quellen der Gleichtaktstörungen sein. Ent- spricht das Störsignal einem Ableitstrom IN, SO wird vorzugs weise ein Kompensationsstrom Io gegenphasig erzeugt und an die Stromleitung abgegeben, dass der resultierende Strom I dem erwarteten Strom, z. B. des Fehlerstrom-Schutzschalters, entspricht .
Das kapazitive Element mit der Kapazität Co stellt dabei die Netzanbindung dar, die das Netz mit der Elektronik des Kom pensationsfilters verbindet. Der Kern der Elektronik wird durch den Operationsverstärker gebildet. Der Operationsver stärker ist Teil eines Spannungsfolgers. Wenn der Ableitstrom IN durch eine Primärseite des Stromwandlers fließt, wird die ser Strom auf die Sekundärseite des Stromwandlers mit einer Phasenverschiebung von 180° übertragen. Dabei fließt der Strom durch das zweite resistive Element, der beispielsweise einen Burden-Widerstand darstellen kann und erzeugt so die Eingangsspannung des Operationsverstärkers. Der Verstärkungs faktor des Operationsverstärkers kann beispielsweise 1 betra gen. Dann wird die Eingangsspannung 1:1 auf das erste re sistive Element mit dem Widerstand Ro übertragen. Der Kompen sationsstrom Io wird somit durch den Spannungsabfall am ers ten resistiven Element erzeugt: Io=Uo:Ro.
Die Werte der elektrischen Komponenten sind entsprechend so gewählt, dass ein Frequenzgang erhalten wird, sodass die Dämpfung schon bei Frequenzen unter einem Kilohertz hinrei chend hoch ist, um ein Auslösen eines Fehlerstrom- Schutzschalters zu verhindern. Gleichzeitig wird bezüglich der Selektivität der Frequenzgang bei Frequenzen im Bereich von 50 Hertz bzw. 60 Hertz so beibehalten, dass eine Dämpfung nicht erfolgt. Es ist möglich, dass bei Frequenzen in der Nähe der Netzfre quenz sogar ein Überschwingen durch das Kompensationsfilter erhalten wird. D. h. ein entsprechendes Signal wird nicht nur nicht gedämpft, sondern sogar verstärkt. Ein solches Über schwingen ist allerdings unproblematisch und stellt insbeson dere kein sicherheitstechnisches Problem dar. Die Personensi cherheit des Benutzers ist gegeben.
Es ist entsprechend möglich, dass der kritische Frequenzbe reich oberhalb einer Netzfrequenz beginnt.
Die Netzfrequenz kann dabei 50 Hertz oder 60 Hertz betragen. Es ist entsprechend möglich, dass die Gleichtaktstörung einen Ableitstrom beinhaltet oder aus einem Ableitstrom besteht.
Es ist ferner möglich, dass die Kapazität Co so groß ist, dass Ableitströme auch unterhalb von einem Kilohertz kompen siert werden.
Wenn ein Ableitstrom kompensiert wird und somit durch einen oder mehrere Koppelkondensatoren fließt, entsteht ein Span nungsabfall an den Kondensatoren. Damit der Kompensations strom Io stets korrekt bleibt, wäre es vorteilhaft, dass der Operationsverstärker bei der Regelung der Ausgangsspannung auch diesen Spannungsabfall mit berücksichtigt. Je höher der Betrag dieses Spannungsabfalls am Koppelkondensator ist, desto höher wird der Betrag der zum Koppelstrom gehörigen Koppelspannung Vo . Das bedeutet, dass der Operationsverstär ker übersteuert werden kann, wenn der Spannungsabfall am Kop pelkondensator zu hoch wird. Dies legt es nahe, die Impedanz des Koppelkondensators so klein wie möglich zu wählen. Im Gegensatz zur intuitiven Wahl eines kleinen Kapazitäts werts Co hat das Kompensationsfilter allerdings vorzugsweise eine große Koppelkapazität Co. Dadurch kann die untere Fre quenzgrenze des kritischen Bereichs zu niedrigeren Frequenzen hin verschoben werden.
Es ist möglich, dass das Kompensationsfilter einen Versor gungsanschluss umfasst, der von der Stromleitung getrennt ist .
Das Kompensationsfilter verwendet elektronische Komponenten zur Erzeugung des Kompensationsstroms. Die elektronischen Komponenten, z. B. der Operationsverstärker, sind dabei elektrische Komponenten, welche selbst elektrische Verbrau cher sind. Das Kompensationsfilter hat die Stromleitung, die mit einer Energiequelle verschaltbar ist. Es läge deshalb nahe, die Energieversorgung der Elektronik des Kompensations filters durch eine Verschaltung mit der Stromleitung herzu stellen .
Im Gegensatz zu dieser intuitiven Weise, die Elektronik des Kompensationsfilters mit Energie zu versorgen, wird aller dings vorgeschlagen, dass das Kompensationsfilter einen Ver sorgungsanschluss, insbesondere zur Versorgung der elektroni schen Komponenten, aufweist, der von der Stromleitung ge trennt ist.
Es wurde erkannt, dass ein Kompensationsfilter, bei die
Elektronik direkt durch Energie der Stromleitung gespeist wird, ein Auslösen eines Fehlerstrom-Schutzschalters nicht stets zuverlässig gewährleistet. Werden Schaltungskomponenten des Kompensationsfilters allerdings von einer externen
Energieversorgung mit elektrischer Energie versorgt, so kann ein Auslösen eines Fehlerstrom-Schutzschalters zuverlässig verhindert werden.
Dazu wird vorzugsweise das Kompensationsfilter mit elektri scher Energie versorgt, bevor das Kompensationsfilter zwi schen eine Energiequelle und den elektrischen Verbraucher ge schaltet wird. Dadurch wird die Elektronik des Kompensations filters früher in Betrieb genommen und Einschwingvorgänge der elektronischen Komponenten können beendet werden, bevor das Kompensationsfilter seine Arbeit aufnehmen muss.
Der Aspekt der Vorzeitigkeit der Energieversorgung der elekt ronischen Komponenten ist insbesondere wichtig für die Kom pensation von Ableitströmen mit geringer Frequenz, z. B. un ter einem Kilohertz. Dadurch ist sichergestellt, dass die Elektronik die Ableitströme schnell genug dämpft, bevor der Fehlerstrom-Schutzschalter diese Ströme detektieren kann.
Dabei ist beispielsweise ein Schaltnetzteil, dass den Opera tionsverstärker mit elektrischer Energie versorgt, ein kriti scher Punkt, da das Einschwingen der Ausgangsspannung z. B. länger als 100 Millisekunden dauern kann.
Es ist möglich, die Elektronik des Kompensationsfilters mit einer Betriebsspannung von 400 Volt AC zu versorgen.
Durch die externe Energieversorgung kann sichergestellt wer den, dass die Ausgangsspannung des Schaltnetzteils für die Elektronik erreicht wird, bevor die Ableitströme fließen. Das Schaltnetzteil für die Elektronik kann beispielsweise die Energie die externe Spannung von 400 Volt auf eine Betriebs spannung der Elektronik von etwa 60 Volt reduzieren. Der DC Arbeitspunkt eines Operationsverstärkers kann z. B. 30 Volt betragen .
Die Elektronik des Kompensationsfilters ist in einem Fließ gleichgewicht (Steady State), bevor Ableitströme fließen.
Es ist möglich, dass der Stromwandler magnetisch gekoppelte induktive Elemente umfasst. Ein erstes induktives Element kann dabei in einem Leiter der Stromleitung verschaltet sein oder mit einem Teil eines Leiters der Stromleitung gekoppelt sein. Ein zweiter Teil des Stromwandlers kann dabei mit dem ersten Teil des Stromwandlers verschaltet sein und selbst wiederum mit der Elektronik des Kompensationsfilters ver schaltet oder gekoppelt sein.
Es ist möglich, dass der Stromwandler zumindest ein indukti ves Element pro Leiter der Stromleitung auf der Primärseite umfasst .
Es ist möglich, dass die Stromleitung Leiter für eine, zwei oder drei Phasen in der Stromleitung umfasst.
Es ist möglich, dass die Stromleitung Leiter für drei Phasen umfasst, die Leiter über einen Sternpunkt mit dem Operations verstärker gekoppelt sind und der Sternpunkt mit dem jeweili gen Leiter für jede Phase über eine Parallelverschaltung aus einem kapazitiven Element und einem resistiven Element gekop pelt ist.
Ein Verfahren zur Inbetriebnahme eines Kompensationsfilters mit eigenem Versorgungsanschluss kann derart ausgestaltet sein, dass der Versorgungsanschluss mit einer Energiequelle verschaltet wird, bevor das Kompensationsfilter zwischen ei nen Verbraucher und eine Energiequelle verschaltet wird.
Die Energiequelle, die das Kompensationsfilter mit dem Ver braucher verbindet, kann dabei identisch mit der Energie quelle für den Versorgungsanschluss sein. Es ist allerdings auch möglich, dass der Versorgungsanschluss des Kompensati onsfilters und der Verbraucher unterschiedliche Energiequel len nutzen.
Wesentliche Aspekte und Details konkreter Ausführungsformen werden anhand der schematischen Figuren näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1: ein Ersatzschaltbild, das die Funktionsweise des Kom pensationsfilters erläutert.
Fig. 2: einen bevorzugten Frequenzgang des Kompensationsfil ters .
Fig. 3: die Ankopplung an eine Dreiphasenleitung.
Fig. 4: ein Ersatzschaltbild zur Bestimmung einer geeigneten Größe der Koppelkapazität.
Fig. 5: eine Ausführungsform des Kompensationsfilters mit ei nem externen Versorgungsanschluss.
Fig. 6: die Wirkung einer verzögerten Verschaltung zwischen einer Energiequelle und einem Verbraucher. Figur 1 zeigt ein Ersatzschaltbild einer möglichen Schal tungstopologie des Kompensationsfilters KF. Das Kompensati onsfilter KF hat einen ersten Port PI und einen zweiten Port P2. Eine Stromleitung SL ist zwischen dem ersten Port PI und dem zweiten Port P2 verschaltet. Ferner hat das Kompensati onsfilter einen Operationsverstärker OPV. Der Operationsver stärker hat einen Eingang E und einen Ausgang A. Zwischen der Stromleitung SL und dem Ausgang A des Operationsverstärkers ist die Koppelkapazität, d. h. das kapazitive Element mit der Kapazität Co verschaltet. Zwischen der Koppelkapazität und dem Ausgang A des Operationsverstärkers OPV ist das erste re- sistive Elemente Ro verschaltet. Parallel zur Koppelkapazität Co ist ein Stromwandler SW verschaltet. Der Stromwandler SW hat ein erstes induktives Element SW1 und ein zweites induk tives Element SW2. Das erste induktive Element SW1 ist an der Primärseite des Stromwandlers SW angeordnet und in der Strom leitung SL verschaltet oder zumindest mit der Stromleitung SL gekoppelt. Das zweite induktive Element SW2 des Stromwandlers SW ist auf der Sekundärseite des Stromwandlers SW angeordnet und mit dem Eingang E des Operationsverstärkers gekoppelt.
Das zweite induktive Element SW2 des Stromwandlers SW ist pa rallel zum zweiten resistiven Element RB verschaltet. Das zweite resistive Element RE ist in Serie zwischen der Koppel kapazität Co und dem Eingang E des Operationsverstärkers OPV verschaltet .
IN stellt die komplette Störung, z. B. den kompletten Ableit strom, dar. Io ist der Kompensationsstrom, der durch den Ope rationsverstärker OPV und die zusätzlichen Schaltungselemente Co, RE und Ro bestimmt ist. Der Kompensationsstrom Io ist vor zugsweise vom Vorzeichen, von der Frequenz und von der
Amplitude her so gewählt, dass ein vom Verstärker
bereitgestellter Strompfad erzeugt wird, sodass vorzugsweise kein oder höchstens ein geringer Restableitstrom IR am ersten Port Pi erkennbar ist. Über den ersten Port PI ist das
Kompensationsfilter mit einer externen Energiequelle bzw. einem Fehlerstrom-Schutzschalter zwischen der Energiequelle und dem Kompensationsfilter verschaltbar. Über den zweiten Port P2 ist das Kompensationsfilter mit einem elektrischen Verbraucher verschaltbar.
Figur 2 zeigt einen bevorzugten Frequenzgang FG des Kompensa tionsfilters. Der kritische Frequenzbereich ist beispiels weise so definiert, dass Dämpfungswerte von 10 dB, die untere und die obere Grenze des Frequenzbereichs festlegen.
Entsprechend zeigt Figur 2 einen kritischen Frequenzbereich von 150 Hertz bis 30 Kilohertz. Der Überschwinger bei Fre quenzen knapp unter 100 Hertz stellt effektiv eine Signalver stärkung dar. Dies ist jedoch unproblematisch und stellt we der ein funktions- noch ein sicherheitstechnisches Problem dar .
Figur 3 illustriert, wie eine Ankopplung an eine Stromleitung mit drei Phasen möglich ist. Der Symmetriepunkt der drei Pha sen wird im Sternpunkt SP erhalten. Der Sternpunkt SP ist durch jeweils eine Parallelschaltung eines kapazitiven Ele ments CE und eines resistiven Elements RB mit dem jeweiligen Leiter LI, L2, L3 der Stromleitung SL verbunden. Der Stern punkt SP ist ausgangsseitig über eine Parallelverschaltung, umfassend die Koppelinduktivität C0 und das zweite resistive Element RB mit dem Rest der Kompensationsschaltung (hier nicht gezeigt) verschaltet.
Die zu kompensierende Störung ist dabei eine Gleichtaktstö- rung. D. h. eine Störung, die additiv auf alle Leiter LI, L2, L3 der Stromleitung SL bezüglich Amplitude, Frequenz und Phase wirkt. Es genügt deshalb, die Elektronik des Kompensa tionsfilters auf den Sternpunkt SP der Stromleitung SL wirken zu lassen.
Figur 4 zeigt ein Ersatzschaltbild, das hilft, den Wert der Koppelkapazität Co vorteilhaft zu bestimmen. Die Netzanbin dung wird durch den einen oder mehrere Koppelkondensatoren realisiert. Wenn ein Ableitstrom kompensiert wird und somit durch den Koppelkondensator oder mehrere Koppelkondensatoren fließt, entsteht ein Spannungsabfall an den Kondensatoren. Damit der Kompensationsstrom Io stets korrekt bleibt, muss der Operationsverstärker bei der Regelung der Ausgangsspan nung auch den zugehörigen Spannungsabfall am Koppelkondensa tor berücksichtigen. Um auch Ableitströme einer Frequenz un terhalb von einem Kilohertz kompensieren zu können, sind Kop pelkondensatoren mit größerer Kapazität als üblicherweise be kannt notwendig, um eine niedrigere Impedanz und somit einen kleineren Spannungsabfall zu erhalten.
Figur 5 illustriert die Möglichkeit, die elektronischen
Schaltungskomponenten ELC, z. B. den Operationsverstärker OPV, über einen externen Versorgungsanschluss VA mit elektri scher Energie zu versorgen. Es wird dabei gerade nicht elekt rische Energie der Stromleitung entnommen. Dadurch ist es möglich, die elektronischen Schaltungskomponenten ELC mit elektrischer Energie zu versorgen und Einschwingprozesse ab zuwarten, bevor das Kompensationsfilter KF seine Arbeit beginnt, d. h. bevor das Kompensationsfilter einen
elektrischen Verbraucher mit einer externen Energiequelle verschaltet . Der zugehörige zeitliche Ablauf ist in Figur 6 gezeigt. Die obere Kurve VSUP stellt den zeitlichen Verlauf der Versor gungsspannung der elektrischen Schaltungskomponenten ELC des Kompensationsfilters KF dar. Die unter Kurve VOPV zeigt das Ausgangssignal des Operationsverstärkers. Zum Zeitpunkt To werden die elektronischen Schaltungskomponenten mit Energie versorgt. Dabei dauert es eine gewisse Zeit DT, bis die Ver sorgungsspannung den korrekten Wert erreicht hat. Der Opera tionsverstärker nimmt seine Art auf, sobald ihm eine Versor gungsspannung zur Verfügung gestellt wird. Allerdings er reicht er seine größte Wirksamkeit erst zu dem Zeitpunkt To plus DT, zu dem die Versorgungsspannung VSUP ihren vorgesehe nen Wert erreicht hat.
Würde das Kompensationsfilter benötigt, bevor der Operations filter in gewünschter Weise arbeitet, werden gegebenenfalls Ableitströme oder andere Störsignale nicht vollständig kom pensiert und ein unbeabsichtigtes Betätigen eines
Fehlerstrom-Schutzschalters kann die Folge sein.
Dadurch, dass das Kompensationsfilter seine eigene Spannungs versorgung am Versorgungsanschluss VA erhält, bevorzugter Weise bevor ein Funktionieren des Filters verlangt wird, kön nen Einschwingprozesse stattfinden. Sobald das Kompensations filter wie gewünscht arbeitet, kann es mit dem ersten und mit dem zweiten Port zwischen eine Energiequelle und einen Ver braucher verschaltet werden.
Die zeitliche Verzögerung DT kann dabei in der Größenordnung von 100 Millisekunden liegen.
Das Kompensationsfilter und das Verfahren zur Inbetriebnahme eines Kompensationsfilters sind dabei nicht auf die gezeigten und beschriebenen technischen Details beschränkt. Das Kompen sationsfilter kann weitere Schaltungskomponenten wie z. B. weitere Koppelkondensatoren und weitere elektronische Schal tungskomponenten umfassen. Das Verfahren kann zusätzliche Schritte, z. B. bezüglich der Verschaltung an die externe
Energiequelle bzw. die Verschaltung an den Verbraucher umfas sen .
Bezugszeichenliste
A Ausgang des Operationsverstärkers
Co kapazitives Element; Koppelkapazität
CE kapazitives Element
E Eingang des Operationsverstärkers
ELC elektronische Schaltungskomponente
FG Frequenzgang
KF Kompensationsfilter
OPV Operationsverstärker
PI erster Port
P2 zweiter Port
Ro erstes resistives Element
RB zweites resistives Element
RE resistives Element
SL Stromleitung
SW Spannungswandler
SW1 erstes induktives Element des Spannungswandlers
SW2 zweites induktives Element des Spannungswandlers
VA Versorgungsanschluss
VDC Versorgungsspannung für Operationsverstärker
VOPV Ausgangsspannung des Operationsverstärkers
VSUP Versorgungsspannung des Kompensationsfilters

Claims

Patentansprüche
1. Kompensationsfilter, umfassend
- einen ersten Port, einen zweiten Port und eine Stromleitung zwischen dem ersten Port und dem zweiten Port,
- einen Operationsverstärker mit einem Eingang und einem Ausgang,
- ein kapazitives Element, das zwischen dem ersten Port und dem Ausgang des Operationsverstärkers gekoppelt ist und die Kapazität Co hat,
- ein erstes resistives Element, das zwischen dem kapazitiven Element und dem Ausgang des Operationsverstärkers gekoppelt ist und den Widerstand Ro hat,
- ein Stromwandler, der parallel zum kapazitiven Element gekoppelt ist und der die Stromleitung mit dem Eingang des Operationsverstärkers koppelt,
- ein zweites resistives Element, das zwischen dem
kapazitiven Element und dem Eingang des Operationsverstärkers gekoppelt ist und den Widerstand RB hat,
wobei
- das Kompensationsfilter eine Gleichtaktstörung in einem kritischen Frequenzbereich dämpft.
2. Kompensationsfilter nach dem vorherigen Anspruch, das zu einer Gleichtaktstörung in der Stromleitung ein
Kompensationssignal gleicher Frequenz, gleicher Amplitude und umgekehrtem Vorzeichen auf die Stromleitung überträgt.
3. Kompensationsfilter nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der kritische Frequenzbereich oberhalb einer
Netzfrequenz beginnt.
4. Kompensationsfilter nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Gleichtaktstörung einen Ableitstrom beinhaltet.
5. Kompensationsfilter nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei Co so groß ist, dass Ableitströme auch unterhalb von 1 kHz kompensiert werden.
6. Kompensationsfilter nach einem der vorherigen Ansprüche, ferner umfassend einen Versorgungsanschluss, der von der Stromleitung getrennt ist.
7. Kompensationsfilter nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Stromwandler magnetisch gekoppelte induktive
Elemente umfasst.
8. Kompensationsfilter nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Stromleitung Leiter für eine, zwei oder drei Phasen umfasst .
9. Kompensationsfilter nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei
- die Stromleitung Leiter für drei Phasen umfasst,
- die Leiter über einen Sternpunkt mit dem
Operationsverstärker gekoppelt sind,
- der Sternpunkt mit dem jeweiligen Leiter für jede Phase über eine Parallelverschaltung aus einem kapazitiven Element und einem resistiven Element gekoppelt ist.
10. Verfahren zur Inbetriebnahme eines Kompensationsfilters mit eigenem Versorgungsanschluss, wobei der
Versorgungsanschluss mit einer Energiequelle verschaltet wird, bevor das Kompensationsfilter zwischen einen
Verbraucher und eine Energiequelle verschaltet wird.
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