WO2024132629A1 - Aktives emv-filter - Google Patents

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WO2024132629A1
WO2024132629A1 PCT/EP2023/085081 EP2023085081W WO2024132629A1 WO 2024132629 A1 WO2024132629 A1 WO 2024132629A1 EP 2023085081 W EP2023085081 W EP 2023085081W WO 2024132629 A1 WO2024132629 A1 WO 2024132629A1
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WO
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voltage
source
measuring device
emc
circuit arrangement
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Application number
PCT/EP2023/085081
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English (en)
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Inventor
Stefan Hänsel
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/16—Modifications for eliminating interference voltages or currents
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/12—Arrangements for reducing harmonics from ac input or output
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0003—Details of control, feedback or regulation circuits
    • H02M1/0016—Control circuits providing compensation of output voltage deviations using feedforward of disturbance parameters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/44—Circuits or arrangements for compensating for electromagnetic interference in converters or inverters

Definitions

  • the present invention relates to a circuit arrangement in a feedforward structure for active EMC filtering of interference signals which are coupled from an EMC source into a load which is connected to the EMC source via a transmission line and comprises a voltage measuring device, a current impression unit and a control unit.
  • EMC Electromagnetic compatibility
  • Active filters require a large volume of space, are heavy and can cause resonances in connection with a mains impedance. Active filters do not have these disadvantages, provided they are suitably controlled.
  • active EMI filters were controlled by analog control loops. In order to be able to implement infinite gains and delay compensation, digital control loops are preferred.
  • EMC filters A variety of structures for EMC filters are known, whereby these can be divided into filters with a so-called feedforward structure (FF structure for short) and filters with a so-called feedback structure (FB structure for short).
  • FF structure feedforward structure
  • FB structure feedback structure
  • the general topologies are briefly explained below with reference to Figures 1 to 6.
  • the EMC interference to be filtered is caused by an EMC source 10, e.g. a converter.
  • the EMC source is also known as an "EMI source”.
  • the EMC interference is coupled via a transmission line 15 from the EMC source 10 into a load 20 (so-called "EMI victim").
  • an active EMC filter 30 is arranged between the EMC source 10 and the load 20.
  • Each of the active EMC filters 30 shown in Figures 1 to 6 comprises a sensor 31, an injector 32 and a control loop 33 which, based on sensor signals detected by the sensor 31, controls the injector 32 in such a way that the interference at the load 20 caused by the EMC source 10 is suppressed or eliminated.
  • the sensor 31 records measured values on the load side at a so-called mains connection point of the load 20. This is shown in Fig. 1.
  • the measured values are thus recorded by the sensor 31 at the point where a disturbance is already eliminated by the injector 32 of the EMC filter 30 arranged on the source side.
  • the control loop 33 must therefore have a very fast amplifier circuit with a high gain. Due to the principle, however, the injector 32 can only counteract the disturbance caused by the EMC source 10 with a delay, so that a new disturbance can be caused by the injector 32. This can cause an increasing disturbance to occur at the load 20. Feedback structures therefore require very fast amplifier circuits in order to close the control loop and not cause instabilities.
  • the sensor 31 measures the disturbance at the source, ie at the EMC source 10. This is shown in its general form in Fig. 2. This allows an accurate measurement to be made at the source of the disturbance, the EMC source 10.
  • the feedforward structure uses the disturbance to estimate the signal to be fed back, which is emitted by the injector 32. Since there is no closed control loop, errors can arise due to the modelling and non-linearities.
  • the EMC source 10 is represented by a voltage source 11 and an internal impedance 12.
  • the load 20 is represented in these embodiments by an internal impedance 23.
  • the sensor 31 is designed as a current measuring device CS.
  • the current measuring device CS detects the current I@20 flowing into the load 20, which is fed to the control circuit 33.
  • the sensor 31 is designed as a voltage measuring device VS.
  • the voltage measuring device VS detects the voltage V@20 dropping across the load 20, which is fed to the control circuit 33.
  • the control circuit 33 generates a manipulated variable from the measured current I @20 or from the voltage V@20 dropping across the load 20, which is fed to the injector 32 to generate a (compensation) current I an ti or a (compensation) voltage V anti .
  • the injector 32 has a voltage impression unit VI which applies the voltage V anti to the terminals of the EMC source 10.
  • the injector 32 is designed as a current impression unit CI which impresses the current I anti into the transmission line 15.
  • transformer 32T As shown schematically in Fig. 7.
  • a primary coil of the transformer 32T is located in the transmission line 15 between the EMC source 10 and the load 20.
  • a decoupling capacitor Cdec is connected to the terminals of the EMC source 10 between the EMC source 10 and the primary coil of the transformer 32T.
  • the voltage V anti generated by the injector 32 is impressed into a secondary coil of the transformer 32T via an impedance Z anti .
  • a disadvantage of this structure is that the voltage V anti changes with changing frequencies. Suitable transformers are difficult to produce, particularly at high frequencies and high currents.
  • a circuit arrangement in a feedforward structure for active EMC filtering of interference signals that are coupled into a load from an EMC source is proposed, the load being connected to the EMC source via a transmission line.
  • the circuit arrangement arranged between the EMC source and the load comprises a voltage measuring device, a current impression unit and a control unit.
  • the current impression unit comprises a coupling capacitor connected to the transmission line and a controllable voltage source.
  • the voltage measuring device is designed to determine the capacitor voltage dropping across the coupling capacitor and to supply it to the control unit as a reference variable.
  • the control unit is designed to determine a control variable for the controllable voltage source from the reference variable in a control loop and to supply it to this to generate a compensation voltage. ren, whereby the manipulated variable is determined such that the compensation voltage is equal to and opposite to the capacitor voltage.
  • the present circuit arrangement enables voltage measurement with a current injection in feedforward topology. Since the capacitor voltage dropping across the coupling capacitor is measured rather than the EMC voltage remaining at the load, the control loop can be simplified so that the requirements for feedforward control with a slow operational amplifier can be met with a controller structure.
  • the coupling capacitor and the controllable voltage source are expediently connected in series.
  • the series circuit comprising the coupling capacitor and the controllable voltage source is connected between the coupling point of the transmission line and a reference potential.
  • the voltage measuring device is designed as a first voltage measuring device to measure the capacitor voltage dropping across the coupling capacitor. According to this embodiment, only the first voltage measuring device is required to implement the filtering of interference signals.
  • the control unit is designed to control the control variable in a a control loop compared to the reference variable over a given frequency range with a gain of exactly 1. This can be done, for example, by a very slow gain adjustment of a higher-level control loop. The time requirements for this control loop are moderate and can be implemented with inexpensive hardware.
  • a second voltage measuring device is provided which records the total voltage across the series connection of the coupling capacitor and the controllable voltage source and makes it available to the control unit in the higher-level control loop as a reference variable.
  • the higher-level control loop represents a feedback loop.
  • the voltage measuring device is designed to calculate the capacitor voltage occurring across the coupling capacitor from a first measurement voltage and a second measurement voltage.
  • the first measurement voltage can be provided by the second voltage measuring device, which detects the total voltage across the series connection of the coupling capacitor and the controllable voltage source.
  • the second measurement voltage can be provided by a third voltage measuring device, which detects the voltage across the controllable voltage source. The first and second measurement voltages can then be subtracted from one another by means of an adder.
  • the design of the EMC filter has the advantage over other control methods that no knowledge of the environment of the EMC filter is required.
  • the result is a plug-and-play solution that can be connected to any EMC source, such as a converter, and EMC interference is compensated without any special parameterization.
  • Fig. 1 is a schematic representation of an active EMC filter in feedback structure
  • Fig. 2 is a schematic representation of an active EMC filter in feedforward structure
  • Fig. 3 is a schematic representation of an active EMC filter with current measurement and voltage impression in feedback structure (FB CSVI AEF);
  • Fig. 4 is a schematic representation of an active EMC filter with current measurement and current injection in feedback structure (FB CSCI AEF);
  • Fig. 5 is a schematic representation of an active EMC filter with voltage measurement and current injection in feedback structure (FB VSCI AEF);
  • Fig. 6 is a schematic representation of an active EMC filter with voltage measurement and voltage impression in feedback structure (FB VSVI AEF);
  • Fig. 7 is a schematic representation showing a known technical realization of a voltage impression
  • Fig. 8 shows a first embodiment of an active EMC filter according to the invention
  • Fig. 9 shows a second embodiment of an active EMC filter according to the invention with a higher-level control loop
  • Fig. 10 shows a third embodiment of an active EMC filter according to the invention with indirect determination of a capacitor voltage drop across a coupling capacitor.
  • the variants of an active EMC filter shown in Figures 8 to 10 for filtering interference signals that are coupled into a load 20 from an EMC source, such as a converter with clocked power semiconductor switches, are based on a voltage measurement with current injection in a feedforward structure.
  • the feedforward structure estimates the signal to be fed back based on the interference measured as voltage.
  • the proposed EMC filter implements a closed control loop in order to eliminate the errors from modeling and non-linearities that have previously resulted in feedforward structures.
  • the closed control loop which is inherent in a feedback structure, does not require, in contrast to conventional structures, any fast amplifier circuits to close the control loop.
  • FIGS 8 to 10 each show on the right-hand side a schematic EMC source 10, which is represented by a voltage source 11 and an internal impedance in the form of an inductance 12.
  • the EMC source 10 is coupled to a load 20 via a transmission line 15.
  • the load 20 is represented by a voltage source 21 and a network simulation 22, which is implemented as a Line Impedance Stabilization Network, LISN.
  • a current impression unit CI is connected to a coupling point A on the load side of the transmission line 15.
  • the current impression unit CI comprises a coupling capacitor 36 connected to the transmission line 15 and a controllable voltage source 37 connected in series therewith and coupled to a reference potential.
  • a voltage is coupled into the network (transmission line 15) via the coupling capacitor 36, which voltage is composed of the capacitor voltage v af and a voltage generated by the voltage source 37.
  • the voltage generated by the voltage source 37 is referred to below as the compensation voltage v afA .
  • the level of the compensation voltage v afA is determined as follows.
  • a voltage measuring device VS which is represented in Fig. 8 by a first voltage measuring device 38, detects the capacitor voltage v af falling across the coupling capacitor 36. This is fed to a control unit 35 of a control loop as a reference variable.
  • the control unit 35 is designed to determine a control variable u for the controllable voltage source 37 in the control loop from the reference variable v af . From this, the controllable voltage source 37 generates the compensation voltage v afA , which is dimensioned such that the compensation voltage v afA is equal to and opposite to the capacitor voltage v af .
  • controllable voltage source 37 only needs to eliminate the interference component of the interference signal emanating from the EMC source 10.
  • the desired compensation of the capacitor voltage v af falling across the coupling capacitor 36 is then carried out, whereby interference current i n causing interference can be eliminated.
  • a second voltage measuring device 39 which records the total voltage across the current impression unit CI, i.e. the series circuit comprising coupling capacitor 36 and controllable voltage source 37.
  • the corresponding voltage signal is fed to the higher-level control loop 35GC of the control unit 35. This ensures that the control loop 35G described in connection with Fig. 8 has a gain of 1.
  • the time requirements for the higher-level control loop 35GC are moderate and can be implemented with inexpensive hardware in a manner familiar to the expert.
  • the structure of the EMC filter 30 described in Figures 8 and 9 has the advantage over the control methods described at the beginning that no knowledge of the filter's environment is required.
  • the EMC filter presented here is a plug-and-play solution that can be connected to any EMC source, e.g. a converter. Parameterization to compensate for EMC interference is not required.
  • Fig. 10 shows a further embodiment variant in which the capacitor voltage v af dropping across the coupling capacitor 36 is not measured directly. Instead, this voltage is calculated from a first voltage measurement and a second voltage measurement.
  • the first measurement voltage is provided by the second voltage measuring device 39, which corresponds to the total voltage across the series connection of the coupling capacitor 36 and the controllable voltage source 37.
  • a third voltage measuring device 40 provides the second measurement voltage, which records the voltage across the controllable voltage source 37.
  • the first and second measurement voltages are fed to an adder 35D of the control unit 35, one of the two measurement voltages being inverted beforehand. The difference voltage is then fed to the control loop 35G.
  • the higher-level control loop 35GC of the control device 35 also directly receives the second measuring voltage determined by the second voltage measuring device 39.

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Abstract

Die Erfindung beschreibt eine Schaltungsanordnung (30) in einer Feedforward-Struktur zur aktiven EMV-Filterung von Störsignalen, die von einer EMV-Quelle (10) in eine Last (20) eingekoppelt werden. Die Schaltungsanordnung (30) umfasst eine Spannungsmessvorrichtung (VS), eine Stromeinprägeeinheit (CI) sowie eine Steuerungseinheit (35). Die Stromeinprägeeinheit (CI) umfasst einen an die Übertragungsleitung (15) angeschlossenen Koppelkondensator (36) und eine steuerbare Spannungsquelle (37). Die Spannungsmessvorrichtung (VS) ist ausgebildet, die über dem Koppelkondensator (36) abfallende Kondensatorspannung (vaf) zu bestimmen und der Steuerungseinheit (35) als Führungsgröße zuzuführen. Ferner ist die Steuerungseinheit (35) ausgebildet, in einer Regelschleife aus der Führungsgröße eine Stellgröße für die steuerbare Spannungsquelle (37) zu bestimmen und dieser zur Erzeugung einer Kompensationsspannung (vafA) zuzuführen, wobei die Stellgröße derart bestimmt ist, dass die Kompensationsspannung (vafA) der Kondensatorspannung (vaf) betragsgleich und entgegengesetzt ist.

Description

Beschreibung
Aktives EMV-Filter
Die vorliegende Erfindung betri f ft eine Schaltungsanordnung in einer Feedforward-Struktur zur aktiven EMV-Filterung von Störsignalen, die von einer EMV-Quelle in eine Last eingekoppelt werden, die über eine Übertragungsleitung mit der EMV- Quelle verbunden ist und eine Spannungsmessvorrichtung, eine Stromeinprägeeinheit sowie eine Steuerungseinheit umfasst .
Leistungssysteme , deren Halbleiterschaltelemente pulsweitenmoduliert betrieben werden, verursachen EMV-Störungen . Die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) bezeichnet die Fähigkeit eines technischen Geräts , andere Geräte nicht durch ungewollte elektrische oder elektromagnetische Ef fekte zu stören oder durch andere Geräte gestört zu werden . Zur Erfüllung vorgegebener Standards , z . B . der N 61800-3 für industrielle Anwendungen, müssen in ein Leistungselektroniksystem in der Regel Filter integriert werden . Bei diesen wird zwischen passiven Filter und aktiven Filtern unterschieden .
Passive Filter benötigen ein großes Raumvolumen, sind schwer und können Resonanzen in Verbindung mit einer Netzimpedanz hervorrufen . Aktive Filter weisen diese Nachteile nicht auf , sofern sie geeignet gesteuert sind . In der Vergangenheit erfolgte die Steuerung von aktiven EMV-Filtern (AEF - Active EMI Filter ) durch analoge Regelkreise . Um unendliche Verstärkungen und eine Verzögerungskompensation implementieren zu können, werden digitale Regelkreise bevorzugt .
Es ist eine Viel zahl von Strukturen für EMV-Filter bekannt , wobei diese in Filter mit einer sog . Feedforward-Struktur ( kurz : FF-Struktur ) und in Filter mit einer sog . Feedback ( kurz : FB-Struktur ) unterteilt werden können . Die generellen Topologien werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 6 kurz erläutert . Die zu filternde EMV-Störung wird in allen folgenden Beispielen von einer EMV-Quelle 10, z.B. einem Umrichter, verursacht. Die EMV-Quelle ist auch als „EMI source" bekannt. Die EMV-Störung wird über eine Ubertragungsleitung 15 von der EMV-Quelle 10 in eine Last 20 (sog. „EMI victim") eingekoppelt. Um die EMV-Störung zu unterdrücken oder eliminieren ist zwischen der EMV-Quelle 10 und der Last 20 ein jeweiliges aktives EMV-Filter 30 angeordnet.
Jedes der in den Figuren 1 bis 6 dargestellten aktiven EMV- Filter 30 umfasst einen Sensor 31, einen Injektor 32 sowie eine Regelschleife 33, welche basierend auf von dem Sensor 31 erfassten Sensorsignalen den Injektor 32 derart ansteuert, dass die von der EMV-Quelle 10 verursachten Störungen an der Last 20 unterdrückt oder eliminiert sind.
Generell erfasst bei einer Feedback-Struktur der Sensor 31 Messwerte lastseitig an einem sog. Netzanschlusspunkt der Last 20. Dies ist in Fig. 1 dargestellt. Die Messwerte werden durch den Sensor 31 somit dort erfasst, wo eine Störung durch den quellseitig angeordneten Injektor 32 des EMV-Filters 30 bereits eliminiert wird. Die Regelschleife 33 muss daher eine sehr schnell arbeitende Verstärkerschaltung mit einer großen Verstärkung aufweisen. Prinzipbedingt kann der Injektor 32 jedoch immer nur verzögert der von der EMV-Quelle 10 verursachten Störung entgegenwirken, so dass durch den Injektor 32 eine neue Störung verursacht werden kann. Hierdurch kann an der Last 20 eine sich verstärkende Störung auftreten. Feedback-Strukturen benötigen somit sehr schnelle Verstärkerschaltungen, um die Regelschleife zu schließen und keine Instabilitäten hervorzurufen.
Bei einer Feedforward-Struktur misst der Sensor 31 die Störung an der Quelle, d.h. an der EMV-Quelle 10. Dies ist in seiner allgemeinen Form in Fig. 2 dargestellt. Hierdurch kann eine genaue Messung an der Störquelle, der EMV-Quelle 10, erfolgen. Die Feedforward-Struktur schätzt anhand der Störung das entgegenzukoppelnde Signal, das durch den Injektor 32 ab- zugeben ist , ab . Da es keine geschlossene Regelschlei fe gibt , können sich durch die Modellierung und Nichtlinearitäten Fehler ergeben .
Bislang gibt es im Wesentlichen vier verschiedene Feedback- Strukturen, die in den Figuren 3 bis 6 dargestellt sind, bei denen entweder die Störung in Form von Spannung oder Strom gemessen wird und anschließend als Strom oder Spannung eingeprägt wird . In diesen ist die EMV-Quelle 10 durch eine Spannungsquelle 11 und eine Innenimpedanz 12 repräsentiert . Die Last 20 ist in diesen Aus führungsbeispielen durch eine Innenimpedanz 23 repräsentiert .
In den Feedback-Strukturen der Figuren 3 und 4 ist der Sensor 31 als Strommessvorrichtung CS ausgebildet . Die Strommessvorrichtung CS erfasst den in die Last 20 fließenden Strom I @20 , der dem Regelkreis 33 zugeführt wird . In den Feedback- Strukturen der Figuren 5 und 6 ist der Sensor 31 als Spannungsmessvorrichtung VS ausgebildet . Die Spannungsmessvorrichtung VS erfasst die über der Last 20 abfallende Spannung V@20 , die dem Regelkreis 33 zugeführt wird .
Der Regelkreis 33 erzeugt aus dem gemessenen Strom I @20 bzw . aus der über der Last 20 abfallenden Spannung V@20 eine Stellgröße , die dem Inj ektor 32 zur Erzeugung eines (Kompen- sations- ) Stroms Ianti oder einer (Kompensations- ) Spannung Vanti zugeführt wird . In den Feedback-Strukturen der Figuren 3 und 6 weist der Inj ektor 32 eine Spannungseinprägeeinheit VI auf , die die Spannung Vanti an den Klemmen der EMV-Quelle 10 anlegt . In den Feedback-Strukturen der Figuren 4 und 5 ist der Inj ektor 32 als Stromeinprägeeinheit CI ausgebildet , der in die Übertragungsleitung 15 den Strom Ianti einprägt .
Aus technischer Sicht ist es einfacher, lastseitig eine Spannung zu messen und quellseitig eine Spannung einzuprägen, wie dies in Fig . 6 dargestellt ist . Ein hierbei bestehendes Problem ist das Einkoppelnetzwerk für die einzukoppelnde Spannung Vanti . Bislang wird dies in der Regel mit Hil fe eines Trans- formators 32T realisiert , wie dies schematisch in Fig . 7 dargestellt ist . Hierzu liegt eine Primärspule des Trans formators 32T in der Übertragungsleitung 15 zwischen der EMV- Quelle 10 und der Last 20 . Zusätzlich ist zwischen der EMV- Quelle 10 und der Primärspule des Trans formators 32T ein Entkopplungskondensator Cdec an die Klemmen der EMV-Quelle 10 angeschlossen . Die Spannung Vanti , die von dem Inj ektor 32 erzeugt wird, wird über eine Impedanz Zanti in eine Sekundärspule des Trans formators 32T eingeprägt . Ein Nachteil dieser Struktur besteht darin, dass sich die Spannung Vanti mit wechselnden Frequenzen ändert . Besonders bei hohen Frequenzen und großen Strömen sind geeignete Trans formatoren nur schwer zu produzieren .
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Schaltungsanordnung anzugeben, welche eine einfachere Reduktion von EMV-Störungen, die von einer EMV-Quelle ausgehen, ermöglicht .
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Schaltungsanordnung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 . Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen .
Es wird eine Schaltungsanordnung in einer Feedforward- Struktur zur aktiven EMV-Filterung von Störsignalen, die von einer EMV-Quelle in eine Last eingekoppelt werden, vorgeschlagen, wobei die Last über eine Übertragungsleitung mit der EMV-Quelle verbunden ist . Die zwischen der EMV-Quelle und der Last angeordnete Schaltungsanordnung umfasst eine Spannungsmessvorrichtung, eine Stromeinprägeeinheit und eine Steuerungseinheit . Die Stromeinprägeeinheit umfasst einen an die Übertragungsleitung angeschlossenen Koppelkondensator und eine steuerbare Spannungsquelle . Die Spannungsmessvorrichtung ist ausgebildet , die über dem Koppelkondensator abfallende Kondensatorspannung zu bestimmen und der Steuerungseinheit als Führungsgröße zuzuführen . Die Steuerungseinheit ist ausgebildet , in einer Regelschlei fe aus der Führungsgröße eine Stellgröße für die steuerbare Spannungsquelle zu bestimmen und dieser zur Erzeugung einer Kompensationsspannung zuzufüh- ren, wobei die Stellgröße derart bestimmt ist , dass die Kompensationsspannung der Kondensatorspannung betragsgleich und entgegengesetzt ist .
Die vorliegende Schaltungsanordnung ermöglicht eine Spannungsmessung mit einer Strominj ektion in Feedforward- Topologie . Dadurch, dass nicht die an der Last verbleibende EMV-Spannung, sondern die über dem Koppelkondensator abfallende Kondensatorspannung gemessen wird, kann die Regelschlei fe vereinfacht ausgeführt werden, so dass die Anforderungen an eine Feedforward-Regelung mit langsamem Operationsverstärker mit einer Reglerstruktur ermöglicht sind .
Dies wird dadurch ermöglicht , dass an dem quellseitigen Koppelpunkt der Stromeinprägeeinheit der Anteil der Störspannung auf 0 V gebracht wird, wodurch kein ( Stör- ) Strom mehr in die Last fließt . Die Stromkompensation erfolgt somit durch den Koppelkondensator . Durch den Verzicht auf eine Trans formatorspule kann ein verbessertes Frequenzverhalten erzielt werden . Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass durch die steuerbare Spannungsquelle lediglich der Störanteil eliminiert zu werden braucht .
Zweckmäßigerweise sind der Koppelkondensator und die steuerbare Spannungsquelle seriell miteinander verschaltet . Die Serienschaltung aus dem Koppelkondensator und der steuerbaren Spannungsquelle ist zwischen dem Koppelpunkt der Übertragungsleitung und einem Bezugspotential verschaltet .
Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung ist die Spannungsmessvorrichtung als erste Spannungsmessvorrichtung ausgebildet , die über dem Koppelkondensator abfallende Kondensatorspannung zu messen . Gemäß dieser Ausgestaltung wird lediglich die erste Spannungsmessvorrichtung benötigt , um die Filterung von Störsignalen zu realisieren .
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die Steuerungseinheit ausgebildet ist , die Stellgröße in ei- ner Regelschlei fe gegenüber der Führungsgröße über einen vorgegebenen Frequenzbereich mit einer Verstärkung von genau 1 zu vergrößern . Dies kann beispielsweise durch eine sehr langsame Verstärkungs-Anpassung ( Gain-Anpassung) einer übergeordneten Regelschlei fe geschehen . Die zeitlichen Anforderungen an diese Regelschlei fe sind moderat und können mit günstiger Hardware realisiert werden . Zu diesem Zweck ist eine zweite Spannungsmessvorrichtung vorgesehen, die die Gesamtspannung über der Serienschaltung von Koppelkondensator und der steuerbaren Spannungsquelle erfasst , und der Steuerungseinheit in der übergeordneten Regelschlei fe als Führungsgröße bereitstellt . Die übergeordnete Regelschlei fe stellt hierbei eine Feedback-Schlei fe dar .
In einer anderen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Spannungsmessvorrichtung ausgebildet ist , die über dem Koppelkondensator anfallende Kondensatorspannung aus einer ersten Messspannung und einer zweiten Messspannung zu berechnen . Die erste Messspannung kann von der zweiten Spannungsmessvorrichtung bereitgestellt werden, welche die Gesamtspannung über der Serienschaltung von Koppelkondensator und der steuerbaren Spannungsquelle erfasst . Die zweite Messspannung kann von einer dritten Spannungsmessvorrichtung bereitgestellt werden, welche die Spannung über der steuerbaren Spannungsquelle erfasst . Die erste und die zweite Messspannung können dann mittels eines Addierers voneinander subtrahiert werden .
Der Aufbau des EMV-Filters besitzt gegenüber anderen Regelverfahren den Vorteil , dass kein Wissen über die Umgebung des EMV-Filters erforderlich ist . Es entsteht eine Plug-and-Play- Lösung, die an j ede beliebige EMV-Quelle , wie z . B . einen Umrichter, angeschlossen werden kann, wobei ohne gesonderte Pa- rametrierung EMV-Störungen kompensiert werden .
Die Erfindung wird nachfolgend näher anhand von Aus führungsbespielen in der Zeichnung erläutert . Es zeigen : Fig . 1 eine schematische Darstellung eines aktiven EMV- Filters in Feedback-Struktur ;
Fig . 2 eine schematische Darstellung eines aktiven EMV- Filters in Feedforward-Struktur ;
Fig . 3 eine schematische Darstellung eines aktiven EMV- Filters mit Strommessung und Spannungseinprägung in Feedback-Struktur ( FB CSVI AEF) ;
Fig . 4 eine schematische Darstellung eines aktiven EMV- Filters mit Strommessung und Stromeinprägung in Feedback-Struktur ( FB CSCI AEF) ;
Fig . 5 eine schematische Darstellung eines aktiven EMV- Filters mit Spannungsmessung und Stromeinprägung in Feedback-Struktur ( FB VSCI AEF) ;
Fig . 6 eine schematische Darstellung eines aktiven EMV- Filters mit Spannungsmessung und Spannungseinprägung in Feedback-Struktur ( FB VSVI AEF) ;
Fig . 7 eine schematische Darstellung, die eine bekannte technische Realisierung einer Spannungseinprägung zeigt ;
Fig . 8 ein erstes Aus führungsbeispiel eines erfindungsgemäßen aktiven EMV-Filters ;
Fig . 9 ein zweites Aus führungsbeispiel eines erfindungsgemäßen aktiven EMV-Filters mit übergeordneter Regelschlei fe ; und
Fig . 10 ein drittes Aus führungsbeispiel eines erfindungsgemäßen aktiven EMV-Filters mit indirekter Bestimmung einer über einem Koppelkondensator abfallenden Kondensatorspannung . Die in den Figuren 8 bis 10 dargestellten Varianten eines aktiven EMV-Filters zur Filterung von Störsignalen, die von einer EMV-Quelle , wie z . B . einem Umrichter mit getaktet betriebenen Leistungshalbleiterschaltern, in eine Last 20 eingekoppelt werden, basiert auf einer Spannungsmessung mit Strominj ektion in Feedforward-Struktur . Die Feedforward-Struktur schätzt anhand der als Spannung gemessenen Störung das entgegenzukoppelnde Signal ab . Gleichzeitig verwirklicht das vorgeschlagene EMV-Filter eine geschlossene Regelschlei fe , um die bislang in Feedforward-Strukturen resultierenden Fehler aus Modellierung und Nichtlinearitäten zu eliminieren . Die geschlossene Regelschlei fe , welche einer Feedback-Struktur zu eigen ist , benötigt im Gegensatz zu herkömmlichen Strukturen j edoch keine schnellen Verstärkerschaltungen, um die Regelschlei fe zu schließen .
Die Figuren 8 bis 10 zeigen j eweils auf der rechten Seite eine schematische EMV-Quelle 10 , die durch eine Spannungsquelle 11 und einer Innenimpedanz in Gestalt einer Induktivität 12 repräsentiert ist . Die EMV-Quelle 10 ist über eine Übertragungsleitung 15 mit einer Last 20 gekoppelt . Die Last 20 wird repräsentiert durch eine Spannungsquelle 21 und eine Netznachbildung 22 , wobei diese als Line Impedance Stabili zation Network, LISN, realisiert ist . An einem lastseitig gelegenen Koppelpunkt A der Ubertragungsleitung 15 ist eine Stromeinprägeeinheit CI angeschlossen .
Die Stromeinprägeeinheit CI umfasst einen an die Ubertragungsleitung 15 angeschlossenen Koppelkondensator 36 und eine dazu seriell verschaltete steuerbare Spannungsquelle 37 , die mit einem Bezugspotential gekoppelt ist . Uber den Koppelkondensator 36 wird eine Spannung in das Netzwerk (Ubertragungsleitung 15 ) eingekoppelt , die sich aus der Kondensatorspannung vaf und einer von der Spannungsquelle 37 erzeugten Spannung zusammensetzt . Die von der Spannungsquelle 37 erzeugte Spannung wird nachfolgend als Kompensationsspannung vafA bezeichnet . Die Höhe der Kompensationsspannung vafA bestimmt sich wie folgt . Eine Spannungsmessvorrichtung VS , die in Fig . 8 durch eine erste Spannungsmessvorrichtung 38 repräsentiert ist , erfasst die über dem Koppelkondensator 36 abfallende Kondensatorspannung vaf . Diese wird einer Steuerungseinheit 35 einer Regelschlei fe als Führungsgröße zugeführt . Die Steuerungseinheit 35 ist ausgebildet , in der Regelschlei fe aus der Führungsgröße vaf eine Stellgröße u für die steuerbare Spannungsquelle 37 zu bestimmen . Daraus erzeugt die steuerbare Spannungsquelle 37 die Kompensationsspannung vafA, die derart bemessen ist , dass die Kompensationsspannung vafA der Kondensatorspannung vaf betragsgleich und entgegengesetzt ist .
Im Ergebnis wird an dem Koppelpunkt A der Übertragungsleitung 15 eine Spannung von 0 V erzeugt , woraus ein von der EMV- Quelle ausgehener Störstrom ic als Kompensationsstrom iaf in die Stromeinprägeeinheit CI fließt . In der Folge wird der vom Koppelpunkt A ausgehende Strom in in die Last 20 zu 0 ( in = 0 ) . Durch die Stromeinprägeeinheit CI und ihren Koppelkondensator 36 erfolgt somit eine Stromkompensation .
Dieser Aufbau ermöglicht ein verbessertes Frequenzverhalten im Vergleich zu der in Fig . 7 gezeigten Trans formatoranordnung . Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die steuerbare Spannungsquelle 37 lediglich den Störanteil des von der EMV- Quelle 10 ausgehenden Störsignals zu eliminieren braucht . Durch die Ansteuerung der ansteuerbaren Spannungsquelle 37 erfolgt dann die gewünschte Kompensation des über dem Koppelkondensator 36 abfallenden Kondensatorspannung vaf , wodurch eine Störung hervorrufender Störstrom in eliminiert werden kann .
Für ein bestimmungsgemäßes Verhalten des EMV-Filters 30 ist zweckmäßig sicherzustellen, dass über die Regelschlei fe , die durch die Steuerungseinheit 35 implementiert wird, in Verbindung mit der Stromeinprägeeinheit CI , dass die Verstärkung der Regelschlei fe über den zu betrachtenden Frequenzbereich genau 1 beträgt . Dies kann durch eine sehr langsame Gain- Anpassung einer übergeordneten Regelschlei fe realisiert werden . Dies ist in Fig . 9 dargestellt .
Bei dieser Aus führung ist eine zweite Spannungsmessvorrichtung 39 vorgesehen, die die Gesamtspannung über der Stromeinprägeeinheit CI , d . h . der Serienschaltung aus Koppelkondensator 36 und steuerbarer Spannungsquelle 37 , erfasst . Das entsprechende Spannungssignal wird der übergeordneten Regelschlei fe 35GC der Steuerungseinheit 35 zugeführt . Diese sorgt dafür, dass die in Verbindung mit Fig . 8 beschriebene Regelschlei fe 35G eine Verstärkung ( Gain) von 1 aufweist . Die zeitlichen Anforderungen an die übergeordnete Regelschlei fe 35GC sind moderat und können mit günstiger Hardware in einer dem Fachmann geläufigen Weise realisiert werden .
Der in den Figuren 8 und 9 beschriebene Aufbau des EMV- Filters 30 besitzt gegenüber den eingangs beschriebenen Regelverfahren den Vorteil , dass kein Wissen über die Umgebung des Filters erforderlich ist . Das hier vorgestellte EMV- Filter stellt eine Plug-and-Play-Lösung dar, die an eine beliebige EMV-Quelle , z . B . einen Umrichter, angeschlossen werden kann . Eine Parametrierung zur Kompensation von EMV- Störungen ist hierbei nicht erforderlich .
Fig . 10 zeigt eine weitere Ausgestaltungsvariante , bei der die über dem Koppelkondensator 36 abfallende Kondensatorspannung vaf nicht direkt gemessen wird . Stattdessen wird diese Spannung aus einer ersten Spannungsmessung und einer zweiten Spannungsmessung berechnet . Die erste Messspannung wird hierbei von der zweiten Spannungsmessvorrichtung 39 bereitgestellt , die der Gesamtspannung über der Serienschaltung von Koppelkondensator 36 und steuerbarer Spannungsquelle 37 entspricht . Eine dritte Spannungsmessvorrichtung 40 stellt die zweite Messspannung bereit , die die Spannung über der steuerbaren Spannungsquelle 37 erfasst . Die erste und die zweite Messspannung werden einem Addierer 35D der Steuerungseinheit 35 zugeführt , wobei eine der beiden Messspannungen zuvor invertiert wird . Die Di f ferenzspannung wird dabei der Regel- schlei fe 35G zugeführt . Die übergeordnete Regelschlei fe 35GC der Steuerungsvorrichtung 35 erhält zudem unmittelbar die von der zweiten Spannungsmessvorrichtung 39 ermittelte zweite Messspannung .
Bezugs zeichenliste
10 EMV-Quelle
11 Spannungsquelle
12 Innenimpedanz
15 Übertragungsleitung
20 Last
21 Spannungsquelle
22 Netznachbildung ( LISN)
30 Schaltungsanordnung zur aktiven EMV-Filterung
31 Sensor
32 Inj ektor
33 Regelschlei fe
35 Steuerungseinheit
35G Regelschlei fe
35GC übergeordnete Regelschlei fe
35D Addierer
36 Koppelkondensator
37 steuerbare Spannungsquelle
38 erste Spannungsmessvorrichtung
39 zweite Spannungsmessvorrichtung
40 dritte Spannungsmessvorrichtung
VS Spannungsmessvorrichtung
CS Strommessvorrichtung
VI Spannungseinprägeinheit
CI Stromeinprägeeinheit ic Strom der EMV-Quelle vc Spannung der EMV-Quelle in Strom der Last iaf Kompensationsstrom vafA Kompensationsspannung
Caf Kapazität des Koppelkondensators vaf Kondensatorspannung

Claims

Patentansprüche
1. Schaltungsanordnung (30) in einer Feedforward-Struktur zur aktiven EMV-Filterung von Störsignalen, die von einer EMV-Quelle (10) in eine Last (20) eingekoppelt werden, die über eine Übertragungsleitung (15) mit der EMV-Quelle (10) verbunden ist, umfassend: eine Spannungsmessvorrichtung (VS) ; eine Stromeinprägeeinheit (CI) ; eine Steuerungseinheit (35) ; wobei die Stromeinprägeeinheit (CI) einen an die Übertragungsleitung (15) angeschlossenen Koppelkondensator (36) und eine steuerbare Spannungsquelle (37) umfasst; die Spannungsmessvorrichtung (VS) ausgebildet ist, die über dem Koppelkondensator (36) abfallende Kondensatorspannung (vaf) zu bestimmen und der Steuerungseinheit (35) als Führungsgröße zuzuführen; die Steuerungseinheit (35) ausgebildet ist, in einer Regelschleife aus der Führungsgröße eine Stellgröße für die steuerbare Spannungsquelle (37) zu bestimmen und dieser zur Erzeugung einer Kompensationsspannung (vafA) zuzuführen, wobei die Stellgröße derart bestimmt ist, dass die Kompensationsspannung (vafA) der Kondensatorspannung (vaf) betragsgleich und entgegengesetzt ist.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Koppelkondensator (36) und die steuerbare Spannungsquelle (37) seriell verschaltet sind.
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsmessvorrichtung (VS) als erste Spannungsmessvorrichtung (38) ausbildet ist, die über dem Koppelkondensator abfallende Kondensatorspannung zu messen.
4. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinheit (35) ausgebildet ist, die Stellgröße in einer Regelschleife (35G) gegenüber der Führungsgröße über einen vorgegebenen Frequenzbereich mit einer Verstärkung von genau eins zu vergrößern.
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Spannungsmessvorrichtung (39) vorgesehen ist, die die Gesamtspannung über der Serienschaltung von Koppelkondensator (36) und der steuerbaren Spannungsquelle (37) erfasst, und der Steuerungseinheit (35) in einer übergeordneten Regelschleife (35GC) als Führungsgröße bereitstellt .
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die übergeordnete Regelschleife eine Feedbackschleife ist.
7. Schaltungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannungsmessvorrichtung (VS) ausbildet ist, die über dem Koppelkondensator abfallende Kondensatorspannung aus einer ersten Messspannung und einer zweiten Messspannung zu berechnen.
8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Messspannung von der zweiten Spannungsmessvorrichtung (39) bereitgestellt wird, welche die Gesamtspannung über der Serienschaltung von Koppelkondensator (36) und der steuerbaren Spannungsquelle (37) erfasst.
9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Messspannung von einer dritten Spannungsmessvorrichtung (40) bereitgestellt wird, welche die Spannung über der steuerbaren Spannungsquelle (37) erfasst.
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