DE29803051U1

DE29803051U1 - Entstörfilter für ein elektrisches Gerät mit Transformator

Info

Publication number: DE29803051U1
Application number: DE29803051U
Authority: DE
Original assignee: Kloeckner Moeller GmbH
Current assignee: Eaton Industries GmbH
Priority date: 1997-02-28
Filing date: 1998-02-21
Publication date: 1998-05-28
Anticipated expiration: 2008-02-22
Also published as: DE19807382A1

Description

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-1 Beschreibung

Entstörfilter für ein elektrisches Gerät mit Transformator

Die Erfindung betrifft einen Entstörfilter für ein elektrisches Gerät mit Transformator.

Eine der gesetzlichen Auflagen, die die Hersteller bzw. Vertreiber und Betreiber von Wechselstrommaschinen erfüllen müssen, ist die Entstörung dieser .Geräte. Da die Ursachen der Störungen mannigfaltig sind und zahlreiche Faktoren bei der Entstörung zu berücksichtigen sind, stellt die Entstörung ein sehr komplexes Problem dar. Die praxisrelevante Wahl der für die Dämpfung der leitungsgebundenen Störung verwendeten Entstörfilter erfolgt gemäß der bisherigen Praxis durch Ausprobieren verschiedener Filter in der Anlage und Messung der verbleibenden Störungen, da eine Ermittlung passender Filter auf rechnerischem Weg praktisch nicht möglich ist. Das Ziel der Filterung ist bei Störquellen die Verminderung der leitungsgebundenen Aussendungen und bei Störsenken die Verminderung der leitungsgebundenen Beeinflußbarkeit.

Die optimalen Dämpfungseigenschaften werden aber nur dann erfüllt, wenn sich die Parameter (Last, Umrichter, Netzdaten usw.) nicht wesentlich ändern.

Hersteller von elektrischen Anlagen, die diese in verschiedenste Länder exportieren, statten diese mit Anpaßtransformatoren aus, die die Anpassung der Geräte an die jeweiligen Netzdaten der Länder gewährleisten. Ist zum Betrieb der Wechselstrommaschine ein solcher Transformator erforderlich, so trägt dieser natürlich auch zu den Störungen, die das Gesamtsystem zeigt, bei.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die Entstörung solcher Wechselstrommaschinen mit Transformatoren zu verbessern und dabei dennoch den Bauteilaufwand für das Filter gering zu halten. Dies wird dadurch erreicht, daß die Entstörfilterbauelemente an die Induktivitätswerte des Transformators, insbesondere an dessen Streuinduktivität angepaßt sind. Vorzugsweise ist der Entstörfilter mit dem Transformator zu einer baulichen Einheit zusammengefaßt. Durch diese neuartige Einheit von Trafo und Filter ergibt sich ein "mehrstufiger

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Filter" mit höheren Dämpfungswerten für die Netzrückwirkungen. Gegenüber der konventionellen Filtertechnik kann der Bauteilaufwand bei den Entstörfiltern wesentlich vermindert werden und eine entsprechende Anpassung hinsichtlich des geforderten Spannungs- und Stromniveaus ist möglich. Die Gesamtkonfiguration aus Transformator und Filter erreicht höchste Sperrdämpfüngen, wenn sie optimal an die Impedanz der angeschlossenen Leitungen sowie auch an die Impedanz der Störquelle und der Störsenke fehlangepaßt ist. Je nach den Impedanzen der Leitungen bzw. der Störquelle und der Störsenke sind sowohl das einfach LC-Glied (Leitungsimpedanz niedrig und Impedanz der Störsenke bzw. Störquelle hoch, d.h. zwischen jedem Leiter und Masse bzw. Schutzleiter) wie auch &pgr;- und !"-Schaltungen (beide Impedanzen hoch bzw. niedrig und unbekannt) üblich. Die Transformatorfiltereinheit ist auch auf die nichtidealen Hochfrequenzeigenschaften der realen Entstörbauelemente bei höheren Frequenzen optimaler abstimmbar. Vor allem die sich in der Baugröße reduzierenden Filterdrosseln können mit geringeren Eigenkapazitäten (Parallelkapazität) realisiert werden. Somit werden die sonst aufwendigen Wicklungsarten, wie Kammerwicklungen (unterteilte Wicklungen) bei Stabdrosseln oder die Wildwicklungen nicht mehr notwendig. Damit sind auch die Produktionskosten wesentlich zu reduzieren.

Mit dieser Verbesserung der Filtereigenschaften kann vor allem die Dämpfung des LC-Gliedes bei tiefen Frequenzen verbessert werden, da dadurch der charakteristische konstante Dämpfungsbereich bei entsprechender Dimensionierung zu höheren Frequenz hin verschoben werden kann und ebenso der 1/f² Abfall. Dadurch können die Netzrückwirkungen gegenüber konventionellen Lösungen wesentlich geringer gehalten werden.

Weiters kann durch die Verminderung der Filterdrosselwerte die Stabkerndrossel, welche die Gleich- und Gegentaktströme gleich gut bedämpft, jedoch bei größeren Betriebsströmen eine große Scherung benötigt (um Sättigungserscheinungen zu vermeiden) und bei entsprechenden Induktivitätswerten voluminös und teuer ist noch ausgeführt werden. Somit kann der übliche Kompromiß der stromkompensierten Drossel (bedämpft nur die

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Gleichtaktstörströme, jedoch nicht die Gegentaktstörströme) in der Filtertechnik vermieden bzw. auf wenige Ausnahmen beschränkt werden.

Durch diese Maßnahme kann auch die sonst übliche große symmetrisch geschaltene Kapazität, sogenannte Cx-Kondensatoren, vermindert bzw. völlig vermieden werden, welche die unzureichende Dämpfung der Gegentaktstörströme bei der Ausführung als stromkompensierte Drossel, zwischen den Leitungen ausgleicht. Durch diese Maßnahme können also die bei der konventionellen Filtertechnik großen C_x-Kondensatoren um einige Typensprünge verkleinert bzw. völlig eingespart werden und somit die Eigeninduktivitäten der Kondensatoren wieder wesentlich vermindert werden. Somit gilt bezüglich der Dämpfungsverminderung das bereits bei der Filterdrossel oben Angeführte.

Durch diese Verminderung der Filterentstörbauelemente wird also die Fertigung wesentlich vereinfacht und außerdem die Zuverlässigkeit des Gesamtsystems verbessert und erhöht. Die Dämpfungswerte werden vor allem im störenden unteren Frequenzbereich (Netzrückwirkungen) verbessert und somit sind die Entstörungsvorschriften und Normen leichter erfüllbar.

Die Oberschwingungsströme werden ebenso verringert wie die Verzerrung der Netzspannung, wodurch sich eine Verbesserung der Netzstabilität bei gleichzeitiger Reduzierung des Filteraufwandes ergibt, was insbesondere bei Industrienetzen wichtig ist. Durch den Anstieg der Pulsfrequenzen (über der Gehörschwelle, d.h. > 16 kHz bis 17 kHz) bei den heutigen Umrichterkonzepten mittels der neuartigen Leistungshalbleiter (z.B. IGBTs, MCTs usw.) erreichen die erfindungsgemäßen Filterkombinationen bessere Dämpfungswerte bis zu mehreren 100 kHz als die konventionelle Filtertechnik. Es ist eine entsprechende Kurzschlußfestigkeit gegeben, die bei konventionellen Filtern technisch nicht möglich ist. Die konventionell vorhandene Eingangsdrossel wird nicht mehr benötigt, auch die Sinusdrossel kann entfallen oder zumindest vermindert werden. Insgesamt ergibt sich eine kompakte, gewichtsreduzierte, kostengünstige Gesamtkonfiguration. Schließlich kommt es durch die erfindungsgemäße Kombination zu einer Reduzierung der Neigung zur gegebe-

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nenfalls selbst erregten Schwingung bei Dreh-Asynchronmaschinen und somit zu einer Verbesserung der Stabilität (Verbesserung der Dämpfung).

Im Folgenden sollen die Vorgänge in der erfinderischen Transformatorfilterkombination anhand von Ersatzschaltbildern beispielhaft ausgewählter Transformatoren und Filter betrachtet werden, wobei auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen wird, in denen Fig. 1 ein vereinfachendes Ersatzschaltbild für einen Zweiwicklungseinphasentransformator, Fig. 2 ein vereinfachtes Ersatzschaltbild eines an beiden Wicklungen beschaltbaren Transformators und Fig. 3 eine Kombination aus Filter F und Transformator T gemäß der Erfindung in der Ersatzschaltbilddarstellung zeigen, wobei natürlich das Transformatprersatzschaltbild, z.B. durch die Fig.1 oder 2 ersetzbar ist. Die Fig.4 zeigt eine mögliche räumliche Anordnung der Transformatorfilterkombination.

Vom Gesichtspunkt der Übergangsvorgänge bei elektrischen Anlagen ausgehend ist die Untersuchung der Vorgänge in Transformatoren am wichtigsten. Transformatorwicklungen sind homogener aufgebaut als die Wicklungen rotierender, elektrischer Maschinen, daher können die Induktivitäten des Transformators bei der Filterberechnung leichter berücksichtigt werden als die der Maschinen. Trotzdem bilden sie ein ziemlich kompliziertes, elektrisches Netzwerk. Man kommt daher bei Untersuchungen von Ausgleichsvorgängen, die sich entweder an ihren Wicklungen abspielen oder von ihnen beeinflußt werden, nicht ohne Vereinfachung aus.

Im vorliegenden Fall interessieren die Ausgleichsvorgänge im Stromkreis mit Transformator und Filter* wo weitergehende Vereinfachungen erforderlich sind als in den Fällen, wo nur die Äusgleichsvorgänge der Transformatorwicklungen betrachtet werden. Dies ist vor allem wichtig für die Konzeption des Entstörfilters im Hinblick auf die Auslegung von Spannungsspitzen, die sich nicht nur auf periodische Sinusvorgänge beziehen, sondern auch auf Schaltvorgänge im Netzwerk. Somit wird das dynamische Verhalten sowie die erreichbaren Dämpfungswerte der Gesamtkonfiguration durch die Filterkombination

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wesentlich exakter beherrschbar als wenn nur das Filter alleine Berücksichtigung findet.

Fig. 1 zeigt das allgemeine Ersatzschaltbild der Wicklungen eines Zweiwicklungseinphasentransformators, das bekanntlich einen Kettenleiter aus &eegr; &pgr;-Gliedern darstellt, die untereinander induktiv, kapazitiv gekoppelt sind. Elektrische Vorgänge werden also von der einen auf die andere Wicklung sowohl induktiv als auch kapazitiv übertragen. Der Kettenleiter jeder Wicklung selbst besteht aus Induktivitäten Li, l_2, die sich wechselseitig beeinflussen (Selbstinduktivitäten und gegenseitige Induktivitäten der Windungen bzw. Teilwicklungen, früher auch Gegeninduktivitäten genannt), aus parallel dazu liegenden Kapazitäten C_wi, Cw2 (Kapazitäten zwischen den Windungen bzw. Teilwicklungen), aus den Erdkapazitäten C_ei, C_e2 (Kapazitäten der äußeren Wicklungen gegen den geerdeten Transformatorkessel oder Transformatorgehäuse bzw. Kapazitäten der inneren Wicklung gegen den geerdeten Eisenkern) und aus Koppelkapazitäten C12 zwischen den Wicklungen. Ist eine Wicklung über ihre Länge gleichmäßig isoliert und ohne besondere Vorkehrungen zur Spannungssteuerung dann sind die einzelnen Glieder des Kettenleiters näherungsweise gleich, abgesehen von den gegenseitigen Induktivitäten.

Die Berücksichtigung der gegenseitigen Induktivitäten erschwert die Berechnung des Verlaufs elektrischer Vorgänge in einer Wicklung beträchtlich. Die Induktivitäten sind bei einer Spule mit Eisenkern infolge der engen magnetisehen Kopplung der Windungen so bedeutend, daß sie nicht vernachlässigt werden dürfen. Der magnetische Fluß im Eisenkern ist nämlich im Gegensatz zu den Flüssen, die mit den Gegeninduktivitäten verkettet sind, praktisch gleich stark verkettet, solange die Frequenz des den Flüß erzeugenden elektrischen Vorganges unterhalb der Eigenfrequenz der Spule liegt.

Für die Eingangsimpedanz, Stoßkapazität und Eigenfrequenz einer durch einen homogenen Kettenleiter darstellbaren Wicklung (offene einseitig geerdete und zweiseitig eingespeiste Wicklungen) gelten die in der Literatur bereits

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abgeleiteten Formeln (siehe z.B. in "Schaltvorgänge in HV- und NV-Netzen" von Ernst Slamecka und Wolfgang Waterscheck, Siemens AG Verlag 1972, insb. Seiten 97 bis 118). Dabei ist bezüglich einer näherungsweisen Darstellung für den Anfangsverlauf eines Ausgleichsvorganges der Wicklung auch der Impedanzoperator Z(p) geeignet.

Bei den Ersatzschaltbildern des Transformators in einem Stromkreis mit mehreren Baugruppen wird der Transformator auf eine Baugruppe reduziert, die sich aus wenigen konzentrierten Elementen zusammensetzt. Das zugehörige Ersatzschaltbild gemäß Fig. 2 besteht demnach näherungsweise aus der Summe der einzelnen Glieder des Ersatzschaltbildes gemäß Fig. 1.

Auch der reduzierte Ersatzschaltplan ist noch verhältnismäßig kompliziert, insbesondere wegen der induktiven und kapazitiven Kopplung zwischen Primär- und Sekundärwicklung. Für Vorgänge unterhalb der Transformatoreigenfrequenz ist das Übersetzungsverhältnis des Transformators weitgehend konstant und gleich dem induktiven Leerlaufübersetzungsverhältnis. Bei sehr hochfrequenten Vorgängen und bei stoßartigen Vorgängen wird die anfängliche Übertragung des Vorganges von der Primär- auf die Sekundärwicklung die kapazitive Verbindung bestimmend. Weitere Vereinfachungen des Ersatzschaltbildes hängen von den zu untersuchenden Schaltvorgängen ab.

Fig.4 zeigt eine mögliche räumliche Anordnung der Transformatorfilterkombination, wobei auf der linken Seite einer Ansicht, von vorne, und auf der rechten Seite einer Ansicht, von der Seite, zu sehen ist. Mit dem Bezügszeichen I ist der Transformator, mit Il das Gehäuse, mit III ein Wandschrank, mit IV der Filter und mit V ein Leistungsschalter gezeigt.

Wie in "Schaltvorgänge in HV- und NV-Netzen" von Slamecka und Waterscheck gezeigt, unterscheidet man bei den Ersatzschaltplänen für Einphasentransfqrmatoren ohne Berücksichtigung irgendwelcher Transformatorkapzitäten zwischen zwei Arten, nämlich Kopplungs- und Streuungsersatzschaltpläne. Der Vergleich beider Arten zeigt, daß Streuungsersatzschaltpläne,

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wenn sie vollständig sein sollen, ideale induktive Übertrager enthalten müssen. Dieser kann nur dann entfallen, wenn der an den Transformator sekundärseitig angeschlossene Stromkreis auf die Primärseite übersetzt wird. Ohmsche Widerstände und Induktivitäten sind dann mit dem quadratischen Betrag des Übersetzungsverhältnisses zu multiplizieren. Kapazitäten sind durch diesen Wert zu dividieren.

Bei den Streuungsersatzschaltplänen für Drehstromtransformatoren mit zwei Wicklungen je Phase, bei denen zur einfacheren Darstellung Ohmsche und induktive Widerstände zu impedanzen zusammengefaßt sein können, gleichen die Ersatzschaltbilder für Mit- und Gegensystem einander, abgesehen von der Phasendrehung des Übersetzungsverhältnisses. Das allgemeine Ersatzschaltbild für das Nullsystem hingegen unterscheidet sich davon.

Selbst bei Berücksichtigung und Eintragung der Transformatorkapazitäten, um zu berücksichtigen, daß der Transformator und das Filter ein schwingungsfähiges System darstellen, bleibt der Schaltplan übersichtlich.

Für die Ermittlung von Ausgleichsvorgängen wird im allgemeinen angenommen, daß die Transformatorinduktivitäten konstant sind. In Wirklichkeit sind diese Induktivitäten aber sättigungsabhängig, und zwar die Streuinduktivitäten nur wenig, da die Streuflüsse nur zum Teil durch Eisen fließen, die Hauptinduktivitäten hingegen nehmen merklich mit der Sättigung des Eisenkernes ab. Wie die Magnetisierungskennlinien zeigen, befinden sich Transformatoren im unbelasteten Betrieb bei Nennspannung und im Nennbetrieb im gesättigten Zustand. Im Kurzschluß sind sie dagegen im allgemeinen im ungesättigten Zustand. Die Sättigung beeinflußt wesentlich die Größe und den Verlauf der Transformator-Einschaltströme, sie ist daher bei ihrer Ermittlung zu beachten. Gegebenenfalls macht sich noch ein Restfluß im Eisenkern bemerkbar. Bei der Berechnung werden die Sättigungsabhängigkeit der Induktivitäten in der Form berücksichtigt, indem die Magnetisierungskennlinie abschnittsweise linearisiert und die Rechnung entsprechend intervallweise durchgeführt werden.

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Sind die Transformatoren niederohmig belastet oder kurzgeschlossen, dann können im Streuungsersatzschaltbild die Hauptinduktivitäten vernachlässigt werden, da sie auch im gesättigten Zustand wesentlich größer als die Streuinduktivitäten sind. Dies trifft bei hohen Frequenzen auch auf die Eingangsimpedanz der Entstörfilter zu.

Bei Drehstromtransformatoren gilt dies allerdings nur für die Ersatzschaltbilder von Mit- und Gegensystem, denn die Hauptinduktivität des Nullsystems ist vielfach erheblich kleiner als die des Mitsystems. Die Größe der Streuinduktivität einer Wicklung hängt von ihrer Lage zum Eisenkern ab. Mit Ausnahme des Nullsystems lautet der Zusammenhang zwischen den Streuinduktivitäten und der Kurzschlußinduktivität für einen Zweiwicklungstransformator
Lki2 = Li₀ + L_2o ■ Die einander entsprechenden Induktivitäten in den Ersatz-Schaltbildern mit Mit- und Gegensystem von Drehstromtransformatoren sind gleich. Die Induktivitäten des Nullsystems weichen von diesen ab, da die magnetischen Kreise des Nullsystems anders aufgebaut sind als die des Mitsystems. Das Verhältnis Nullinduktivität zu Mitinduktivität hängt wieder von der Schaltungsart der Wicklung, vom Aufbau des Eisenkerns sowie von der Abschirmungsart des Kessels ab.

Die Transformatorinduktivitäten sind natürlich auch frequenzabhängig. Der Streufluß fließt zum größeren Teil durch nichtmagnetisches Material und zum kleineren Teil durch magnetisches Material. Dies ist der Eisenkern. Daher wird die Frequenzabhängigkeit der Streuinduktivität im wesentlichen durch die Wirbelströme im nichtmagnetischen Material wie in den Wicklungen hervorgerufen.

Wegen der Zunahme der Wirbelströme im Eisenkern mit steigender Frequenz dringt der Hauptfluß immer weniger tief in den Kern ein. Die wirksame Permeabilität des Eisenkernes sinkt daher ab. Aus diesem Grund hängt auch die Hauptinduktivität von der Frequenz ab, und zwar bedeutend stärker als die Streuinduktivität. Auch dies ist ein weiterer Grund, warum gemäß der Erfin-

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dung die Streuinduktivität berücksichtigt wird. Bei sehr schnellen Vorgängen ist noch zu beachten, daß der Fluß im Eisenkern diesen Änderungen nicht mit der gleichen Schnelligkeit folgen kann. Die Berücksichtigung der Tränsformatorkapazitäten und deren gültige Näherungen können nach den an sich 5. bekannten Berechnungen vorgenommen werden (siehe z.B. P.Hammerlund, "Transient recovery voltage subsequent to short-circuit interruption with special reference to Swedish power systems", Ingeniörs Vetenshops Akademiens, HandlingarNr.189, Stockholm 1946).

Zu der Berücksichtigung der Transformatorinduktivitäten und Transformatorkapazitäten kommt nun noch die entsprechende Ersatzschaltung des Entstörfilters (stellt die Last für den Anpaßtränsformator in Form des &pgr;- oder T-Ersatzschaltbildes dar) hinzu. Diesem Gesamtsystem muß nun noch die tatsächliche Last, die durch äquivalente Ersatzschaltbilder beschreibbar ist, berücksichtigt werden, wobei wieder oben angeführte Aussagen gelten.

Neu an dem Filter gemäß der Erfindung ist, daß durch die Berücksichtigung der Streuinduktivitäten des Anpaßtransformators sowohl der Filteraufwand minimiert werden kann, als auch der dynamischen Auswirkungen des Gesamtsystems wesentlich exakter berechnet bzw. überhaupt erst einer analytischen Betrachtung zugänglich gemacht werden können. Somit wird das Gesamtsystem dynamisch stabiler (Schwingungsverhalten der Filterkombination bzw. selbsterregte Schwingungsneigungen der Last beherrschbar) und bauteiloptimiert.

Durch den Anstieg der Pulsfrequenzen (aufgrund der neuartigen Leistungshalbleiter, vor allem bei Verwendung von IGBTs) bei den heutigen Umrichterkonzepten über die Gehörschwelle > 16-17 kHz, erreicht die Filterkombination wesentlich höhere Dämpfüngswerte bis zu mehreren 100 kHz, als die konventionelle Filtertechnik.

Durch die Filterkombination reduziert sich die Gefahr von selbsterregten Schwingungen bei der Drehfeldmaschine und verbessert somit die Stabilität

von Anlagen mit solchen Maschinen, bzw. können eventuell auftretende selbsterregten Schwingungen bei einem bestehenden System durch die Filterkombination vermieden werden, was bei konventionellen Filtern nicht möglich ist.
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Durch die Filterkombination reduziert sich die Gefahr von selbsterregten Schwingungen bei der Drehfeldmaschine und verbessert somit die Stabilität von Anlagen mit solchen Maschinen, bzw. können eventuell auftretende selbsterregte Schwingungen bei einem bestehenden System durch die Filterkombination vermieden werden, was bei konventionellen Filtern nicht möglich ist. Dies verbessert die Stabilität von Anlagen mit Drehstromasynchronmaschinen wesentlich.

Claims

&ogr; 608 GM Schutzansprüche

1. Entstörfilter für ein elektrisches Gerät mit Transformator, dadurch gekennzeichnet, daß die Entstörfilterbauelemente an die Induktivitätswerte des Transformators (T), insbesondere an dessen Streuinduktivität angepaßt sind.

2. Entstörfilter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Entstörfilter (F) mit dem Transformator (T) zu einer baulichen Einheit zusammengefaßt ist.

3. Anordnung zur Reduzierung der Netzrückwirkungen bei elektrischen Geräten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Kombination eines Dämpfungstrafos mit einem EMV-Filter ein mehrstufiger Filter mit höheren Dämpfungswerten für die Netzrückwirkungen bei geringeren Filterbauteilen und daher geringeren Verlusten gebildet wird.

4 Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch Änderung der primären Eingänge eine Anpassung sowohl hinsichtlich Spannung als auch hinsichtlich Strom des Dämpfungstrafos gegeben ist.

5. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf

der Netzseite bei gleichzeitiger Reduzierung des Filteraufwandes die Ober-Schwingungsströme verringert sind.

6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verringerung der Verzerrung der Netzspannung und somit Verbesserung der Netzstabilität der Filteraufwand verringert ist.

7. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Reduktion der Gefahr von selbsterregten Schwingungen und zur Verbesserung der Stabilität bzw. zur Vermeidung von eventuell auftre-

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tenden selbsterregten Schwingungen eine Filterkombination in die Schaltanordnung eingebracht ist.

8. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch Einsatz von Leistungshalbleitern bei steigenden Pulsfrequenzen Dämpfungswerte bis zu mehreren einhundert Kilohertz eingestellt werden.

9. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Sinusdrosseln verringert sind.