-
Die
Erfindung betrifft eine Filtereinrichtung nach dem Oberbegriff des
Patentanspruchs 1, sowie ein elektrisches Schaltgerät, das mindestens
eine solche Einrichtung umfasst.
-
Filtereinrichtungen
werden zur Unterdrückung
oder Dämpfung
von Oberschwingungsströmen
und -spannungen in elektrischen Verteilernetzen eingesetzt. Diese
Oberschwingungsströme
werden durch nichtlineare Lasten verursacht, die an das Verteilernetz
angeschlossen sind. Die am weitesten verbreiteten Störquellen
sind Schaltnetzteile, Stromrichter oder Regler mit leistungselektronischen
Bauteilen.
-
Ein
vermehrter Strom- oder Spannungs-Oberschwingungsgehalt im Leitungsnetz kann
Fehlfunktionen oder Beschädigungen
empfindlicher elektrischer Verbraucher zur Folge haben. Zur Begrenzung
von Oberschwingungsströmen
und -spannungen werden bekanntermaßen Filtereinrichtungen in
die Netzleitungen geschaltet.
-
Filtereinrichtungen
umfassen im Allgemeinen passive und aktive Filter. Passive Filter
arbeiten wie Stromsenken und filtern Oberschwingungen heraus, deren
Frequenz annähernd
der jeweiligen Resonanzfrequenz der genannten Filter entsprechen.
Aktive Filter erlauben die Wiederherstellung eines sinusförmigen Stroms
im Netz durch die Kompensation der durch nichtlineare Lasten verursachten
Stromverzerrungen. Die Kompensation erfolgt dadurch, dass ein Kompensationsstrom
parallel in das Netz injiziert wird. Der Netzstrom ergibt sich dann
aus der Summe des verzerrten Laststroms und des Kompensationsstroms.
-
Passive
Filter umfassen im Allgemeinen Filterglieder, die eine Reihenschaltung
aus einer Spule und einem Kondensator enthalten. Jedes Filterglied ist
auf eine bestimmte Oberschwingungsfrequenz der Störstrome
abgestimmt. Um wirksam arbeiten zu können, müssen diese Filter genau auf
die genannte Oberschwingungsfrequenz abgestimmt sein. Es ist jedoch
sehr schwierig, passive Komponenten mit großer Genauigkeit für hohe Leistungen
zu finden. Außerdem
können
sich die Kennwerte dieser Komponenten durch Alterung oder Temperaturschwankungen
verändern.
Eine weitere Schwierigkeit im Zusammenhang mit der Verwendung passiver
Filter besteht in ihrer Parallelschaltung. Die Kombination mehrerer
passiver Filterglieder hat nämlich
Wechselwirkungen zwischen diesen zur Folge und verändert die
Abstimmfrequenz der genannten Filterglieder. Darüber hinaus verursachen an das
Leitungsnetz angeschlossene Kondensatoren zur Blindleistungskompensation
Störungen
in diesen Filtereinrichtungen, da sie die Abstimmfrequenzen verändern. Schwankungen
der Grundfrequenz des Netzes, selbst innerhalb geringer Toleranzen,
können
ebenfalls die Wirksamkeit von passiven Schmalbandfiltern beeinträchtigen.
-
Aktive
Filter reagieren weniger empfindlich auf Veränderungen in einer elektrischen
Installation, da sie im Allgemeinen über Regelschaltungen verfügen. Allerdings
ist die Leistung von aktiven Filtern aufgrund der in ihnen enthaltenen
elektronischen Bauteile begrenzt. Elektronische Bauteile mit linearem
Leistungsverhalten wie Transistoren sind nämlich strom- und spannungsbegrenzt.
-
Es
gibt hybride Filtereinrichtungen mit passiven und aktiven Filtern.
Diese Einrichtungen sind jedoch komplex und teuer. Sie sind im Allgemeinen
für sehr
spezielle Anwendungen bestimmt.
-
In
der Druckschrift EP-A-O- 645 866 wird eine Einrichtung mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Oberbegriffs von Patentanspruch 1 beschrieben.
-
Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Filtereinrichtung anzugeben, die eine
geringe Empfindlichkeit gegenüber
Widerstandsänderungen
in einem Netz sowie gegen Kennwertabweichungen von Bauteilen aufweist.
-
Dieses
Ziel wird durch eine Filtereinrichtung nach dem Patentanspruch 1
erreicht.
-
Die
Resonanzfrequenz des mindestens einen passiven Filterglieds ist
höher als
mindestens eine bestimmte Oberschwingungsfrequenz.
-
Die
Einschaltsteuerung der Schaltmittel erfolgt vorzugsweise durch Impulssignale
und die Ausschaltsteuerung durch einen Stromnulldurchgang eines über die
Schaltmittel fließenden
Filterstroms.
-
Die
Schaltmittel umfassen insbesondere zwei in Anti-Parallelschaltung
betriebene Thyristoren.
-
Das
erste und das zweite Impulssignal sind vorzugsweise annähernd gegenphasig.
-
Die
Steuermittel umfassen vorzugsweise Impulsgeneratormittel, die das
erste und das zweite Impulssignal liefern, sowie Synchronisiermittel,
die an die Netzleitung sowie an die genannten Impulsgeneratormittel
angeschlossen sind, um die Impulssignale mit einem, die Leitungsspannung
des Netzes abbildenden Signal zu synchronisieren.
-
Zur
Steuerung der Amplitude des Filterstroms umfassen die Steuermittel
Modulationsmittel zur Anpassung der Phasenverschiebung zwischen dem
ersten und dem zweiten Impulssignal in Abhängigkeit von einem die Spannung
in der genannten mindestens einen Leitung des Netzes abbildenden Signal.
-
Nach
einer besonderen Ausgestaltung umfassen die Steuermittel Signalverarbeitungsmittel, die
an die ersten Messmittel zur Messung einer elektrischen Leitungsgröße angeschlossen
sind, um daraus ein Signal abzuleiten, das die genannte, mindestens
eine Oberschwingungsfrequenz des genannten Signals der elektrischen
Leitungsgröße abbildet.
-
Die
Filtereinrichtung umfasst vorzugsweise an die Signalverarbeitungsmittel
angeschlossene zweite Strommessmittel zur Lieferung eines Signals, das
einen über
mindestens ein Filterglied fließenden Filterstrom
abbildet, wobei die genannten Signalverarbeitungsmittel das einen
Filterstrom abbildende Signal mit dem Signal vergleichen, das die
genannte, mindestens eine Oberschwingungsfrequenz des Signals der
elektrischen Leitungsgröße abbildet.
-
Die
Signalverarbeitungsmittel bestimmen eine Amplitudendifferenz zwischen
dem Signal, das die genannte mindestens eine Oberschwingungsfrequenz
des Signals der elektrischen Leitungsgröße abbildet, und dem einen
Filterstrom abbildenden Signal, um die Schaltmittel so anzusteuern,
dass die genannte, mindestens eine Amplitudendifferenz vermindert
wird.
-
Die
Signalverarbeitungsmittel bestimmen eine Phasenabweichung zwischen
dem Signal, das die genannte mindestens eine Oberschwingungsfrequenz
des Signals der elektrischen Leitungsgröße abbildet, und dem einen
Filterstrom abbildenden Signal, um die Schaltmittel so anzusteuern,
dass die genannte Phasenabweichung vermindert wird.
-
Zur
Linearisierung des Filterstroms umfasst die Filtereinrichtung eine
Spule, die parallel zu den Schaltmitteln geschaltet ist.
-
Nach
einer Weiterbildung der Erfindung umfasst die Filtereinrichtung
mehrere, auf unterschiedliche Frequenzen abgestimmte und durch jeweils
unterschiedliche Schaltmittel angesteuerte passive Filterglieder,
wobei die Steuermittel jedes Schaltmittel in Abhängigkeit von unterschiedlichen
Oberschwingungsfrequenzen ansteuern.
-
Nach
einer ersten Ausführungsvariante
umfassen die ersten Messmittel zur Messung einer elektrischen Leitungsgröße Strommessmittel,
die zwischen einer elektrischen Störquelle und einem Filterglied
in die genannte Leitung des Netzes geschaltet sind.
-
Nach
einer zweiten Ausführungsvariante umfassen
die ersten Messmittel zur Messung einer elektrischen Leitungsgröße Strommessmittel,
die zwischen einer elektrischen Energiequelle und dem genannten,
mindestens einem Filterglied in die genannte, mindestens eine Leitung
des Netzes geschaltet sind.
-
Nach
einer dritten Ausführungsvariante
umfassen die ersten Messmittel zur Messung einer elektrischen Größe Spannungsmessmittel,
die an die genannte, mindestens eine Leitung des Netzes angeschlossen
sind.
-
Nach
anderen Ausgestaltungen der Erfindung kann die Filtereinrichtung
an eine Leitung des elektrischen Netzes angeschlossene aktive Filtermittel,
eine an die genannten Schaltmittel und die aktiven Filtermittel
angeschlossene gemeinsame Steuereinrichtung sowie Messmittel umfassen,
die ein, einen Gesamtfilterstrom abbildendes Signal liefern, wobei
die genannte gemeinsame Steuereinrichtung die an die Schaltmittel
angeschlossenen Steuermittel umfasst.
-
Ein
elektrisches Schaltgerät
umfasst mindestens eine erfindungsgemäße Filtereinrichtung nach der
vorausgegangenen Beschreibung.
-
Das
elektrische Schaltgerät
kann auch eine aktive Filtereinrichtung umfassen. Bei dieser Ausgestaltung
umfasst das Schaltgerät
vorteilhaft eine gemeinsame Steuereinrichtung zur Ansteuerung der aktiven
Filtereinrichtung und der Schaltmittel.
-
Mehrere
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den beigefügten Zeichnungen beispielhaft
dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung unter Angabe weiterer
Vorteile und Merkmale näher
erläutert.
Dabei zeigen
-
1 das
Blockschaltbild einer elektrischen Installation mit einer Filtereinrichtung
nach dem bisherigen Stand der Technik;
-
2 und 3 eine
erste und eine zweite Schaltung mit Filtereinrichtungen nach Ausgestaltungen
der Erfindung, die Stromverzerrungen erkennen,
-
4 das
Schaltbild einer Filtereinrichtung gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung,
die Spannungsverzerrungen erkennt,
-
5a bis 5d die
elektrischen Signale in einer erfindungsgemäßen Einrichtung,
-
6 das
Schaltbild einer Filtereinrichtung mit einer Glättungsdrossel,
-
7 die
Kurve eines Filterstroms einer Einrichtung gemäß 5,
-
8a bis 8c Stromkurven
der Ströme in
einer Filtereinrichtung nach einer Ausgestaltung der Erfindung,
-
9a und 9b mit
Oberschwingungen behaftete Stromkurven gemäß 8a und 8c,
-
10 das
Schaltbild einer Filtereinrichtung gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung,
die zwei Oberschwingungsfrequenzen herausfiltert,
-
11a bis 11d Strom-
und Spannungskurven einer Filtereinrichtung nach einer Ausgestaltung
der Erfindung mit Mitteln zur Modulation des Filterstroms,
-
12 und 13 ein
erstes und ein zweites Schaltbild von Filtereinrichtungen nach Ausgestaltungen
der Erfindung, die aktiven Filtern zugeordnet sind.
-
Elektrische
Installationen wie die in 1 gezeigte
umfassen normalerweise mindestens eine elektrische Energiequelle 1 und
mindestens eine elektrische Last 2, die über Leitungen 3 und 4 angeschlossen
ist. Weist eine elektrische Last 2 ein nichtlineares Verhalten
auf, fließen
Störströme in den
Verbindungsleitungen 3 und 4. Zur Unterdrückung oder Dämpfung dieser
Störströme werden
Filtereinrichtungen in die genannten Leitungen 3 und 4 geschaltet. Eine
Filtereinrichtung kann wie in 1 ein passives Filterglied
mit einer Reihenschaltung aus einer Spule 5 und einem Kondensator 6 umfassen.
Diese Schaltung bildet einen Schwingkreis, der die Ströme herausfiltert,
deren Frequenz annähernd
der Resonanzfrequenz entspricht. Es können auch aktive Filter zur Dämpfung der
durch Strom- oder Spannungs-Oberschwingungen
verursachten Verzerrungen eingesetzt werden. Um die Verzerrungen
der Leitungsströme
bzw. Leitungsspannungen zu kompensieren, werden durch die in die
Leitungen 3 und 4 geschalteten aktiven Filter
Ströme
injiziert oder absorbiert.
-
Passive
Filter müssen
mit sehr genauen Komponenten ausgerüstet sein, um Stromoberschwingungen
wirksam zu kompensieren. Diese Genauigkeit ist sehr schwer zu erzielen,
da sie eine sehr präzise
Einstellung erfordert. Außerdem
verändern sich
die Kennwerte der Komponenten zeit- und temperaturabhängig.
-
Aktive
Filter, die im wesentlichen mit elektronischen Bauteilen wie Transistoren
arbeiten, sind für hohe
Leistungen nicht geeignet.
-
Nach
einer Ausgestaltung der Erfindung umfasst eine Filtereinrichtung
mindestens ein passives Filterglied, das mit einer elektronischen
Schalteinrichtung zur Steuerung eines über das genannte passive Filterglied
fließenden
Stroms in Reihe geschaltet ist. Dadurch hängt die Genauigkeit der Filtereinrichtung
nicht mehr von der Genauigkeit des Filterglieds, sondern von einer
Steuerschaltung der Schalteinrichtung ab.
-
Vorteilhaft
kann eine erfindungsgemäße Einrichtung
an Widerstands- und Frequenzänderungen des
Netzes angepasst werden. Eine erfindungsgemäße Einrichtung kann bei unterschiedlichen
Netzfrequenzen, z.B. bei 50 Hz oder 60 Hz arbeiten, ohne das Filterglied ändern zu
müssen.
-
Eine
erste Ausgestaltung der Erfindung ist in 2 dargestellt.
Sie umfasst ein passives Filterglied aus einer Spule 5 und
einem Kondensator 6 sowie einen elektronischen Schalter 8,
der in Reihe zum genannten Filterglied geschaltet ist.
-
Der
Schalter 8 wird über
eine Steuerschaltung 9 angesteuert, die Steuersignale in
Abhängigkeit
von elektrischen Messgrößen liefert,
die an mindestens einer Leitung des Netzes gemessen werden.
-
Die
Steuerschaltung 9 umfasst eine Signalverarbeitungsschaltung 10,
die insbesondere an einen Messstromwandler 11 angeschlossen
ist, welcher ein Signal liefert, das einen über die Störquelle 2 fließenden Leitungsstrom
IL abbildet. Die Verarbeitungsschaltung 10 bestimmt die
Charakteristik eines zu dämpfenden
Oberschwingungsstroms und liefert ein Steuersignal an einen Steuersignalgenerator 12. Um
die Wirksamkeit der Filterung zu verbessern, umfasst die Einrichtung
aus 2 einen Messstromwandler 13, der in Reihe
mit dem passiven Filterglied geschaltet ist, um ein Signal an die
Verarbeitungsschaltung 10 zu liefern, das einen Filterstrom
IF abbildet. Die Verarbeitungsschaltung leitet aus dem Leitungsstromsignal
IL einen Wert ab, der die zu dämpfende
Oberschwingung HIL abbildet und vergleicht diesen Wert mit dem den
Filterstrom IF abbildenden Signal. Anschließend steuert die Schaltung 10 den Signalgenerator 12 so,
dass der Filterstrom die umgekehrte Phasenlage und die gleiche Amplitude
aufweist wie das Oberschwingungssignal. So arbeitet die Steuerschaltung 9 in
dieser Ausgestaltung wie ein Regelkreis, um einen korrekten Eingangsstrom
IS wieder herzustellen.
-
Die
Verarbeitungsschaltung 10 und der Signalgenerator 12 empfangen
vorteilhaft ein Signal, das eine Leitungsspannung VL abbildet, um
die Bestimmung der die Phasenlage der zu dämpfenden Oberschwingungen HIL
abbildenden Werte und das Absetzen der Steuersignale zur Ansteuerung
des Schalters 8 zu synchronisieren.
-
Der
elektronische Schalter 8 umfasst vorzugsweise leistungselektronische
Bauteile, deren Einschaltvorgang durch Impulssignale gesteuert wird und
deren Abschaltung bei einem Stromnulldurchgang des über sie
fließenden
Stroms erfolgt. Diese Bauteile sind vorteilhaft Thyristoren, die
in der Lage sind, hohe Ströme
zu schalten und hohe Spannungen zu führen. So umfasst der Schalter 8 nach
einer vorzugsweisen Ausgestaltung der Erfindung zwei Thyristoren 14 und 15,
die in Anti-Parallelschaltung betrieben werden und in Reihe zu dem
passiven Filterglied geschaltet sind. Ein erster Thyristor 14 leitet die
positive Halbwelle und ein zweiter Thyristor 15 die negative
Halbwelle des Filterstroms IF. Zur Ansteuerung der Thyristoren 14 und 15 beaufschlagt
der Signalgenerator 12 die Gateelektroden der genannten Thyristoren
mit Steuerimpulsen.
-
Um
Probleme durch ungenaue und schwankende Kennwerte der passiven Komponenten 5 und 6 zu
vermeiden, wird der Schalter 8 mit einer mittleren Frequenz
angesteuert, die annähernd
der Frequenz der zu dämpfenden
Oberschwingung HIL entspricht. Bei einem Schalter 8 mit
zwei Thyristoren weisen die vom Signalgenerator 12 auf
jeden Thyristor gegebenen Impulssignale annähernd entgegengesetzte Phasenlagen
auf bzw. sind um eine halbe Periodendauer zueinander versetzt.
-
3 zeigt
ein zweite Ausgestaltung, bei der Messstromwandler 11 zwischen
die Spannungsquelle 1 und das in Reihe zum Schalter 8 liegende
passive Filterglied 5 und 6 in eine Leitung 3 geschaltet
ist. In diesem Fall misst der Stromwandler 11 den Eingangsstrom
IS, und die Steuerschaltung steuert den Schalter so an, dass die
von der Last 2 erzeugten verzerrenden Oberschwingungsströme, die
auf den Eingangsstrom zurückwirken
könnten,
unterdrückt oder
gedämpft
werden. Die Verarbeitungsschaltung 10 leitet aus dem Eingangstrom
IS ein Signal ab, das eine zu unterdrückende Stromoberschwingung
HIS abbildet, und steuert den Signalgenerator 12 so, dass das
genannte Signal HIS geschwächt wird.
Auf diese Weise steuert die Steuerschaltung 9 bei Auftreten
eines Signals HIS oder Zunahme seiner Amplitude den Schalter 8 so,
dass der Filterstrom IF angepasst und das Signal HIS abgeschwächt wird.
-
4 zeigt
eine dritte Ausgestaltung, bei der die gemessene elektrische Leitungsgröße eine Spannung
VL der Leitung 3 ist. Bei dieser Ausgestaltung leitet die
Verarbeitungsschaltung 10 aus einem gemessenen Spannungssignal
VL ein Signal ab, das eine zu unterdrückende oder zu dämpfende
Spannungsoberschwingung HVL abbildet. Eine Oberschwingungsspannung
bildet einen über
einen Widerstand fließenden
Oberschwingungsstrom ab. Bei der in 4 gezeigten
Schaltung ist die Oberschwingungsspannung durch einen Oberschwingungs-Spannungserzeuger 16 dargestellt,
der in Reihe zur elektrischen Energiequelle 1 geschaltet
ist.
-
Bei
dieser Ausgestaltung kann die Filtereinrichtung wie in den beiden
vorhergehenden, in 2 und 3 gezeigten
Ausgestaltungen die durch die Last 2 erzeugten Oberschwingungen,
aber auch aus dem Netz eingestrahlte Oberschwingungsstörungen herausfiltern.
Die in 4 gezeigte Einrichtung dämpft die durch das nichtlineare
Verhalten der Last 2 verursachten Verzerrungen und schützt die
genannte Last gegen Störungen,
die durch andere Verbraucher im Netz verursacht werden.
-
Bei
Auftreten eines Signals HVL oder Zunahme seiner Amplitude steuert
die Steuerschaltung 9 den Schalter 8 so, dass
der Filterstrom IF verändert und
das Signal HVL abgeschwächt
wird.
-
Die 5a bis 5d zeigen
die Signale einer Filtereinrichtung nach einer Ausgestaltung der Erfindung,
mit der eine Stromoberschwingung 5. Ordnung unterdrückt oder
gedämpft
werden kann. Die vom Signalgenerator 12 gelieferten Impulssignale 17 und 18 zur
Ansteuerung der beiden Thyristoren 14 und 15 sind
in 5a bzw. 5b dargestellt. 5c zeigt
eine Kurve, die eine Leitungsspannung VL abbildet und eine Kurve,
die eine Spannung VC des Kondensators 6 abbildet. Der Filterstrom
IF ist durch eine Kurve in 5d dargestellt.
-
Bei
der Arbeitsweise gemäß 5a bis 5d steuert
zu einem Zeitpunkt t1 ein Impuls des Signals 17 die Durchschaltung
des Thyristors 14. Da die Spannung VL größer ist
als die Spannung VC, fließt
ein Strom über
das passive Filterglied. Dieser Strom weist die Form einer Sinus-Halbwelle
auf, deren Periodendauer hauptsächlich
von den Werten des Kondensators 6 und der Spule 5 abhängt. Der durch
die Spule 5 induzierte Strom IF lädt den Kondensator 6 auf
eine über
der Spannung VL liegende Spannung VC auf, und dieser Strom kommt
anschließend
beim Stromnulldurchgang zum Erliegen, so dass der Thyristor zum
Zeitpunkt t2 in den Sperrzustand schaltet.
-
Zu
einem Zeitpunkt t3 steuert ein Impuls des Signals 18 das
Durchschalten des Thyristors 15. Da die Spannung VC größer ist
als die Spannung VL, fließt
ein Strom IF mit umgekehrter Polarität über das passive Filterglied 5 und 6 und
kommt zu einem Zeitpunkt t4 zum Erliegen, bevor der nächste Impuls
des Signals 17 erfolgt.
-
Die
Taktfrequenz jedes Impulssignals 17 bzw. 18 entspricht
annähernd
der Frequenz der zu dämpfenden
Oberschwingung, und die Signale 17 und 18 sind
annähernd
um eine halbe Periodendauer entsprechend der Frequenz der genannten,
zu dämpfenden
Oberschwingung gegeneinander verschoben. Der über einen Thyristor des Filterglieds fließende Strom
wird unterbrochen, bevor ein neuer Impuls die Durchschaltung des
anderen Thyristors bewirkt. Die Resonanzfrequenz des passiven Filterglieds 5 und 6 ist
daher vorzugsweise höher
als die Taktfrequenz jedes Impulssignals 14 bzw. 15 und
höher als
die zu dämpfende
Oberschwingungsfrequenz. So endet gemäß 5 jeder
einer halben Periodendauer entsprechende Sinuswellenbogen bevor die
Leitung des nächsten
Bogens beginnt, und die entsprechenden Thyristoren schalten automatisch
in den Sperrzustand.
-
Die
Unterbrechung des Stroms zwischen zwei Halbwellen des Filterstroms
IF gewährleistet eine
wirksame Frequenzsteuerung des Stroms, erzeugt jedoch leichte Störungen beim
Stromnulldurchgang. Zur Vermeidung dieser Störungen kann eine Filtereinrichtung
nach einer Ausgestaltung der Erfindung gemäß 6 eine Glättungsdrossel 19 umfassen,
die parallel zum Schalter 8 geschaltet wird. 7 zeigt
eine Kurve, die einen Filterstrom IF einer Filtereinrichtung gemäß 6 abbildet.
-
Der
Strom IF hat in diesem Fall einen gleichmäßigeren Verlauf über zwei
aufeinander folgende Halbwellen entgegengesetzter Polarität.
-
Die 8a bis 8c zeigen
Kurven, die in einer elektrischen Schaltung mit einer erfindungsgemäßen Filtereinrichtung
fließende
Ströme
abbilden. 8a zeigt einen Strom IL, der
in einer Störquelle 2 fließt. 8b zeigt
einen Filterstrom IF, der dazu dient, die von diesem Laststrom erzeugten
Störungen
mit einer bestimmten Oberschwingungsfrequenz zu kompensieren. 8c zeigt
einen gefilterten Eingangsstrom entsprechend der Summe aus dem Leitungsstrom
IL und dem Filterstroms IF.
-
Der
Strom IL aus 8a hat bei dieser Ausgestaltung
eine Grundfrequenz von 50 Hz entsprechend der Frequenz der elektrischen
Spannungsquelle 1. Die Last 2, die im wesentlichen
aus einem Gleichrichter besteht, erzeugt in der Leitung 3 eine Oberschwingung 5.
Ordnung in Bezug auf die Grundfrequenz. Der in 8a gezeigte,
verzerrte Strom IL weist zwei flache Abschnitte 20, in
denen der Strom null ist, sowie sinusförmige Spitzen auf, die durch
diese Stromlöcher 21 verzerrt
werden.
-
Die
Verarbeitungsschaltung 10 analysiert den Strom aus 8a und
leitet daraus die Amplitude und die Phasenlage der verzerrenden
Stromoberschwingung 5. Ordnung ab. Anschließend sendet
der Steuersignalgenerator zur Erzeugung eines Filterstroms IF Impulse
an den Schalter 8. Die in 8b dargestellte
Filterstrom kompensiert den Strom der verzerrenden 5. Oberschwingung.
-
Der
Filterstrom IF stellt erneut einen Eingangsstrom IS her, der annähernd sinusförmig ist, wie 8c zeigt.
Auf diese Weise wird verhindert, dass sich die von der Last erzeugten
Oberschwingungsstörungen 5.
Ordnung über
das elektrische Leitungsnetz ausbreiten.
-
In
den 9a und 9b sind
die Kurven der Spektralanalyse in Abhängigkeit von der Frequenz des
Laststroms IL bzw. des Eingangsstroms IS dargestellt. Der Strom
IL hat eine Grundschwingung F und eine Oberschwingung 5.
Ordnung mit hoher Amplitude, sowie weitere Oberschwingungen, insbesondere
siebter (H7), elfter (H11) und dreizehnter (H13) Ordnung.
-
Bei
dieser Ausgestaltung dämpft
die Filtereinrichtung die Oberschwingungsströme 5. Ordnung H5,
so dass die genannte Oberschwingung H5 im Frequenzspektrum des Stroms
IS aus 9b nicht mehr auftritt. Der
Strom mit der Grundfrequenz F und die übrigen Oberschwingungen H7,
H11 und H13 sind nach wie vor im Eingangsstrom IS vorhanden.
-
Um
die Herausfilterung von Oberschwingungsströmen weiter zu verbessern, kann
eine erfindungsgemäße Filtereinrichtung
mehrere passive Filterglieder umfassen, die über entsprechende Schalter
und eine Steuerschaltung 9 angesteuert werden. So kann
eine Filtereinrichtung beispielsweise ein Filterglied zur Dämpfung der
Oberschwingungen 5. Ordnung H5 und ein weiteres Filterglied
zur Dämpfung
der Oberschwingungen 7. Ordnung H7 umfassen, wobei diese
beiden Ordnungen in der Spektralanalyse gemäß 9a die
stärksten
Oberschwingungen darstellen.
-
Eine
Ausgestaltung einer Filtereinrichtung, mit der zwei Oberschwingungsordnungen
gedämpft oder
unterdrückt
werden können,
ist in 10 dargestellt. Diese Einrichtung
umfasst ein erstes Filterglied mit einer Spule 5a und einem
Kondensator 6a, die in Reihe zu einem Schalter 8a geschaltet
sind, um einen ersten Oberschwingungsstrom zu kompensieren, sowie
ein zweites Filterglied mit einer Spule 5b und einem Kondensator 6b,
die in Reihe zu einem Schalter 8b geschaltet sind, um einen
zweiten Oberschwingungsstrom zu kompensieren. Die Steuerschaltung
umfasst eine erste Verarbeitungsschaltung 10a und einen
ersten Signalgenerator 12a zur Ansteuerung des Schalters 8a sowie
eine zweite Verarbeitungsschaltung 10b und einen zweiten
Signalgenerator 12b zur Ansteuerung des Schalters 8b.
-
Bei
dieser Ausgestaltung fließt
ein erster Filterstrom IF1 mit einer ersten Frequenz zur Kompensation
einer ersten Oberschwingung über
das erste Filterglied 5a–6a und ein zweiter
Filterstrom IF2 mit einer zweiten Frequenz zur Kompensation einer zweiten
Oberschwingung über
das zweite Filterglied 5b–6b. Der Filterstrom
IF ist dann die Summe aus den beiden Strömen IF1 und IF2 mit unterschiedlichen
Frequenzen.
-
Jede
Verarbeitungsschaltung 10a und 10b empfängt Signale,
die den Leitungsstrom IL, den Filterstrom IF und die Leitungsspannung
VL abbilden. Die erste Schaltung 10a leitet aus den empfangenen Stromsignalen
Signale ab, die eine erste Oberschwingungsfrequenz abbilden. Diese
Signale werden auf den Eingang eines ersten Phasen-Steuermoduls 22a zur
Steuerung der Phasenlage des ersten Filterstroms IF1 mit der ersten
Oberschwingungsfrequenz gegeben. Ein erstes Amplituden-Steuermodul 23a empfängt die
durch die erste Verarbeitungsschaltung 10a gebildeten Signale.
Diese Schaltung steuert die Amplitude des ersten Filterstroms IF1. Diese
Amplitude kann vorteilhaft in Abhängigkeit von der Leitungsspannung
VL moduliert werden. Zu diesem Zweck erhält die Schaltung 23a ein
die Leitungsspannung Vl abbildendes Signal.
-
Die
Phasen- und Amplituden-Steuermodule 22a und 23a steuern
den ersten Signalgenerator 12a. Dadurch liefert der Signalgenerator 12a Steuerimpulse
in Abhängigkeit
von der Amplitude und Phasenlage der Signale mit der ersten Oberschwingungsfrequenz.
Die vom Signalgenerator 12a gelieferten Impulssignale 17 und 18 können mit
der Spannung VL synchronisiert werden. Zu diesem Zweck wird ein Synchronisiermodul 24a zwischen
die Leitungsspannung VL und den Signalgenerator 12a geschaltet.
-
Die
Steuerung des zweiten Filterstroms IF2 erfolgt auf die gleiche Weise
wie die Steuerung des ersten Filterstroms. Die zweite Schaltung 10b leitet aus
den empfangenen Stromsignalen Signale ab, die eine zweite Oberschwingungsfrequenz
abbilden. Ein zweites Phasen-Steuermodul 22b und
ein zweites Amplituden-Steuermodul 23b sind zwischen die
Verarbeitungsschaltung 10b und den Signalgenerator 12b geschaltet.
Die Synchronisation der vom Signalgenerator 12b gelieferten
Impulse wird durch ein zweites Synchronisiermodul 24b gewährleistet.
-
Die 11a bis 11d zeigen
die Signale einer Filtereinrichtung mit Steuerung der Amplitude des
Filterstroms IF. Zur Steuerung der genannten Amplitude sind die
Impulssignale 17 und 18 nicht genau gegenphasig,
sondern können
in Bezug auf eine Mittellage voraus- oder nacheilen. 11a zeigt einen ersten Referenzimpuls 17 und
einen zweiten, bezüglich
seiner Normalstellung vorauseilenden Impuls 17. 11b zeigt einen, bezüglich seiner normalen Mittellage
nacheilenden Impuls 18. 11c zeigt
die Leitungsspannung VL und die Kondensatorspannung VC in Abhängigkeit
von den Normalimpulsen (Kurve 26) bzw. den modulierten
Impulsen (Kurve 27). 11d zeigt
den amplitudengesteuerten Strom IF. In diesem Diagramm hat der Strom
IF eine in Bezug zu einer unmodulierten Anfangskurve 29 verminderte
Amplitude (Kurve 28).
-
Obwohl
die Impulse 17 und 18 zur Ansteuerung der Thyristoren
keinen regelmäßigen Takt
aufweisen, bleibt die mittlere Frequenz jedes Signals identisch
mit der zu dämpfenden
Oberschwingungsfrequenz.
-
Bei
diesen Ausgestaltungen der Erfindung können Signalgeneratoren 12, 12a und 12b auch
Impulse in Abhängigkeit
von der Spannung an Kondensatoren 6, 6a und 6b von
Filtergliedern liefern.
-
Die
erfindungsgemäßen Filtereinrichtungen können mit
aktiven Filtern betrieben werden. In diesem Fall dämpfen beispielsweise
Filtereinrichtungen nach einer Ausgestaltung der Erfindung Störsignale hoher
Leistung, und ein aktives Filter dämpft die übrigen Oberschwingungen unterschiedlicher
Frequenzen Die aktive Filterung kann demzufolge für niedrige Leistungen
ausgelegt sein.
-
Ein
Beispiel einer solchen Schaltung ist in 12 dargestellt.
Bei dieser Ausgestaltung ist ein aktives Filter mit einer leistungselektronischen
Schaltung 33 an die Versorgungsleitungen 3 und 4 angeschlossen.
Die Ansteuerung der Schaltung 33 erfolgt durch eine Regelschaltung 32,
die an die genannte Schaltung 33, einen Messstromwandler 30,
der ein den Leitungsstrom IL abbildendes Signal liefert, sowie an
einen Messstromwandler 31 angeschlossen ist, welcher ein
Signal liefert, das einen aktiven Filterstrom IFA abbildet. Die
Schaltung 32 kann auch ein Signal empfangen, das die Leitungsspannung
VL abbildet.
-
Aktive
Filter können
vorteilhaft in erfindungsgemäße Filtereinrichtungen
integriert werden. 13 zeigt eine Schaltung zu einer
Ausgestaltung einer Filtereinrichtung mit integriertem aktiven Filter. Bei
dieser Ausgestaltung ist eine Steuerschaltung 34 zur Steuerung
der beiden Filterarten mit dem Schalter 8 und dem aktiven
Filter 33 verbunden. Um insbesondere die Anzahl der Messstromwandler
zu reduzieren, wird die Schaltung 34 mit Signalen beaufschlagt,
die vom Messstromwandler 11 gelieferte Leitungsströme IL, die
Leitungsspannung VL und den Gesamt-Filterstrom IFT abbilden, welcher
von einem Messstromwandler 35 geliefert wird, der den über das
aktive Filter fließenden
Strom IFA und den über das
Filterglied mit der Spule 5 und dem Kondensator 6 fließenden Strom
IF misst. Bei dieser Ausgestaltung umfasst die Schaltung 34 insbesondere
die Funktionen der Schaltungen 9 und 34, um sämtliche Signale
zu verarbeiten und den gesamten Filtervorgang zu steuern.
-
Die
Schaltungen der Steuereinrichtungen 9 können als diskrete Schaltungen
mit analogen oder digitalen Bauteilen oder als teilweise oder vollständig integrierte
Schaltungen in Form von programmierten Funktionen in einer Mikroprozessoreinrichtung
ausgeführt
sein.
-
Einrichtungen
nach Ausgestaltungen der Erfindung können in einer elektrischen
Installation parallel geschaltet sein. Dabei kann jede Einrichtung
zur Dämpfung
gleicher oder unterschiedlicher Oberschwingungen ausgelegt sein.
Sie können
auch mit anderen aktiven oder passiven Filtereinrichtungen oder
mit Einrichtungen zur Blindleistungskompensation kombiniert werden.
-
In
einem elektrischen Dreiphasennetz können erfindungsgemäße Filtereinrichtungen
in Stern- oder Dreieckschaltung
betrieben werden.
-
Die
Schalter 8 umfassen vorzugsweise Thyristoren, die in der
Lage sind, hohe elektrische Leistungen bei geringen Verlusten zu
schalten, wobei jedoch ohne weiteres auch andere Leistungshalbleiter an
ihrer Stelle verwendet werden können.