DE102009056395A1

DE102009056395A1 - Verfahren zur Funktionsprüfung von elektrischen Filtern sowie Filter mit Prüfeinrichtung

Info

Publication number: DE102009056395A1
Application number: DE200910056395
Authority: DE
Inventors: Thomas Dr. Weber; Tobias Kut
Original assignee: ESW GmbH
Current assignee: Vincorion Advanced Systems GmbH
Priority date: 2009-11-23
Filing date: 2009-11-23
Publication date: 2011-05-26

Abstract

Das Verfahren dient zur Funktionsprüfung von elektrischen Filtern. Im Bereich eines Einganges des Filters wird ein Signal eingeleitet und im Bereich eines Ausganges des Filters wird ein Resultatsignal erfasst. Das Resultatsignal wird von einer Auswertungseinheit mit einem Erwartungssignal verglichen. Bei einer Mindestabweichung zwischen dem Resultatsignal und dem Erwartungssignal wird eine Fehlfunktion des Filters detektiert. Der erfindungsgemäße Filter ist mit den die vorstehend erläuterten Funktionen durchführenden Bauteilen ausgestattet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Funktionsprüfung von elektrischen Filtern.
Die Erfindung betrifft darüber hinaus einen Filter mit Prüfeinrichtung.
Derartige Filter können beispielsweise als aktive oder hybride EMV-Filter ausgebildet sein. Derartige Filter unterdrücken Störemissionen unter Verwendung aktiver Schaltungskomponenten. Eine fehlende Unterdrückung von Störemissionen aufgrund einer Fehlfunktion des Filters kann zu Beschädigungen oder Funktionsbeeinträchtigungen nachgeschalteter und/oder benachbarter Schaltungskomponenten und/oder Anlagen führen.
Besondere Bedeutung hat die Anwendung derartiger Filter beispielsweise im Bereich der Leistungselektronik sowie der Antriebselektronik. Die modernen Entwicklungen im Bereich der Halbleiter-Bauelemente haben dazu geführt, dass in diesen Bereichen Schaltzeiten im Bereich weniger Nanosekunden realisiert werden können. Diese kurzen Schaltzeiten führen zu erheblich reduzierten elektrischen Schaltverlusten und minimieren hierdurch die entstehenden Verlustleistungen. Es resultieren jedoch erhebliche Steilheiten der Flanken der entstehenden Schaltimpulse. Die steilen Flanken führen zu einem elektromagnetischen Störspektrum, typischer Weise in einem Bereich von wenigen KHz bis vielen MHz, dessen Abstrahlung die Funktion von elektrischen Geräten stören kann.
Zur Verhinderung derartiger Störungen und zur Sicherstellung einer elektromagnetischen Verträglichkeit von Anlagen werden EMV-Filter verwendet.
Bekannt sind sowohl passive EMV-Filter als auch aktive Filter. Passive Filter für Versorgungs- und/oder Energieverteilungsleitungen bestehen in der Regel aus miteinander verschalteten Induktivitäten und Kapazitäten. Gemäß einer typischen Ausführungsform werden Tiefpässe n-ter Ordnung bereitgestellt. Derartige passive Filter sind jedoch nur im Bereich relativ geringer Ströme praktisch verwendbar, da bei hohen Strömen große Volumina der Filter und hohe Filtergewichte erforderlich werden. Für mobile Applikationen sind in diesem Leistungsbereich derartige Filter deshalb ungeeignet.
Um den Einsatz von EMV-Filtern beispielsweise im Bereich der Luftfahrt sowie für mobile Landfahrzeuge zu ermöglichen, werden aktive Filter verwendet. Die aktiven Filter können einzeln oder in einer Hybridausführung die auftretenden Störungen reduzieren. Eine derartige Hybridausführung besteht aus einem aktiven und einem passiven Filteranteil. Eine vorliegende EMV-Störung wird entweder über die Durchführung einer Regelung oder über eine Kompensation reduziert. Bei einer derartigen Kompensation wird das Störsignal detektiert, ein zum Störsignal inverses Signal generiert und dieses phasengenau auf die zugeordnete Leitung gegeben. Idealerweise kompensieren sich hierdurch das Störsignal und das additive Signal.
Für die Realisierung derartiger aktiver Filter werden typischerweise drei Funktionskomponenten verwendet. Dies sind eine Auskopplungseinrichtung für das Störsignal, ein Generator zur Erzeugung des Kompensationssignals sowie eine Einkopplung zur Aufschaltung des Kompensationssignals auf das Störsignal. Derartige Ein- und Auskopplungen können typischerweise über induktive oder kapazitive Bauelemente realisiert werden.
Derartige Kompensationsprinzipien ermöglichen es, Dämpfungen von mindestens 10 db zu realisieren. Es können Frequenzbereiche von wenigen Kilohertz bis vielen Megahertz abgedeckt werden. Bei geeigneten Filterkonstruktionen sind auch Anwendungen im Gigahertzbereich möglich.
Bei einem Ausfall oder einer Funktionsverminderung der Filter wird der Schutz der zugeordneten Bauelemente vermindert oder ist nicht mehr gewährleistet. Fehlfunktionen des Filters können somit zu sicherheitsrelevanten Störungen einer Anlage oder sogar zu einer Zerstörung der angeschlossenen elektrischen oder elektronischen Bauteilkomponenten führen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren der einleitend genannten Art derart anzugeben, dass eine hohe Funktionssicherheit unterstützt wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass im Bereich eines Einganges des Filters ein Signal eingeleitet sowie im Bereich eines Ausganges des Filters ein Resultatsignal erfasst wird und bei dem das Resultatsignal von einer Auswertungseinheit mit einem Erwartungssignal verglichen und bei einer Mindestabweichung zwischen dem Resultatsignal und dem Erwartungssignal eine Fehlfunktion des Filters detektiert wird.
Eine Erfassung der Signale kann beispielsweise als Spitzenwert oder als Effektivwert im Zeitbereich erfolgen.
Weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Filter der einleitend genannten Art derart zu konstruieren, dass eine verbesserte Funktionssicherheit erreicht wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass im Bereich eines Einganges des Filters ein Anschluss für ein Signal sowie im Bereich eines Ausganges des Filters eine Erfassung für ein Resultatsignal angeordnet sind und dass die Erfassung mit einer Auswertungseinheit für einen Vergleich des Resultatsignals mit einem Erwartungssignal verbunden ist und dass die Auswertungseinheit als ein Detektor ausgebildet ist, der bei einer Mindestabweichung zwischen dem Resultatsignal und dem Erwartungssignal eine Fehlfunktion des Filters signalisiert.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Anschluss als eine Einkopplung für ein Prüfsignal ausgebildet und die Erfassung dient als Auskopplung für ein Resultatsignal.
Durch die Möglichkeit zur Einkopplung eines Testsignals sowie zur Analyse eines Ausgangssignals des Filters als Antwort auf die Einkopplung des Testsignals ist es möglich, auf die korrekte Funktion des Filters rückzuschließen. Gemäß einer Ausführungsform ist es beispielsweise möglich, den Filter ein- und auszuschalten und Unterschiede des jeweiligen Ausgangssignales auszuwerten. Als Testsignale bzw. Anregungssignale können beispielsweise sinusförmige Signale, rechteckförmige Signale oder dreieckförmige Signalverläufe eingesetzt werden. Bei einer digitalen Generierung des Anregungssignals können auch andere geeignete und hinsichtlich der jeweiligen Filterfunktion optimierte Testsignale generiert werden.
Es ist aber auch daran gedacht, den Beobachter auf eine charakteristische Schaltfrequenz der Anlage einzustellen und somit auf die Einkopplung eines speziellen Testsignals zu verzichten. Der Erwartungswert ist aufgrund der bekannten Übertragungsfunktion des Filters bekannt und liegt bei einer ordnungsgemäßen Funktion des EMV-Filters deutlich unter dem entsprechenden Wert bei einer Fehlfunktion. Beispielsweise erfolgt bei einer ordnungsgemäßen Funktion eine Dämpfung um 10 db, dies entspricht einem Faktor von 3,16.
Eine bevorzugte Ausführungsform besteht darin, dass eine Funktionsprüfung eines EMV-Filters durchgeführt wird.
Bei der Funktionsprüfung eines EMV-Filters ist es zweckmäßig, bei der Einkopplung eines Funktionstestsignals die dem EMV-Filter zugeordnete Anlage nicht zu betreiben. Das vorstehend als alternative Betriebsweise erläuterte Verfahren ohne Einkopplung eines speziellen Testsignals ermöglicht hingegen den Test des Filters während eines üblichen Betriebes. Sowohl bei der Einkopplung eines Testsignals als auch bei einem Betrieb ohne Einkopplung eines Testsignals kann es vorteilhaft sein, die gesamte Anlage vom Leitungsnetz zu trennen und dann den Funktionstest durchzuführen.
Ebenfalls ist daran gedacht, dass eine Funktionsprüfung eines zweiphasigen Filters durchgeführt wird.
Gemäß einer anderen Ausführungsform ist es möglich, dass eine Funktionsprüfung eines dreiphasigen Filters durchgeführt wird. Hierbei sind sowohl Systeme mit als auch ohne Neutralleiter umfasst.
Eine Ausführungsvariante besteht darin, dass eine Funktionsprüfung eines Filters zur Unterdrückung von Gleichtaktstörungen durchgeführt wird.
Ebenfalls ist es möglich, dass eine Funktionsprüfung eines Filters zur Unterdrückung von Gegentaktstörungen durchgeführt wird.
Von besonderer Bedeutung ist die vorliegende Erfindung für den Fall, dass eine Funktionsprüfung eines aktiven Filters durchgeführt wird.
Eine typische Ausführungsform wird dadurch bereitgestellt, dass eine Funktionsprüfung eines Filters durchgeführt wird, der aus mindestens einem Sensor, mindestens einem Aktor sowie mindestens einem Verstärker besteht.
Eine galvanische Trennung wird dadurch erreicht, dass eine Einkopplung des Prüfsignals induktiv oder kapazitiv durchgeführt wird. Alternativ ist auch der Einsatz von Optokopplern möglich.
Ebenfalls trägt es zu einer galvanischen Trennung bei, dass eine Auskopplung des Resultatsignals induktiv oder kapazitiv durchgeführt wird.
In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Filters mit einer Einkopplung für ein Testsignal, einer Auskopplung für ein Resultatsignal sowie einer Auswertungseinheit,
2 eine gegenüber der Ausführungsform in 1 abgewandelte Ausführungsform mit kapazitiven Ein- und Auskopplungen des Funktionstestsignals für eine Gleichstromleitung,
3 eine erste Ausführungsform eines aktiven Filters mit induktiver Schaltung von Sensor und Aktor,
4 eine zweite Ausführungsform eines aktiven Filters mit kapazitiver Schaltung von Sensor und Aktor,
5 eine Filteranordnung zur Unterdrückung von Gleich- und Gegentaktsignalen,
6 ein Ausführungsbeispiel für einen dreiphasigen passiven Filter,
7 ein Störspektrum einer Anlage ohne Filterfunktion,
8 das Störspektrum der gleichen Anlage mit Filterfunktion.
Gemäß der Ausführungsform in 1 weist ein Filter (1) einen Eingang (2) sowie einen Ausgang (3) auf. Insbesondere ist daran gedacht, dass der Filter (1) als ein EMV-Filter ausgebildet ist. Im Bereich des Einganges (2) ist eine Einkopplung (4) angeordnet, dieses ermöglicht, dem Filter (1) ein Prüfsignal zuzuführen, das von einem Signalgenerator (5) bereitgestellt wird. Der Signalgenerator (5) ist mit einer Steuereinrichtung (6) gekoppelt.
Beim dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Steuereinrichtung (6) eine Auswertungseinheit (7) auf, der als Eingangssignal das Ausgangssignal einer Messeinrichtung (8) zugeführt wird. Es ist hierdurch möglich, die Funktion oder die Funktionsfähigkeit des Filters (1) zu ermitteln und diese Information einem übergeordneten System, beispielsweise einer CPU, über einen Datenbus mitzuteilen. Als Datenbus kann beispielsweise ein CAN-Bus (14) verwendet werden.
Die Messeinrichtung (8) ist über eine Auskopplung (9) mit dem Ausgang (3) des Filters (1) verbunden.
2 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform, bei der eine kapazitive Einkopplung und Auskopplung des Funktions-Prüfsignals realisiert ist. Die Anwendung bezieht sich auf einen Filter (1), der an Gleichstromleitungen angeschlossen ist. Es erfolgt ein Test hinsichtlich der Wirksamkeit einer Gleichtaktunterdrückung. Die Messung wird in Bezug auf ein metallisches Gehäuse durchgeführt.
3 zeigt ein Beispiel für einen aktiven Filter (1). Der Filter (1) besteht im wesentlichen aus einem Sensor (10), einem Aktor (11) sowie einem Verstärker (12). Der Verstärker ist hier als ein Operationsverstärker ausgeführt. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich um einen induktiven Sensor (10) und einen induktiven Aktor (11).
... Grundsätzlich können auch sowohl der Sensor (10) als auch der Aktor (11) kapazitiv ausgebildet sein oder gegenüber der Ausführungsform in 4 können die induktiven und die kapazitiven Eigenschaften der beiden Bauelemente gegeneinander vertauscht werden.
5 zeigt eine Ausführungsform für einen Filter, der Komponenten zur Unterdrückung von Gleich- und Gegentaktsignalen enthält. Derartige Signale werden auch als asymmetrische bzw. symmetrische Signale bezeichnet.
6 zeigt einen passiven Filter (1), der dreiphasig ausgebildet ist. Es sind sowohl symmetrische als auch asymmetrische Anteile vorhanden.
7 zeigt das EMV-Störspektrum einer Anlage ohne Verwendung einer Filterfunktion.
8 zeigt das betreffende EMV-Störspektrum der gleichen Anlage für den Fall der Implementierung einer Filterfunktion. Für dieses Ausführungsbeispiel ist eine Funktionsbewertung (13) für die Amplitude bei einer Frequenz von etwa 10 kHz gezeigt.

Claims

Verfahren zur Funktionsprüfung von elektrischen Filtern, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich eines Einganges (2) des Filters (1) ein Signal eingeleitet sowie im Bereich eines Ausganges (3) des Filters (1) ein Resultatsignal erfasst wird und bei dem das Resultatsignal von einer Auswertungseinheit (7) mit einem Erwartungssignal verglichen und bei einer Mindestabweichung zwischen dem Resultatsignal und dem Erwartungssignal eine Fehlfunktion des Filters (1) detektiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Funktionsprüfung eines EMV-Filters durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Funktionsprüfung eines zweiphasigen Filters (1) durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Funktionsprüfung eines dreiphasigen Filters (1) durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Funktionsprüfung eines Filters (1) zur Unterdrückung von Gleichtaktstörungen durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Funktionsprüfung eines Filters (1) zur Unterdrückung von Gegentaktstörungen durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Funktionsprüfung eines aktiven Filters durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Funktionsprüfung eines Filters (1) durchgeführt wird, der aus mindestens einem Sensor (10), mindestens einem Aktor (11) sowie mindestens einem Verstärker (12) besteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Prüfsignal im Bereich des Einganges (2) des Filters (1) eingekoppelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einkopplung des Prüfsignals induktiv oder kapazitiv durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auskopplung des Resultatsignals induktiv oder kapazitiv durchgeführt wird.
Filter mit Prüfeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich eines Einganges (2) des Filters (1) ein Anschluss für ein Signal sowie im Bereich eines Ausganges (3) des Filters (1) eine Erfassung für ein Resultatsignal angeordnet sind und bei der die Erfassung mit einer Auswertungseinheit (7) verbunden ist, die das Resultatsignal mit einem Erwartungssignal vergleicht und bei einer Mindestabweichung zwischen dem Resultatsignal und dem Erwartungssignal eine Fehlfunktion des Filters (1) detektiert.
Filter nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Fehlfunktion von der Auswertungseinheit (7) über einen Datenbus und/oder eine optische Anzeige signalisierbar ist.