DE19547969C1 - Elektrisches Filter - Google Patents

Elektrisches Filter

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Description

TECHNISCHES GEBIET
Bei der Erfindung wird ausgegangen von einem elektrischen Filter nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
STAND DER TECHNIK
Mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 nimmt die Erfindung auf einen Stand der Technik Bezug, wie er aus der deutschen Zeitschrift etz, Band 114 (1993), Heft 22, S. 1382-1385, bekannt ist. Dort sind zur Reduzierung des Oberschwingungsgehaltes in Drehstromnetzen abgestimmte Hochpaßfilter mit ohmscher Dämpfung angegeben, welche unempfindlich auf Toleranzen der Filter oder des Netzes reagieren. Durch die ohmsche Dämpfung läßt sich der Einfluß transienter Oberschwingungen, wie sie z. B. beim Einschalten von Transformatoren, rotierenden Maschinen oder Kondensatorbänken entstehen, verringern. Je stärker die ohmsche Dämpfung ist, d. h., je niedriger der ohmsche Widerstand parallel zur Induktivität eines Saugkreises ist, desto kleiner wird das Impedanzmaximum bei einer Parallelresonanz. Um die Verluste bei Netzfrequenz zu minimieren, kann das Filter einen Sperrkreis parallel zum Dämpfungswiderstand aufweisen. Nähere Angaben zur Dimensionierung der ohmschen Dämpfung fehlen.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung, wie sie im Patentanspruch 1 definiert ist, löst die Aufgabe, ein elektrisches Filter der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, daß Filter-Anregungen von Subharmonischen oder Zwischenharmonischen, d. h., von Schwingungen im Frequenzbereich zwischen ganzzahligen Harmonischen der Netzfrequenz, vermieden werden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen definiert.
Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß bei einem Vorhandensein einer anregenden Stromquelle, z. B. eines Lichtbogenofens mit etwa gleicher Frequenz wie diejenige einer unerwünschten Zwischenharmonischen, die resultierende Verstärkung durch das Filter so gering ist, daß eine Rückkopplung auf einen Stromregelkreis für eine derartige Stromquelle innerhalb tolerierbarer Grenzen bleibt. Eine Netzspannungsverzerrung an einer Spannungsschiene, an welche das Filter angeschlossen ist, kann innerhalb von Grenzwerten gehalten werden, die von Stromversorgungsunternehmen vorgegeben sind.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbei­ spielen erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein Wechselstromnetz mit elektrischen Filtern und einem über einen Gleichrichter angeschlossenen Gleichstromlichtbogenofen,
Fig. 2 ein typisches Stromspektrum für einen Gleichstrombetrieb des Gleichrichters gemäß Fig. 1,
Fig. 3 ein typisches Stromspektrum für einen Wechselstrombetrieb eines Wechselstromlichtbogenofens,
Fig. 4 ein Impedanzdiagramm für ein Wechselstromnetz gemäß Fig. 1 und
Fig. 5 ein Diagramm, das den Einfluß 2-er verschiedener Dämpfungswiderstände auf die Verstärkung des Netzstromes durch die Impedanz der Filter zeigt.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
In den Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Fig. 1 zeigt einen Gleichstromlichtbogenofen (5) mit einer Kathode bzw. Gleichstromelektrode (4), welche von einem Stromrichter bzw. Gleichrichter (3) mit einem Gleichstrom gespeist wird. Der Gleichrichter (3) ist wechselstromseitig an ein 3-phasiges Wechselstromnetz (1) mit einer Netzfrequenz (fN) von 50 Hz (oder 60 Hz) und einer Mittelspannung im Bereich von 10 kV-50 kV, z. B. von 33 kV, angeschlossen. Dieses Wechselstromnetz (1) ist über eine Anschlußleitung (2) an ein nicht dargestelltes übergeordnetes Wechselspannungsnetz mit einer Hochspannung im Bereich von 110 kV-230 kV angeschlossen.
Durch den Gleichrichter (3) werden im Betrieb störende Oberschwingungen erregt, insbesondere der Ordnungen n = k·p ± 1, mit p = Pulsigkeit des Gleichrichters (3) und k = 1, 2, 3, . . . ganzzahlig. Der Gleichstromlichtbogenofen (5) ist dauernd in einem transienten Betriebszustand, den der Gleichrichter (3) durch einen quasistabilen Betrieb vom Wechselstromnetz (1) weitgehend fernzuhalten versucht. Mögliche Anregungen vom Wechselstromnetz (1) stören diesen Betriebszustand, indem sie ein Aufschaukeln von Zwischenharmonischen zwischen diesen Oberschwingungen verursachen und zu einem unzulässigen Netzflicker führen können. Elektrische Filter (F1-F3) verhindern dieses Aufschaukeln und vermeiden damit einen unzulässigen Netzflicker.
In Fig. 2 sind auf der Ordinate das Verhältnis von Oberschwingungsstrom (In) der Ordnung (n) zum Strom (I₁) bei der Grundfrequenz bzw. Netzfrequenz (fN) und auf der Abszisse die Frequenz (f) für einen 6-pulsigen Gleichrichter (3) und ohne Filter (F1-F3) aufgetragen. Man erkennt, daß die charakteristischen Oberschwingungen der 3., 7., 11., 13., 17., und 19. Ordnung des Stromrichters (3) besonders große Amplituden liefern.
Um netzseitige Anregungen von Zwischenharmonischen weitgehend auszuschalten, werden elektrische Filter (F1-F3) an das Wechselstromnetz (1) angeschlossen. Ein Tiefpaß-Doppelfilter (F1) erzeugt mit der Induktivität des Wechselstromnetzes (1) eine Parallelresonanz bei einer Frequenz (f1), vgl. Fig. 4, die kein ganzzahliges Vielfaches der Netzfrequenz (fN) ist. Alle Frequenzpolstellen eines Filters (F1-F3) müssen so gedämpft sein, daß bei Vorhandensein einer diese Polstellen anregenden Stromquelle, wie z. B. eines Gleichrichters (3) und/oder eines Gleichstromlichtbogenofens (5), die resultierende Verstärkung so gering ist, daß keine negativen Folgen auf die Rückkopplung von Stromregelkreisen für den Gleichrichter (3) auftreten können. Eine resultierende Verstärkung durch ein Filter (F1-F3) darf nicht zu einer unzulässigen Netzspannungsverzerrung an dem Wechselstromnetz (1) führen, deren Grenzwert von Netzspannungsbetreibern vorgegeben wird. Diese Stromverstärkung der Zwischenharmonischen im Netzstrom (Ih) soll nicht größer als 6-fach sein, vorzugsweise im Bereich von 3- bis 5-fach liegen.
Üblicherweise führt die Pol stelle bei der niedrigsten Frequenz (f1) zur Anregung eines Netzflickers, so daß vor allem die Dämpfung dieser Polstelle wichtig ist. Die Dämpfung geschieht durch einen Dämpfungswiderstand (R1), der üblicherweise für Verlustleistungen im Bereich von einigen Kilowatt - 100 kW ausgelegt ist.
Das Tiefpaß-Doppelfilter (F1) besteht aus 2 in Reihe geschalteten 1. und 2. Filtern. Das 1. dieser 2 Filter besteht aus einer 1. Filterdrossel (L1) in Reihenschaltung mit einem 1. Filterkondensator (C1), zu welcher Reihenschaltung der Dämpfungswiderstand (R1) parallelgeschaltet ist; es ist auf die Netzfrequenz (fN) abgestimmt. Das 2. dieser 2 Filter besteht aus einer 2. Filterdrossel (L11) in Reihenschaltung mit 2 untereinander parallelgeschalteten 2. und 3. Stromrichterkondensatoren (C11, C11′); es ist auf eine 2. vorgebbare Frequenz (f₂) abgestimmt, bei welcher die Filterimpedanz (Z) ein Minimum aufweist. Diese Frequenz (f₂) muß keine Harmonische der Netzfrequenz (fN) sein. Mit (RL1) und (RL11) sind ohmsche Widerstände der 1. und 2. Filterdrossel (L1) bzw. (L11) bezeichnet.
Ein an das Wechselstromnetz (1) angeschlossenes 2. Tiefpaß-Doppelfilter (F2) ist schaltungsmäßig gleich aufgebaut wie das Tiefpaß-Doppelfilter (F1), aber zur Dämpfung etwa der 5. Oberschwingung (OS) ausgelegt.
Ein an das Wechselstromnetz (1) angeschlossenes Hochpaßfilter (F3) mit 2 Dämpfungswiderständen (R3, R3′) dient zur Dämpfung etwa der 7. Oberschwingung. Es weist eine 1. Kondensatorreihenschaltung mit 1. und 2. Filterkondensatoren (C31, C32) und eine dazu parallelgeschaltete 2. Kondensatorreihenschaltung mit 3. und 4. Filterkondensatoren (C31′, C32′) auf, zu welcher Parallelschaltung eine Filterdrossel (L3) in Reihe geschaltet ist. In einer Parallelschaltung zu der Reihenschaltung aus Filterdrossel (L3) und dem 1. Filterkondensator (C31) dieser 1. Kondensatorreihenschaltung ist ein Dämpfungswiderstand (R3) geschaltet. In einer weiteren Parallelschaltung zu der Reihenschaltung aus Filterdrossel (L3) und dem 1. Filterkondensator (C31′) dieser 2. Kondensatorreihenschaltung ist ein Dämpfungswiderstand (R3′) geschaltet. Mit (RL3) ist der ohmsche Widerstand der Filterdrossel (L3) bezeichnet. Mit diesem Hochpaßfilter (F3) läßt sich die Verlustleistung in den Dämpfungswiderständen (R3, R3′) erheblich reduzieren gegenüber sonst üblichen Filtern mit nur einem Dämpfungswiderstand.
Es versteht sich, daß alle Filter (F1-F3) vom gleichen Typ (F1, F2) oder (F3) sein können.
Ein Netzstrom (IhN) der Harmonischen mit der charakteristischen Frequenz des Gleichrichters (3) setzt sich zusammen aus einem Gleichrichterstrom (Izh) von Zwischenharmonischen, die vom Lichtbogenofen (5) herrühren, und von Harmonischen (Ih) mit der charakteristischen Frequenz des Gleichrichters (3), ohne Einfluß der Impedanz der Filter (F1-F3), vermindert um einen Filterstrom (IhF).
Fig. 3 zeigt ein typisches Spektrum eines nichtdargestellten Wechselstromlichtbogenofens, ohne Filter (F1-F3) und ohne Gleichrichter (3), gemäß Fig. 1. Die Ordinaten- und Abszissenbezeichnungen stimmen mit denen der Fig. 2 überein. Hierbei werden die Oberschwingungen in einem kontinuierlichen Spektrum generiert, verursacht durch das unstabile Betriebsverhalten seiner 3 Lichtbögen. Die ganzzahligen Harmonischen weisen ausgeprägte Spitzenwerte auf, die von lückenlosen Seitenbändern kleinerer Amplituden begleitet werden. Auch Subharmonische kommen vor. Zur Dämpfung eignen sich hier ebenfalls Filter vom Typ (F1, F2) und (F3), gemäß Fig. 1, mit Polstellen (f1) jeweils zwischen 2 ganzzahligen Oberschwingungen.
Fig. 4 zeigt ein Frequenz-Impedanzdiagramm unter Verwendung eines Hochpaßfilters (F3) mit einer Abstimmung im Bereich zwischen der 3. und 4. Oberschwingung in einer Schaltung gemäß Fig. 1. Dabei sind auf der Ordinate die Impedanz (Z) in Ω und auf der Abszisse die Frequenz (f) in Vielfachen der Netzfrequenz (fN) in Hz angegeben. Eine Gerade (6) kennzeichnet die Systemimpedanz ohne Filter (F1-F3). Eine strichpunktierte Kurve mit einer Kennziffer (7) bezeichnet den Impedanzverlauf einer Filteranlage gemäß Fig. 1 unter Verwendung des Hochpaßfilters (F3), abgestimmt für einen Bereich zwischen der 3. und 4. Oberschwingung. Eine ausgezogen dargestellte Kurve (8) zeigt den Impedanzverlauf einer Filteranlage gemäß Fig. 1 unter Verwendung eines Hochpaßfilters (F3) mit einem Dämpfungswiderstand R3 = R3′ = 180 Ω und die gestrichelte Kurve (9) einen Impedanzverlauf mit einem Dämpfungswiderstand R3 = R3′ = 30 Ω. Das beispielhafte Hochpaßfilter (F3) bildet mit der induktiven Netzimpedanz eine niedrigste Frequenzpolstelle (f1) bei 2,7·fN Hz; seine Abstimmfrequenz (f2) liegt bei 3,8·fN Hz.
Fig. 5 zeigt eine Stromverstärkung durch die Impedanz (Z) der Filteranlage gemäß Fig. 1 unter Verwendung des Hochpaßfilters (F3), entsprechend Fig. 4, wobei auf der Ordinate das Verhältnis von Netzstrom (IhN) zu der mit der Frequenz (f1) der Polstelle eingespeisten Zwischenharmonischen mit der charakteristischen Frequenz des Gleichrichterstromes (Izh) unter Berücksichtigung des Einflusses der Impedanz der Filteranlage (F1-F3) aufgetragen ist. Die Abszissenwerte stimmen mit denjenigen von Fig. 4 überein. Eine ausgezogen dargestellte Kurve (10) zeigt die Verstärkung mit einem Dämpfungswiderstand R3 = R3′ = 180 Ω und die gestrichelte Kurve (11) einen Verstärkungsverlauf mit einem Dämpfungswiderstand R3 = R3′ = 30 Ω. Während die Kurve (10) an der niedrigsten Frequenzpolstelle (f 1) bei 2,7·fN Hz eine unerwünschte Verstärkung von 9 aufweist, erreicht man mit dem Widerstand R3 = R3′ = 30 Ω eine Verstärkung von 5,5, vgl. Kurve (11).
Wichtig ist, daß der Dämpfungswiderstand (R1, R3, R3′) in den Filtern (F1-F3) so bemessen wird, daß die Verstärkung an allen Frequenzpolstellen < 6 ist, wobei die niedrigste Frequenzpolstelle (f1) die wichtigste ist. Dabei können auch andere als in Fig. 1 angegebene Filter (F1-F3) mit einem Dämpfungswiderstand verwendet werden.
Bezugszeichenliste
1 Spannungsschiene, Wechselstromnetz
2 Anschlußleitung zu einem übergeordneten Wechselstromnetz
3 Stromrichter, Gleichrichter
4 Gleichstromelektrode
5 Gleichstromlichtbogenofen
6 induktive Netzimpedanz (Systemimpedanz ohne Filter F1-F3)
7 Impedanz der Filteranlage F1-F3
8 Systemimpedanz mit R3 = R3′ = 180 Ω
9 Systemimpedanz mit Filteranlage F1-F3 mit R3 = R3′ = 30 Ω
10 Verstärkung des Netzstromes IhN unter Berücksichti­ gung einer Filteranlage mit üblicher Dämpfung
11 Verstärkung des Netzstromes IhN unter Berücksichti­ gung einer Filteranlage mit optimierter Dämpfung
C1, C11, C11′, C31, C31′, C32, C32′ Filterkondensatoren
f Frequenz
fN Netzfrequenz
f₁ Frequenz der niedrigsten Frequenzpolstelle des Filters niedrigster Ordnung
f₂ Abstimmfrequenzen der Filter F1-F3
F1, F2 elektrische Filter, Tiefpaß-Doppelfilter
F3 Hochpaßfilter
Ih vom Gleichrichter erzeugter harmonischer Strom mit Ordnungszahlen, die Vielfache der Netzfrequenz sind
IhF harmonischer Filterstrom
IhN Netzstrom
In Oberschwingungsstrom der Ordnung n
Izh Oberschwingungsstrom von Zwischenharmonischen
I₁ Strom bei der Grundfrequenz bzw. Netzfrequenz
L1, L11, L3 induktive Widerstände, Filterdrosseln
OS Oberschwingung
RL1, RL11, RL3 ohmsche Widerstände der Filterdrosseln
R1, R3, R3′ Kompensations-Dämpfungswiderstände
Z Impedanz

Claims (6)

1. Elektrisches Filter zur Dämpfung elektrischer Schwingungen
  • a) mit mindestens einer 1. Parallelschaltung von mindestens einem 1. ohmschen Dämpfungswiderstand (R1, R3, R3′)
  • b) parallel zu einer 1. Reihenschaltung, welche mindestens eine 1. Filterdrossel (L1, L3) in Reihe zu
  • c) mindestens einem 1. Filterkondensator (C1, C31, C31′) aufweist,
dadurch gekennzeichnet,
  • e) daß der Widerstandswert des 1. Dämpfungswiderstandes (R1, R3, R3′) so bemessen ist, daß eine Stromverstärkung durch das Filter in seiner von ihm verursachten untersten Frequenzpolstelle (f₁) im Bereich von 3-fach-5-fach liegt, und
  • f) daß die Frequenz (f1) der untersten Frequenzpolstelle kein ganzzahliges Vielfaches der Netzfrequenz (fN) eines Wechselstromnetzes (1) ist, das mit dem Filter (F1-F3) in Wirkverbindung steht.
2. Elektrisches Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elektrische Filter ein Tiefpaß-Doppelfilter (F1, F2) ist.
3. Elektrisches Filter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Tiefpaß-Doppelfilter (F1) in Reihenschaltung zu der 1. Parallelschaltung eine 2. Filterdrossel (L11) in Reihe zu mindestens einem 2. Filterkondensator (C11, C11′) aufweist.
4. Elektrisches Filter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
  • a) daß eine 2. Parallelschaltung von mindestens einem 2. ohmschen Dämpfungswiderstand (R3′)
  • b) parallel zu einer 2. Reihenschaltung vorgesehen ist, welche mindestens die 1. Filterdrossel (L3) in Reihe zu
  • c) mindestens einem 3. Filterkondensator (C31′) aufweist.
5. Elektrisches Filter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
  • a) daß der 3. Filterkondensator (C31′) mit einem 4. Filterkondensator (C32′) in Reihe geschaltet ist,
  • b) daß der 1. Filterkondensator (C31) mit einem 5. Filterkondensator (C32) in Reihe geschaltet ist und
  • c) daß der 4. und 5. Filterkondensator (C32′, C32) miteinander in Wirkverbindung stehen.
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