DE19713449C2 - Funkentstörfilter - Google Patents
FunkentstörfilterInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Dämpfung bzw. Unterdrückung von
Störgrößen, insbesondere Funkstörungen, die die Funktion von elektrischen
Einrichtungen und deren elektromagnetische Umgebung in unbeabsichtigter Weise
belasten, und insbesondere ein aktives Leistungsfilter zur Entstörung von
elektrischen Leitungen, auf denen hochfrequente Störungen vorliegen.
Die Einhaltung der EMV (elektromagnetische Verträglichkeit) wird bei modernen
elektrischen Geräten durch die ständig wachsende Anwendung von elektrischen
und elektronischen Elementen bei immer kleinerer Dimensionierung ein
zunehmend kritisches Problem. Ist die EMV z. B. in einer Automationsanlage nicht
gewährleistet, so kann sich das insbesondere im zufälligen Auftreten
vorübergehender Funktionsstörungen mit den damit verbundenen ökonomischen
und sicherheitstechnischen Konsequenzen, in der unmittelbaren elektrischen
Zerstörung von Bauelementen und Geräten, und nicht zuletzt in einer Gefährdung
des Anlagepersonals äußern.
Insbesondere im Bereich der Funkentstörmeßtechnik, die Frequenzen von etwa 10
kHz bis hinauf zu einigen hundert MHz erfaßt, sind strenge Normen und
Gesetzesauflagen einzuhalten, die die Maximalwerte der Störspannungen bzw. des
Rauschens in verschiedenen Klassen und bestimmten Frequenzbereichen
festlegen. Elektrische Geräte, die elektromagnetische Störfelder aussenden,
müssen u. a. den Normen EN 55 011 und EN 55 022 genügen.
Aus der JP 62-154912 A ist ein aktives Funkentstörfilter zur Dämpfung der
elektromagnetischen Störgrößen einer elektrischen Einrichtung auf Versorgungs
potentialleitern bekannt. Eine auf der Leitung vorhandene Störgröße wird dadurch
gedämpft, daß zunächst mit einer Störsignal-Erfassungseinheit ein der Störgröße
entsprechendes Referenzsignal erzeugt wird. Dieses Signal wird dann in einem
Operationsverstärker aufbereitet, d. h., verstärkt, invertiert und impedanzgewandelt.
Daraus entsteht ein Entstörsignal, das im Idealfall in Pegel und Bandbreite dem zu
bedämpfenden Signal entspricht, jedoch letzterem entgegengesetzt gerichtet ist,
und das in einer nachgeordneten Gegenkopplungseinheit auf dem Versorgungs
potentialleiter eingekoppelt wird, um das Störsignal zu dämpfen. Dieses Filter ist
jedoch nicht für Hochleistungsanwendungen geeignet, da insbesondere bei
höheren Frequenzen und Spannungen negative Rückwirkungen auf die
Ausgangsstufe des Operationsverstärkers auftreten werden.
Ein weiteres gattungsgemäßes Funkentstörfilter ist in der DE 44 06 691 A1
beschrieben, das zur Siebung von Wechselspannungsstörungen auf Versorgungs
potentialleitern dient. Der Anwendungsbereich dieses Filters ist jedoch auf
Gleichspannungsnetzwerke beschränkt.
Auch aus der WO 89/06879 A1 ist eine aktive Filteranordnung bekannt, die zum
Filtern harmonischer Stromkomponenten dient, die von einem nicht linearen
Verbraucher erzeugt wurden, der an ein Wechselspannungsnetz angeschlossen
ist. Dieses Filter ist in der Praxis jedoch für die Dämpfung von Störsignalen einer
elektrischen Wechselstromlast, mit Frequenzen von einigen Megahertz und in
einem Leistungsbereich von bis zu einem Megawatt, ungeeignet.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Funkentstörfilter zu
schaffen, das im wesentlichen den gesamten Störphasengang der Störsignale einer
elektrischen Einrichtung, insbesondere in einem Bereich zwischen 9 und 30 MHz
und in einem Leistungsbereich von bis zu 1000 Ampere und bis zu 440 Volt,
dämpfen kann.
Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden
Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale. Zweckmäßige Ausgestaltungen der
Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Filterwirkung des erfindungsgemäßen Funkentstörfilters beruht auf der
Dämpfung der leitungsgeführten Störgrößen mittels eines Regelkreises mit aktiven
Elementen zur Erzeugung eines den Störgrößen phasenverkehrten Entstörsignals,
welches den Störgrößen gegengekoppelt wird und diese wenigstens größtenteils
kompensiert.
Vorzugsweise enthält der Regelkreis eine Störsignal-Erfassungseinheit, die in der
Arbeitsbandbreite des Filters, z. B. zwischen 9 und 30 kHz, kontinuierlich
Störspannungspegel erfaßt, die oberhalb eines bestimmten oberen Grenzwertes
liegen. Mit der erfindungsgemäßen Störsignal-Erfassungseinheit können
bestimmte, der Netzspannung überlagerte hochfrequente Störpegel ausgesiebt
bzw. zur weiteren Verarbeitung abgezweigt werden. Treten solche Störpegel auf,
dann wird ein den Störsignalen vorzugsweise in Größe und Bandbreite
entsprechendes Referenzsignal von der leistungsführenden Hauptleitung
abgezweigt und einer Verarbeitungseinheit zugeführt. Die Empfindlichkeit des
Regelkreises ist dabei vorzugsweise, wie oben erwähnt, an der Störsignal-
Erfassungseinheit oder an einer anderen Funktionseinheit, wie z. B. der
Verarbeitungseinheit einstellbar. Die erfindungsgemäße Störsignal-
Erfassungseinheit kann z. B. in ihrer Empfindlichkeit auf verschiedene
Dämpfungsklassen entsprechend der geltenden Vorschriften eingestellt, und die
Dämpfung auch neuen strengeren Anforderungen angepaßt werden. Die
Störsignal-Erfassungseinrichtung umfaßt einen Stromdifferenztransformator, wobei
die Einstellung der Empfindlichkeit z. B. an regelbaren Schaltreiselementen
(Drehkondensator, regelbarer Transformator Potentiometer ...) vorgenommen
werden kann.
Die Ausgangssignale der Störsignal-Erfassungseinheit werden dann in der
nachfolgenden Verarbeitungseinheit vorzugsweise gefiltert und verstärkt, um damit
ein deutliches, dem Störsignal entsprechendes Referenzsignal zu erzeugen. Die
Verarbeitungseinheit umfaßt z. B. aktive Schaltelemente (Operationsverstärker) und
geeignete Filter (Hochpaß).
Das von der Verarbeitungseinheit stammende Signal dient schließlich als
Eingangssignal einer Gegenkopplungseinheit zur Erzeugung eines Entstörsignals
(Entstörspannung) auf dem betreffenden leistungsführenden Leiter. Die
Gegenkopplungseinheit umfaßt einen Stromausgangstransformator. Das
Entstörsignal entspricht im günstigsten Fall im Pegel und in der Bandbreite dem zu
bedämpfenden Störsignal, mit dem Unterschied, daß dessen Phasenlage um eine
halbe Wellenlänge verschoben ist. Die gegengekoppelte Überlagerung bzw. die
vektorielle Addition beider Signale ergibt dann idealerweise "0", wodurch die
aufgetretene Störspannung kompensiert wird.
Vorzugsweise ist die Regelschaltung auf Echtzeitverarbeitung ausgelegt, so daß in
"Echtzeit" Störsignale erfaßt, verarbeitet und entsprechende Entstörsignale erzeugt
werden können und zu keinem Zeitpunkt bestehende EMV-Grenzwerte
überschritten werden. Die Dämpfung bzw. Unterdrückung der elektromagnetischen
Störgrößen ist dabei vorzugsweise über einen Frequenzbereich von 9 bis 30 MHz
möglich.
Eine ständige Überwachung der Funkstörgrößen ist nicht erforderlich, wenn das
Funkemissionsspektrum der elektrischen Einrichtung bei verschiedenen
Betriebszuständen bekannt ist. Diese Daten könnten z. B. in einem Speicher der
Verarbeitungseinheit gespeichert sein und automatisch abgerufen werden, wenn
ein bestimmter Betriebszustand der elektrischen Einrichtung eingestellt ist oder
geändert wird. Die entsprechenden Entstörsignale können z. B. mit herkömmlichen
Störspannungsgeneratoren erzeugt werden. Auf diese Weise kann das Eigen- bzw.
Grundrauschen der elektrischen Einrichtung ständig gedämpft werden.
Die Filterwirkung, insbesondere zur Funkentstörung, ist für einen EMV-
Leistungsbereich für bis zu 1.000 Ampere bei bis zu 380/440 Volt ausgelegt. Das
erfindungsgemäße Funkentstörfilter hat den Vorteil, daß es universell für
verschiedenste elektrische Einrichtungen einsetzbar ist. Die Filter werden daher
nur noch nach dem EMV-Leistungsbereich, also nach Nennstrom und
Nennspannung unterschieden und ausgewählt.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Fig. 1 bis 5 beispielhaft erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 die erfindungsgemäße Regelschaltung des Funkentstörfilters in
schematischer Darstellung.
Fig. 2 eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Funkentstörfilters
Fig. 3 eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Funkentstörfilters
Fig. 4 eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Funkentstörfilters
Fig. 5 eine vierte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Funkentstörfilters
In Fig. 1 ist eine Störsignal-Erfassungseinheit 1 als Funktionsblock dargestellt, die
auf dem leistungsführenden elektrischen Leiter 2 auftretende Störsignalpegel 3
kontinuierlich erfaßt. Die Störsignal-Erfassungseinheit reagiert in Abhängigkeit von
deren Auslegung bzw. Einstellung nur auf Pegel oberhalb eines bestimmten
Grenzwerts. Treten solche Pegel auf, dann wird das entsprechende Störsignal von
der leistungsführenden Hauptleitung (Leiter L2) abgezweigt und einer
Verarbeitungseinheit 4 zugeführt, in der das Referenzsignal IS verstärkt wird.
Daraufhin wird von der Gegenkopplungseinheit 5 auf dem Leiter 2 ein Entstörsignal
(Entstörspannung) gegengekoppelt, das im Pegel und in der Bandbreite dem zu
bedämpfenden Störsignal entspricht, jedoch dem Störsignal entgegengesetzt
gerichtet ist und letzteres wenigstens teilweise kompensiert. Die
entgegengekoppelte Überlagerung bzw. die vektorielle Addition beider Signale
ergibt dann idealerweise "0" und die auftretende Störgröße ist kompensiert.
In einer ersten konkreten Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Funkentstörfilters nach Fig. 2 entsteht bei Betrieb einer Last L ein niederfrequenter
NF-Netzlaststrom (IR ± jIX) und ein hochfrequenter Störstrom IHF. Das Ersatzschaltbild
der zwischen die Versorgungspotentialleiter geschalteten Last zeigt eine Reallast R
und eine Scheinlast jX. Die HF-Störungsquelle ist durch die Stromquelle IHF
dargestellt. Der Störstrom IHF teilt sich in Abhängigkeit von den parallel zum
Netzeingang geschalteten Kondensatoren C1 und C2 in zwei ungleiche Ströme IHF1
und IHF2 auf. Diese ungleichen HF-Ströme fließen durch die symmetrischen
Primärwicklungen N1a und N1b eines Stromdifferenztransformators TRFI und
induzieren den HF-Sekundärstrom (Referenzstrom) IS. Der Stromdifferenz
transformator TRFI entspricht in seiner Funktion der oben genannten Störsignal-
Erfassungseinheit SE. Durch die Symmetrie der Wicklungen N1a und N1b wird die
Induktion eines HF-Sekundärstroms IS aufgrund des NF-Netzlaststroms (IR ± jIX)
ausgeglichen, so daß der HF-Sekundärstrom IS lediglich proportional zum HF-
Störstrom IHF ist. Der so induzierte Referenzstrom IS dient als Eingangssignal der
nachfolgenden Verarbeitungseinheit VE, bestehend aus einem Widerstand RS,
einem Hochpaß und einem invertierenden Operationsverstärker mit
Verstärkungsfaktor -G. Der Strom IS wird über den Widerstand RS in eine
Steuerspannung umgewandelt, deren niederfrequente Anteile mittels eines
Hochpasses ausgefiltert werden. Die gefilterte Steuerspannung wird schließlich
durch den Operationsverstärker V auf einen Ausgangsstrom IG verstärkt. Der
Ausgangsstrom IG steuert die Wicklung N3 eines Stromausgangstransformators
TRFA, dessen Sekundärwicklungen N4a und N4b symmetrisch aufgebaut und in
Gegenreihe geschaltet sind, um den Rückeinfluß der Netzfrequenz auf die
Ausgangsstufe des Verstärkers V zu vermeiden. Die oben genannte
Gegenkopplungseinheit wird hier durch den Stromausgangstransformator TRFA
dargestellt, wobei der in der Wicklung N4a induzierte Kompensationsstrom I3 den
Störstrom IHF gößtenteils kompensiert. Der Kompensationsstrom I3 fließt in einer
Masche über die Last C3, C4 und Masse ab. Der aufgrund der Wicklungssymmetrie
gleich große Strom I4 schließt sich über C4 ab. Der Siebfaktor k ist umgekehrt
proportional zur Verstärkung G. Vorzugsweise ist die Verstärkung G möglichst hoch
- etwa bei 100 - so daß ein Siebfaktor k von ca. 0,01 erreicht wird. Die
Versorgungspotentialleiter L1, L2 der Wechselspannungsquelle (Netz) führen
schließlich nur noch einen Bruchteil, nämlich das k-fache des ursprünglichen
Störstroms IHF.
Die Funktion eines zweiten Ausführungsbeispiels in Fig. 3 ist ähnlich der des
Ausführungsbeispiels in Fig. 2. Ein Anteil IHF1, des HF-Störstroms IHF wird über die
zum Eingang parallel geschaltete Kapazität C1 abgeleitet und schließt sich über
die Primärwicklung N1 des Stromdifferenztransformators TRFI, C1 und die Last ab.
Die Sekundärwicklungen N2a und N2b des Stromdifferenztransformators TRFI sind in
Gleichrichtung geschaltet und mit Widerständen R1a und R1b beschaltet, um die
NF-Netzfrequenzinduktion zu unterdrücken, wobei das Mittenpotential auf Masse
gelegt ist. Bei gleich großen Widerständen R1a, R1b wird die Induktion durch den
Netzstrom (IR ± jIX) unterdrückt. Die gleich großen induzierten Sekundärströme ISa
und ISb fließen durch unterschiedliche HF-Schleifen in Richtung der in Fig. 3
angegebenen Pfeile. Der HF-Stromunterschied wird mittels eines invertierenden
Addier-Verstärkers mit Verstärkungsfaktor G auf eine Ausgangsspannung verstärkt,
wobei G << 1 ist. Der hierfür maßgebliche Gegenkopplungswiderstand R2 beträgt
ein G-faches von R1a und R1b, also ein G-faches von 50 Ω. Der Strom IG am
Verstärkerausgang steuert die Wicklung N3 eines Stromausgangstransformators
TRFA. Der Kondensator C4 bildet für den induzierten Sekundärstrom I4 einen
Hochpaß. Der induzierte Sekundärstrom I4 schließt sich über die Wicklung N4b und
über den Kondensator C4 ab, und der induzierte Sekundärstrom 13 schließt sich
über die Wicklung N4a den Kondensator C3 und die Last ab. Als
Gegenkopplungseinheit ist wiederum der aus Fig. 1 bekannte
Stromausgangstransformator TRFA eingesetzt, der sekundärseitig eine der
hochfrequenten Störspannung entsprechende, invertierte Entstörspannung bzw.
den Entstörstrom induziert und gegenkoppelt.
Die Schaltung einer dritten Ausführungsform (Fig. 4) des erfindungsgemäßen
Funkentstörfilters entspricht etwa der in Fig. 2, mit einem
Stromdifferenztransformator TRFI als Stromerfassungseinheit, mit dem ein HF-
Sekundärstrom IS als Referenzstrom zum Störstrom IHF erzeugt wird, um nach
weiterer Verarbeitung auf den Versorgungspotentialleiter (L1, L2) gegengekoppelt
zu werden. Der Störstrom IHF teilt sich an den beiden parallel zum Eingang
geschalteten Kapazitäten C1 und C2 in zwei ungleiche HF-Ströme IHF1 und IHF2 auf.
Diese ungleichen HF-Ströme fließen durch die symmetrischen Primärwicklungen
N1a und N1b des Stromdifferenztransformators TRFI und induzieren den HF-
Sekundärstrom IS. Eine Induktion des NF-Netzlaststroms (IR ± jIX) wird durch die
Symmetrie der in Gegenreihe geschalteten Wicklungen N1a und N1b ausgeglichen.
Der Strom IS wird, wie oben bezüglich der Fig. 2 beschrieben ist, mittels der
Verarbeitungseinheit, bestehend aus einem Widerstand RS einem Hochpaß (HI.
Pass) und einem invertierenden Operationsverstärker auf einen Ausgangsstrom IG
verstärkt. Der Verstärkungsfaktor ist dabei als -G gegeben. Der
Verstärkerausgangsstrom IG steuert die symmetrischen Primärwicklungen N3a und
N3b eines Stromausgangstransformators TRFA. In diesem Ausführungsbeispiel
weist der Stromausgangstransformator TRFA zwei Primärwicklungen N3a, und N3b
und eine Sekundärwicklung N4 auf. Den Primärwicklungen N3a und N3b sind gleiche
Widerstände RT vorgeschaltet. Durch diese Auslegung und Beschaltung wird
sichergestellt, daß keine Induktionseinflüsse des NF-Netzlaststroms (IR ± jIX) auf den
Verstärkerausgang rückwirken. Der auf dem Versorgungspotentialleiter induzierte
Kompensationsstrom I3 (Entstörstrom) schließt sich über die Kapazität C3, die Last
und die Sekundärwicklung N4 ab. Aufgrund der Gegenkopplung führen die
Versorgungspotentialleiter L1 und L2 nur noch das k-fache des ursprünglichen HF-
Störstroms IHF.
Die Schaltung des erfindungsgemäßen Funkentstörfilters nach einem vierten
Ausführungsbeispiel (Fig. 5) entspricht der Schaltung in Fig. 3, wobei der
Stromausgangstransformator TRFA der Fig. 4 Verwendung findet. Auf dem mit
einem Störsignal belasteten Versorgungspotentialleiter L2 wird in bekannter Weise
ein hochfrequenter Störstromanteil IHF erfaßt und hochfrequente Sekundärströme Isa
und Isb zur weiteren Verarbeitung und Gegenkopplung abgezweigt. Diese HF-
Sekundärströme werden wiederum mittels einem invertierenden Addierverstärker
mit Verstärkungsfaktor -G auf einen Ausgangsstrom IG verstärkt. Dieser
Verstärkerausgangsstrom IG steuert dann die Primärwicklungen N3a und N3b des
Stromausgangstransformators TRFA, wie in Fig. 4. In der Sekundärwicklung N4 wird
schließlich wieder der Kompensationsstrom I3 induziert und auf den
Versorgungspotentialleiter L1 gegengekoppelt. Dadurch tritt auf den
Versorgungspotentialleitern L1, L2 lediglich ein um den Siebfaktor k, mit k << 1,
verkleinerter Störstrom IHF auf, so daß bestehende EMV-Richtlinien eingehalten
werden können.
Claims (14)
1. Funkentstörfilter zur Dämpfung von HF-Störsignalen (3; IHF) einer elektrischen
Einrichtung auf Versorgungspotentialleitern (2; L1, L2) in einem Wechselstrom
netzwerk, mit einer Störsignal-Erfassungseinheit (1; SE) zur Erzeugung eines dem
HF-Störsignal (3; IHF) entsprechenden Referenzsignals (IS), einer
Verarbeitungseinheit (4; VE) zur Aufbereitung (Verstärkung, Filterung) des
Referenzsignals (Is) für eine nachgeordnete Gegenkopplungseinheit (5; GE), mittels
der ein Entstörsignal (I3) auf den Versorgungspotentialleiter (2; L1, L2)
eingekoppelt werden kann, um das Störsignals (3; IHF) zu dämpfen,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Störsignal-Ertassungseinheit (1; SE) einen Stromdifferenztransformator (TRF1)
umfaßt, der unabhängig vom niederfrequenten Netzsignal (IR ± iIx) ein dem HF-
Störsignal (3; IHF) entsprechendes Referenzsignal (Ts) erzeugt, und die Gegen
kopplungseinheit (5; GE) einen Stromausgangstransformator (TRFA) umfaßt, mittels
dessen das Entstörsignal (I3) auf den Versorgungspotentialleiter (2; L1, L2)
eingekoppelt werden kann, wobei eine Rückwirkung des niederfrequenten
Netzsignals (IR ± iIx) auf die Primärseite des Stromausgangstransformators (TRFA)
kompensiert wird.
2. Funkenstörfilter nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
eine Störsignal-Erfassungseinheit (1; SE) vorgesehen ist, deren Empfindlichkeit auf
Störsignale (3; IHF) oberhalb eines bestimmten Grenzwertes einstellbar ist.
3. Funkentstörfilter nach Anspruch 2
dadurch gekennzeichnet, daß
die Störsignal-Erfassungseinheit (1; SE) regelbare Schaltkreiselemente zur
Einstellung der Empfindlichkeit aufweist.
4. Funkentstörfilter nach Anspruch 1
dadurch gekennzeichnet, daß
der Stromdifferenztransformator (TRFI) aus zwei symmetrischen, in Gegenreihe
geschalteten Primärwicklungen (N1a, N1b) und einer Sekundärwicklung (N2)
besteht.
5. Funkentstörfilter nach Anspruch 1
dadurch gekennzeichnet, daß
der Stromdifferenztransformator (TRFI) aus zwei symmetrischen, in Gleichrichtung
geschalteten Sekundärwicklungen (N2a, N2b) und einer Primärwicklung (N1)
besteht.
6. Funkentstörfilter nach Anspruch 1
dadurch gekennzeichnet, daß
die Verarbeitungseinheit (4; VE) einen Hochpass (HI Pass) zur Filterung
niederfrequenter Anteile des Referenzsignals (IS) aufweist.
7. Funkentstörfilter nach Anspruch 1
dadurch gekennzeichnet, daß
die Verarbeitungseinheit (4; VE) einen invertierenden Verstärker (V) aufweist.
8. Funkentstörfilter nach Anspruch 1
dadurch gekennzeichnet, daß
der Stromdifferenztransformator (TRFI) aus zwei symmetrischen, in Gleichrichtung
geschalteten Primärwicklungen (N3a, N3b) und einer Sekundärwicklung (N4)
besteht.
9. Funkentstörfilter nach Anspruch 1
dadurch gekennzeichnet, daß
der Stromdifferenztransformator (TRFI) aus zwei symmetrischen, in Gegenreihe
geschalteten Sekundärwicklungen (N4a, N4b) und einer Primärwicklung (N3)
besteht.
10. Funkentstörfilter nach Anspruch 1
dadurch gekennzeichnet, daß
wenigstens ein Kondensator parallel zum Netz geschaltet ist, der einen Teil des
HF-Störsignals (3; IHF) leitet.
11. Funkentstörfilter nach Anspruch 1
dadurch gekennzeichnet, daß
die Arbeitsbandbreite des Filters zwischen 9 und 30 MHz liegt.
12. Funkentstörfilter nach Anspruch 1
dadurch gekennzeichnet, daß
der Regelschatkreis auf Echtzeitverarbeitung ausgelegt ist.
13. Funkentstörfilter nach Anspruch 1
dadurch gekennzeichnet, daß
es für einen EMV-Leistungsbereich bis zu 1.000 Ampere bei bis zu 440 Volt
geeignet ist.
14. Funkentstörfilter nach Anspruch 1
dadurch gekennzeichnet, daß
das gesamte Störspektrum gleichmäßig gedämpft wird.
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