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Patent Searching and Data


Title:
COMPENSATION FILTER AND METHOD FOR ACTIVATING A COMPENSATION FILTER
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/158289
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a compensation filter for damping common mode interferences caused by an electrical load. The compensation filter has an operational amplifier, a capacitive element, one first and one second resistive element and a current converter. The compensation filter dampens a common mode interference in a critical frequency range.

Inventors:
KARINCA, Yasin (Schmiedberg 11, Burgau, 89331, DE)
Application Number:
EP2019/050796
Publication Date:
August 22, 2019
Filing Date:
January 14, 2019
Export Citation:
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Assignee:
TDK ELECTRONICS AG (Rosenheimer Str. 141 e, München, 81671, DE)
International Classes:
H02M1/12; H02H1/04; H02H9/00; H02J3/01
Foreign References:
EP3255770A12017-12-13
EP3113361A12017-01-04
Other References:
MARCELO LOBO HELDWEIN ET AL: "Implementation of a Transformerless Common-Mode Active Filter for Offline Converter Systems", IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS, IEEE SERVICE CENTER, PISCATAWAY, NJ, USA, vol. 57, no. 5, 1 May 2010 (2010-05-01), pages 1772 - 1786, XP011295954, ISSN: 0278-0046
WENJIE CHEN ET AL: "A Novel Hybrid Common-Mode EMI Filter With Active Impedance Multiplication", IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS, IEEE SERVICE CENTER, PISCATAWAY, NJ, USA, vol. 58, no. 5, 1 May 2011 (2011-05-01), pages 1826 - 1834, XP011352898, ISSN: 0278-0046, DOI: 10.1109/TIE.2010.2053341
LEE D Y ET AL: "Design of an input filter for power factor correction (PFC) AC to DC converters employing an active ripple cancellation", ENERGY CONVERSION ENGINEERING CONFERENCE, 1996. IECEC 96., PROCEEDINGS OF THE 31ST INTERSOCIETY WASHINGTON, DC, USA 11-16 AUG. 1, NEW YORK, NY, USA,IEEE, US, vol. 1, 11 August 1996 (1996-08-11), pages 582 - 586, XP010197790, ISBN: 978-0-7803-3547-9, DOI: 10.1109/IECEC.1996.552958
OGASAWARA S ET AL: "An active circuit for cancellation of common-mode voltage generated by a PWM inverter", POWER ELECTRONICS SPECIALISTS CONFERENCE, 1997. PESC '97 RECORD., 28TH ANNUAL IEEE ST. LOUIS, MO, USA 22-27 JUNE 1997, NEW YORK, NY, USA,IEEE, US, vol. 2, 22 June 1997 (1997-06-22), pages 1547 - 1553, XP010241641, ISBN: 978-0-7803-3840-1, DOI: 10.1109/PESC.1997.618067
Attorney, Agent or Firm:
EPPING HERMANN FISCHER PATENTANWALTSGESELLSCHAFT MBH (Schloßschmidstr. 5, München, 80639, DE)
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Claims:
Patentansprüche

1. Kompensationsfilter, umfassend

- einen ersten Port, einen zweiten Port und eine Stromleitung zwischen dem ersten Port und dem zweiten Port,

- einen Operationsverstärker mit einem Eingang und einem Ausgang,

- ein kapazitives Element, das zwischen dem ersten Port und dem Ausgang des Operationsverstärkers gekoppelt ist und die Kapazität Co hat,

- ein erstes resistives Element, das zwischen dem kapazitiven Element und dem Ausgang des Operationsverstärkers gekoppelt ist und den Widerstand Ro hat,

- ein Stromwandler, der parallel zum kapazitiven Element gekoppelt ist und der die Stromleitung mit dem Eingang des Operationsverstärkers koppelt,

- ein zweites resistives Element, das zwischen dem

kapazitiven Element und dem Eingang des Operationsverstärkers gekoppelt ist und den Widerstand RB hat,

wobei

- das Kompensationsfilter eine Gleichtaktstörung in einem kritischen Frequenzbereich dämpft.

2. Kompensationsfilter nach dem vorherigen Anspruch, das zu einer Gleichtaktstörung in der Stromleitung ein

Kompensationssignal gleicher Frequenz, gleicher Amplitude und umgekehrtem Vorzeichen auf die Stromleitung überträgt.

3. Kompensationsfilter nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der kritische Frequenzbereich oberhalb einer

Netzfrequenz beginnt.

4. Kompensationsfilter nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Gleichtaktstörung einen Ableitstrom beinhaltet.

5. Kompensationsfilter nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei Co so groß ist, dass Ableitströme auch unterhalb von 1 kHz kompensiert werden.

6. Kompensationsfilter nach einem der vorherigen Ansprüche, ferner umfassend einen Versorgungsanschluss, der von der Stromleitung getrennt ist.

7. Kompensationsfilter nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Stromwandler magnetisch gekoppelte induktive

Elemente umfasst.

8. Kompensationsfilter nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Stromleitung Leiter für eine, zwei oder drei Phasen umfasst .

9. Kompensationsfilter nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei

- die Stromleitung Leiter für drei Phasen umfasst,

- die Leiter über einen Sternpunkt mit dem

Operationsverstärker gekoppelt sind,

- der Sternpunkt mit dem jeweiligen Leiter für jede Phase über eine Parallelverschaltung aus einem kapazitiven Element und einem resistiven Element gekoppelt ist.

10. Verfahren zur Inbetriebnahme eines Kompensationsfilters mit eigenem Versorgungsanschluss, wobei der

Versorgungsanschluss mit einer Energiequelle verschaltet wird, bevor das Kompensationsfilter zwischen einen

Verbraucher und eine Energiequelle verschaltet wird.

Description:
Beschreibung

Kompensationsfilter und Verfahren zur Inbetriebnahme eines Kompensationsfilters

Die Erfindung betrifft Kompensationsfilter, z. B. zum Unter drücken von Störsignalen wie Ableitströme, und Verfahren zur Inbetriebnahme eines entsprechenden Kompensationsfilters.

Elektrische Ströme, die in Stromleitungen zur Versorgung elektrischer Verbraucher fließen, können prinzipiell in drei Kategorien eingeteilt werden. Zum einen können Ströme flie ßen, die der üblichen Verwendung, z. B. zum Antreiben eines Motors oder dergleichen, dienen. Weiterhin können Ströme fließen, die einer Fehlfunktion zuzuordnen sind. So ist es beispielsweise unerwünscht aber möglich, dass ein Gehäuse ei nes Verbrauchers mit einer stromführenden Leitung verbunden ist. Berührt beispielweise ein Benutzer das Gehäuse, so würde ein entsprechender Strom durch den Benutzer fließen. Um Be nutzer vor entsprechenden Stromschlägen zu schützen, ist es möglich einen Fehlerstrom-Schutzschalter (FI-Schalter) zwischen einer Energiequelle und dem elektrischen Verbraucher zu verschalten. Der Fehlerstrom-Schutzschalter würde einen Stromfluss über einen entsprechenden unerwünschten Pfad feststellen und den elektrischen Verbraucher von der

Energiequelle trennen. Eine dritte Kategorie von Strömen betrifft Ableitströme elektrischer Verbraucher. Ein

Ableitstrom ist ein elektrischer Strom, der unter üblichen Betriebsbedingungen in einen unerwünschten Strompfad fließt und unterscheidet sich von unerwünschten Strömen der zweiten Kategorie dadurch, dass der Ableitstrom unter Umständen für ein korrektes Funktionieren des elektrischen Verbrauchers, wie z. B. eim EMV-Filter oder ein Frequenzumrichter,

notwendig ist.

Derartige Ableitströme sind im Wesentlichen ungefährlich für Benutzer, aber können in Anlagen mit Fehlerstrom- Schutzschaltern, z. B. Fehlerstrom-Schutzschaltern, zu

Problemen führen. Insbesondere können Ableitströme

Fehlerstrom-Schutzschalter auslösen und somit die

Zuverlässigkeit der Anlage massiv beeinträchtigen. Es ist deshalb eine Schaltung gewünscht, die die Zuverlässigkeit ei nes elektrischen Verbrauchers, der z. B. einem Fehlerstrom- Schutzschalter nachgeschaltet ist, erhöht.

Aus der EP 3 113 361 Al sind Filterschaltungen, die einen Ab leitstrom reduzieren können, bekannt.

Ferner ist es möglich, ein unbeabsichtigtes Auslösen von Fehlerstrom-Schutzschaltern durch Ableitströme durch die Verwendung von Trenntransformatoren zu verhindern. Eine galvanische Trennung führt dazu, dass der Ableitstrom nahezu komplett auf der Sekundärseite des Trenntransformators fließt und somit nicht vom Fehlerstrom-Schutzschalter, der auf der Primärseite sitzt, erfasst wird. Jedoch ist das Einsetzen von Trenntransformatoren aufgrund einiger Nachteile unerwünscht. Die Baugröße nimmt bei höheren Nennströmen signifikant zu, sodass der Trenntransformator groß und schwer zu bauen ist. Dies kann vor allem bei mobilen elektrischen Verbrauchern ein Ausschlusskriterium sein. Hohe Verlustleistungen und damit verbundene hohe Temperaturen sind weitere unerwünschte Folge von Trenntransformatoren.

Ferner ist es möglich, eine Netzzuleitung mit einem Festan schluss zu verwenden. Dann ist es z. B. möglich, auf einen Fehlerstrom-Schutzschalter zu verzichten. Der große Nachteil hierbei ist, dass die entsprechend angeschlossenen

elektrischen Verbraucher ortsfest sind.

Es besteht deshalb der Wunsch nach Schaltungen, die Störun gen, insbesondere Gleichtaktstörungen wie z. B. Ableitströme, so stark reduzieren oder gar vollständig kompensieren, dass prinzipiell problematische elektrische Verbraucher ohne

Festanschluss verwendbar sind.

Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen An sprüche gelöst. Abhängige Ansprüche geben vorteilhafte Ausge staltungen an.

Ein Kondensationsfilter umfasst dazu einen ersten Port, einen zweiten Port und eine Stromleitung zwischen dem ersten Port und dem zweiten Port. Ferner hat das Kompensationsfilter ei nen Operationsverstärker mit einem Eingang und einem Ausgang. Zusätzlich hat das Kompensationsfilter ein kapazitives Ele ment, das zwischen dem ersten Port und dem Ausgang des Opera tionsverstärkers gekoppelt ist und die Kapazität Co hat. Das Kompensationsfilter hat ferner ein erstes resistives Element, das zwischen dem kapazitiven Element und dem Ausgang des Ope rationsverstärkers gekoppelt ist und den elektrischen Wider stand Ro hat. Das Filter hat ferner einen Stromwandler, der parallel zum kapazitiven Element gekoppelt ist und der die Stromleitung mit dem Eingang des Operationsverstärkers kop pelt. Ein zweites resistives Element des Kompensationsfilters ist zwischen dem kapazitiven Element und dem Eingang des Ope rationsverstärkers gekoppelt und hat den Widerstand R B . Das Kompensationsfilter dämpft eine Gleichtaktstörung in einem kritischen Frequenzbereich. Es ist möglich, dass das Kompensationsfilter zu einer

Gleichtaktstörung in der Stromleitung ein Kompensationssignal gleicher Frequenz, gleicher Amplitude und umgekehrtem Vorzei chen auf die Stromleitung überträgt.

Es ist möglich, dass das Kompensationsfilter elektrisch zwi schen einer Energiequelle und zumindest einem elektrisch ak tiven Element eines elektrischen Verbrauchers verschaltet ist. Insbesondere ist es möglich, dass ein Fehlerstrom- Schutzschalter zwischen der Energiequelle und dem

Kompensationsfilter verschaltet ist. Störungen, die z. B. für den Betrieb des elektrischen Verbrauchers unvermeidbar sind, aber gegebenenfalls einen Fehlerstrom-Schutzschalter auslösen können, werden durch das Bereitstellen eines Strompfads mit einem entsprechenden Kompensationssignal des

Kompensationsfilters neutralisiert oder zumindest so stark abgeschwächt, dass der elektrische Verbraucher problemlos hinter einem Fehlerstrom-Schutzschalter betrieben werden kann. Dadurch ist es möglich, auf einen Festanschluss zu ver zichten. Der elektrische Verbraucher kann über eine elektri sche Kopplung, z. B. einem elektrischen Stecker in einer elektrischen Steckdose, mit der Energiequelle verbunden und von der Energiequelle getrennt werden.

Es ist möglich, dass der kritische Frequenzbereich, in dem das Kompensationsfilter die Gleichtaktstörung hinreichend stark dämpft, Frequenzen zwischen einem Kilohertz und 300 Ki lohertz umfasst. Ferner ist es möglich, dass der kritische Frequenzbereich auch Frequenzen unter einem Kilohertz um fasst. Es ist entsprechend möglich, dass der kritische Fre quenzbereich bei etwa 150 Hertz beginnt. Übliche elektrische Verbraucher können mit einer Energie quelle verschaltbar sein, die einen Netzstrom mit 50 oder 60 Hertz Frequenz bereitstellt . Um den Schutz von Benutzern des elektrischen Verbrauchers sicherzustellen, darf ein Gleicht aktstrom der Netzspannung, z. B. 50 Hertz oder 60 Hertz, nicht gedämpft werden. Fehlströme mit der Netzfrequenz, z. B. 50 Hertz oder 60 Hertz, muss der entsprechende Fehlerstrom- Schutzschalter zuverlässig erkennen können. Dieser

Frequenzbereich darf deshalb nicht Teil des kritischen

Frequenzbereichs sein, in dem das Kompensationsfilter

Störungen dämpft. Es ist deshalb vorteilhaft, dass der kritische Frequenzbereich oberhalb von 50 Hertz bzw. oberhalb von 60 Hertz beginnt. Die untere Grenze des kritischen

Frequenzbereichs wird dabei durch die Werte der Kapazität Co, des ersten resistiven Elements Ro und des zweiten resistiven Elements R B bestimmt. Entsprechend sind Co, Ro und R B SO gewählt, dass die untere Grenze bei einer Frequenz von 50 Hertz oder höher, vorzugsweise 100 Hertz oder 150 Hertz, erhalten wird.

Dabei gilt folgendes zu beachten: Das Kompensationsfilter re agiert auf Gleichtaktstörungen . Dabei kann die Zahl der elektrischen Leiter in der Stromleitung größer als 1 sein und z. B. 3 umfassen. Es ist also möglich, elektrische Verbrau cher, die mit einer Phase, die mit zwei Phasen oder die mit drei Phasen arbeiten, zu verwenden. Am ersten Port kann das Kompensationsfilter mit der Energiequelle gekoppelt sein. Der erste Port sieht quasi die Netzimpedanz. Der zweite Port kann mit dem elektrischen Verbraucher gekoppelt sein und sieht dessen Impedanz oder die Impedanz eines zwischengeschalteten Umrichtersystems. Das Umrichtersystem kann beispielsweise eine von mehreren Quellen der Gleichtaktstörungen sein. Ent- spricht das Störsignal einem Ableitstrom I N , SO wird vorzugs weise ein Kompensationsstrom Io gegenphasig erzeugt und an die Stromleitung abgegeben, dass der resultierende Strom I dem erwarteten Strom, z. B. des Fehlerstrom-Schutzschalters, entspricht .

Das kapazitive Element mit der Kapazität Co stellt dabei die Netzanbindung dar, die das Netz mit der Elektronik des Kom pensationsfilters verbindet. Der Kern der Elektronik wird durch den Operationsverstärker gebildet. Der Operationsver stärker ist Teil eines Spannungsfolgers. Wenn der Ableitstrom I N durch eine Primärseite des Stromwandlers fließt, wird die ser Strom auf die Sekundärseite des Stromwandlers mit einer Phasenverschiebung von 180° übertragen. Dabei fließt der Strom durch das zweite resistive Element, der beispielsweise einen Burden-Widerstand darstellen kann und erzeugt so die Eingangsspannung des Operationsverstärkers. Der Verstärkungs faktor des Operationsverstärkers kann beispielsweise 1 betra gen. Dann wird die Eingangsspannung 1:1 auf das erste re sistive Element mit dem Widerstand Ro übertragen. Der Kompen sationsstrom Io wird somit durch den Spannungsabfall am ers ten resistiven Element erzeugt: Io=Uo:Ro.

Die Werte der elektrischen Komponenten sind entsprechend so gewählt, dass ein Frequenzgang erhalten wird, sodass die Dämpfung schon bei Frequenzen unter einem Kilohertz hinrei chend hoch ist, um ein Auslösen eines Fehlerstrom- Schutzschalters zu verhindern. Gleichzeitig wird bezüglich der Selektivität der Frequenzgang bei Frequenzen im Bereich von 50 Hertz bzw. 60 Hertz so beibehalten, dass eine Dämpfung nicht erfolgt. Es ist möglich, dass bei Frequenzen in der Nähe der Netzfre quenz sogar ein Überschwingen durch das Kompensationsfilter erhalten wird. D. h. ein entsprechendes Signal wird nicht nur nicht gedämpft, sondern sogar verstärkt. Ein solches Über schwingen ist allerdings unproblematisch und stellt insbeson dere kein sicherheitstechnisches Problem dar. Die Personensi cherheit des Benutzers ist gegeben.

Es ist entsprechend möglich, dass der kritische Frequenzbe reich oberhalb einer Netzfrequenz beginnt.

Die Netzfrequenz kann dabei 50 Hertz oder 60 Hertz betragen. Es ist entsprechend möglich, dass die Gleichtaktstörung einen Ableitstrom beinhaltet oder aus einem Ableitstrom besteht.

Es ist ferner möglich, dass die Kapazität Co so groß ist, dass Ableitströme auch unterhalb von einem Kilohertz kompen siert werden.

Wenn ein Ableitstrom kompensiert wird und somit durch einen oder mehrere Koppelkondensatoren fließt, entsteht ein Span nungsabfall an den Kondensatoren. Damit der Kompensations strom Io stets korrekt bleibt, wäre es vorteilhaft, dass der Operationsverstärker bei der Regelung der Ausgangsspannung auch diesen Spannungsabfall mit berücksichtigt. Je höher der Betrag dieses Spannungsabfalls am Koppelkondensator ist, desto höher wird der Betrag der zum Koppelstrom gehörigen Koppelspannung Vo . Das bedeutet, dass der Operationsverstär ker übersteuert werden kann, wenn der Spannungsabfall am Kop pelkondensator zu hoch wird. Dies legt es nahe, die Impedanz des Koppelkondensators so klein wie möglich zu wählen. Im Gegensatz zur intuitiven Wahl eines kleinen Kapazitäts werts Co hat das Kompensationsfilter allerdings vorzugsweise eine große Koppelkapazität Co. Dadurch kann die untere Fre quenzgrenze des kritischen Bereichs zu niedrigeren Frequenzen hin verschoben werden.

Es ist möglich, dass das Kompensationsfilter einen Versor gungsanschluss umfasst, der von der Stromleitung getrennt ist .

Das Kompensationsfilter verwendet elektronische Komponenten zur Erzeugung des Kompensationsstroms. Die elektronischen Komponenten, z. B. der Operationsverstärker, sind dabei elektrische Komponenten, welche selbst elektrische Verbrau cher sind. Das Kompensationsfilter hat die Stromleitung, die mit einer Energiequelle verschaltbar ist. Es läge deshalb nahe, die Energieversorgung der Elektronik des Kompensations filters durch eine Verschaltung mit der Stromleitung herzu stellen .

Im Gegensatz zu dieser intuitiven Weise, die Elektronik des Kompensationsfilters mit Energie zu versorgen, wird aller dings vorgeschlagen, dass das Kompensationsfilter einen Ver sorgungsanschluss, insbesondere zur Versorgung der elektroni schen Komponenten, aufweist, der von der Stromleitung ge trennt ist.

Es wurde erkannt, dass ein Kompensationsfilter, bei die

Elektronik direkt durch Energie der Stromleitung gespeist wird, ein Auslösen eines Fehlerstrom-Schutzschalters nicht stets zuverlässig gewährleistet. Werden Schaltungskomponenten des Kompensationsfilters allerdings von einer externen

Energieversorgung mit elektrischer Energie versorgt, so kann ein Auslösen eines Fehlerstrom-Schutzschalters zuverlässig verhindert werden.

Dazu wird vorzugsweise das Kompensationsfilter mit elektri scher Energie versorgt, bevor das Kompensationsfilter zwi schen eine Energiequelle und den elektrischen Verbraucher ge schaltet wird. Dadurch wird die Elektronik des Kompensations filters früher in Betrieb genommen und Einschwingvorgänge der elektronischen Komponenten können beendet werden, bevor das Kompensationsfilter seine Arbeit aufnehmen muss.

Der Aspekt der Vorzeitigkeit der Energieversorgung der elekt ronischen Komponenten ist insbesondere wichtig für die Kom pensation von Ableitströmen mit geringer Frequenz, z. B. un ter einem Kilohertz. Dadurch ist sichergestellt, dass die Elektronik die Ableitströme schnell genug dämpft, bevor der Fehlerstrom-Schutzschalter diese Ströme detektieren kann.

Dabei ist beispielsweise ein Schaltnetzteil, dass den Opera tionsverstärker mit elektrischer Energie versorgt, ein kriti scher Punkt, da das Einschwingen der Ausgangsspannung z. B. länger als 100 Millisekunden dauern kann.

Es ist möglich, die Elektronik des Kompensationsfilters mit einer Betriebsspannung von 400 Volt AC zu versorgen.

Durch die externe Energieversorgung kann sichergestellt wer den, dass die Ausgangsspannung des Schaltnetzteils für die Elektronik erreicht wird, bevor die Ableitströme fließen. Das Schaltnetzteil für die Elektronik kann beispielsweise die Energie die externe Spannung von 400 Volt auf eine Betriebs spannung der Elektronik von etwa 60 Volt reduzieren. Der DC Arbeitspunkt eines Operationsverstärkers kann z. B. 30 Volt betragen .

Die Elektronik des Kompensationsfilters ist in einem Fließ gleichgewicht (Steady State), bevor Ableitströme fließen.

Es ist möglich, dass der Stromwandler magnetisch gekoppelte induktive Elemente umfasst. Ein erstes induktives Element kann dabei in einem Leiter der Stromleitung verschaltet sein oder mit einem Teil eines Leiters der Stromleitung gekoppelt sein. Ein zweiter Teil des Stromwandlers kann dabei mit dem ersten Teil des Stromwandlers verschaltet sein und selbst wiederum mit der Elektronik des Kompensationsfilters ver schaltet oder gekoppelt sein.

Es ist möglich, dass der Stromwandler zumindest ein indukti ves Element pro Leiter der Stromleitung auf der Primärseite umfasst .

Es ist möglich, dass die Stromleitung Leiter für eine, zwei oder drei Phasen in der Stromleitung umfasst.

Es ist möglich, dass die Stromleitung Leiter für drei Phasen umfasst, die Leiter über einen Sternpunkt mit dem Operations verstärker gekoppelt sind und der Sternpunkt mit dem jeweili gen Leiter für jede Phase über eine Parallelverschaltung aus einem kapazitiven Element und einem resistiven Element gekop pelt ist.

Ein Verfahren zur Inbetriebnahme eines Kompensationsfilters mit eigenem Versorgungsanschluss kann derart ausgestaltet sein, dass der Versorgungsanschluss mit einer Energiequelle verschaltet wird, bevor das Kompensationsfilter zwischen ei nen Verbraucher und eine Energiequelle verschaltet wird.

Die Energiequelle, die das Kompensationsfilter mit dem Ver braucher verbindet, kann dabei identisch mit der Energie quelle für den Versorgungsanschluss sein. Es ist allerdings auch möglich, dass der Versorgungsanschluss des Kompensati onsfilters und der Verbraucher unterschiedliche Energiequel len nutzen.

Wesentliche Aspekte und Details konkreter Ausführungsformen werden anhand der schematischen Figuren näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1: ein Ersatzschaltbild, das die Funktionsweise des Kom pensationsfilters erläutert.

Fig. 2: einen bevorzugten Frequenzgang des Kompensationsfil ters .

Fig. 3: die Ankopplung an eine Dreiphasenleitung.

Fig. 4: ein Ersatzschaltbild zur Bestimmung einer geeigneten Größe der Koppelkapazität.

Fig. 5: eine Ausführungsform des Kompensationsfilters mit ei nem externen Versorgungsanschluss.

Fig. 6: die Wirkung einer verzögerten Verschaltung zwischen einer Energiequelle und einem Verbraucher. Figur 1 zeigt ein Ersatzschaltbild einer möglichen Schal tungstopologie des Kompensationsfilters KF. Das Kompensati onsfilter KF hat einen ersten Port PI und einen zweiten Port P2. Eine Stromleitung SL ist zwischen dem ersten Port PI und dem zweiten Port P2 verschaltet. Ferner hat das Kompensati onsfilter einen Operationsverstärker OPV. Der Operationsver stärker hat einen Eingang E und einen Ausgang A. Zwischen der Stromleitung SL und dem Ausgang A des Operationsverstärkers ist die Koppelkapazität, d. h. das kapazitive Element mit der Kapazität Co verschaltet. Zwischen der Koppelkapazität und dem Ausgang A des Operationsverstärkers OPV ist das erste re- sistive Elemente Ro verschaltet. Parallel zur Koppelkapazität Co ist ein Stromwandler SW verschaltet. Der Stromwandler SW hat ein erstes induktives Element SW1 und ein zweites induk tives Element SW2. Das erste induktive Element SW1 ist an der Primärseite des Stromwandlers SW angeordnet und in der Strom leitung SL verschaltet oder zumindest mit der Stromleitung SL gekoppelt. Das zweite induktive Element SW2 des Stromwandlers SW ist auf der Sekundärseite des Stromwandlers SW angeordnet und mit dem Eingang E des Operationsverstärkers gekoppelt.

Das zweite induktive Element SW2 des Stromwandlers SW ist pa rallel zum zweiten resistiven Element RB verschaltet. Das zweite resistive Element RE ist in Serie zwischen der Koppel kapazität Co und dem Eingang E des Operationsverstärkers OPV verschaltet .

I N stellt die komplette Störung, z. B. den kompletten Ableit strom, dar. Io ist der Kompensationsstrom, der durch den Ope rationsverstärker OPV und die zusätzlichen Schaltungselemente Co, RE und Ro bestimmt ist. Der Kompensationsstrom Io ist vor zugsweise vom Vorzeichen, von der Frequenz und von der

Amplitude her so gewählt, dass ein vom Verstärker

bereitgestellter Strompfad erzeugt wird, sodass vorzugsweise kein oder höchstens ein geringer Restableitstrom IR am ersten Port Pi erkennbar ist. Über den ersten Port PI ist das

Kompensationsfilter mit einer externen Energiequelle bzw. einem Fehlerstrom-Schutzschalter zwischen der Energiequelle und dem Kompensationsfilter verschaltbar. Über den zweiten Port P2 ist das Kompensationsfilter mit einem elektrischen Verbraucher verschaltbar.

Figur 2 zeigt einen bevorzugten Frequenzgang FG des Kompensa tionsfilters. Der kritische Frequenzbereich ist beispiels weise so definiert, dass Dämpfungswerte von 10 dB, die untere und die obere Grenze des Frequenzbereichs festlegen.

Entsprechend zeigt Figur 2 einen kritischen Frequenzbereich von 150 Hertz bis 30 Kilohertz. Der Überschwinger bei Fre quenzen knapp unter 100 Hertz stellt effektiv eine Signalver stärkung dar. Dies ist jedoch unproblematisch und stellt we der ein funktions- noch ein sicherheitstechnisches Problem dar .

Figur 3 illustriert, wie eine Ankopplung an eine Stromleitung mit drei Phasen möglich ist. Der Symmetriepunkt der drei Pha sen wird im Sternpunkt SP erhalten. Der Sternpunkt SP ist durch jeweils eine Parallelschaltung eines kapazitiven Ele ments CE und eines resistiven Elements RB mit dem jeweiligen Leiter LI, L2, L3 der Stromleitung SL verbunden. Der Stern punkt SP ist ausgangsseitig über eine Parallelverschaltung, umfassend die Koppelinduktivität C0 und das zweite resistive Element RB mit dem Rest der Kompensationsschaltung (hier nicht gezeigt) verschaltet.

Die zu kompensierende Störung ist dabei eine Gleichtaktstö- rung. D. h. eine Störung, die additiv auf alle Leiter LI, L2, L3 der Stromleitung SL bezüglich Amplitude, Frequenz und Phase wirkt. Es genügt deshalb, die Elektronik des Kompensa tionsfilters auf den Sternpunkt SP der Stromleitung SL wirken zu lassen.

Figur 4 zeigt ein Ersatzschaltbild, das hilft, den Wert der Koppelkapazität Co vorteilhaft zu bestimmen. Die Netzanbin dung wird durch den einen oder mehrere Koppelkondensatoren realisiert. Wenn ein Ableitstrom kompensiert wird und somit durch den Koppelkondensator oder mehrere Koppelkondensatoren fließt, entsteht ein Spannungsabfall an den Kondensatoren. Damit der Kompensationsstrom Io stets korrekt bleibt, muss der Operationsverstärker bei der Regelung der Ausgangsspan nung auch den zugehörigen Spannungsabfall am Koppelkondensa tor berücksichtigen. Um auch Ableitströme einer Frequenz un terhalb von einem Kilohertz kompensieren zu können, sind Kop pelkondensatoren mit größerer Kapazität als üblicherweise be kannt notwendig, um eine niedrigere Impedanz und somit einen kleineren Spannungsabfall zu erhalten.

Figur 5 illustriert die Möglichkeit, die elektronischen

Schaltungskomponenten ELC, z. B. den Operationsverstärker OPV, über einen externen Versorgungsanschluss VA mit elektri scher Energie zu versorgen. Es wird dabei gerade nicht elekt rische Energie der Stromleitung entnommen. Dadurch ist es möglich, die elektronischen Schaltungskomponenten ELC mit elektrischer Energie zu versorgen und Einschwingprozesse ab zuwarten, bevor das Kompensationsfilter KF seine Arbeit beginnt, d. h. bevor das Kompensationsfilter einen

elektrischen Verbraucher mit einer externen Energiequelle verschaltet . Der zugehörige zeitliche Ablauf ist in Figur 6 gezeigt. Die obere Kurve VSUP stellt den zeitlichen Verlauf der Versor gungsspannung der elektrischen Schaltungskomponenten ELC des Kompensationsfilters KF dar. Die unter Kurve VOPV zeigt das Ausgangssignal des Operationsverstärkers. Zum Zeitpunkt To werden die elektronischen Schaltungskomponenten mit Energie versorgt. Dabei dauert es eine gewisse Zeit DT, bis die Ver sorgungsspannung den korrekten Wert erreicht hat. Der Opera tionsverstärker nimmt seine Art auf, sobald ihm eine Versor gungsspannung zur Verfügung gestellt wird. Allerdings er reicht er seine größte Wirksamkeit erst zu dem Zeitpunkt To plus DT, zu dem die Versorgungsspannung VSUP ihren vorgesehe nen Wert erreicht hat.

Würde das Kompensationsfilter benötigt, bevor der Operations filter in gewünschter Weise arbeitet, werden gegebenenfalls Ableitströme oder andere Störsignale nicht vollständig kom pensiert und ein unbeabsichtigtes Betätigen eines

Fehlerstrom-Schutzschalters kann die Folge sein.

Dadurch, dass das Kompensationsfilter seine eigene Spannungs versorgung am Versorgungsanschluss VA erhält, bevorzugter Weise bevor ein Funktionieren des Filters verlangt wird, kön nen Einschwingprozesse stattfinden. Sobald das Kompensations filter wie gewünscht arbeitet, kann es mit dem ersten und mit dem zweiten Port zwischen eine Energiequelle und einen Ver braucher verschaltet werden.

Die zeitliche Verzögerung DT kann dabei in der Größenordnung von 100 Millisekunden liegen.

Das Kompensationsfilter und das Verfahren zur Inbetriebnahme eines Kompensationsfilters sind dabei nicht auf die gezeigten und beschriebenen technischen Details beschränkt. Das Kompen sationsfilter kann weitere Schaltungskomponenten wie z. B. weitere Koppelkondensatoren und weitere elektronische Schal tungskomponenten umfassen. Das Verfahren kann zusätzliche Schritte, z. B. bezüglich der Verschaltung an die externe

Energiequelle bzw. die Verschaltung an den Verbraucher umfas sen .

Bezugszeichenliste

A Ausgang des Operationsverstärkers

Co kapazitives Element; Koppelkapazität

CE kapazitives Element

E Eingang des Operationsverstärkers

ELC elektronische Schaltungskomponente

FG Frequenzgang

KF Kompensationsfilter

OPV Operationsverstärker

PI erster Port

P2 zweiter Port

Ro erstes resistives Element

RB zweites resistives Element

RE resistives Element

SL Stromleitung

SW Spannungswandler

SW1 erstes induktives Element des Spannungswandlers

SW2 zweites induktives Element des Spannungswandlers

VA Versorgungsanschluss

VDC Versorgungsspannung für Operationsverstärker

VOPV Ausgangsspannung des Operationsverstärkers

VSUP Versorgungsspannung des Kompensationsfilters