Title:
EMV-Filter mit geringem Kriechstrom
Kind Code:
B4


Abstract:

EMV-Filter, verbindbar zwischen einer Netzversorgung und einer elektrisch betriebenen Anwendung, um Leitungsrauschen zwischen besagter Netzversorgung und besagter Anwendung zu reduzieren, umfassend eine Vielzahl von Kondensatoren (331, 321), die Phasenleiter (L, N, L1, L2, L3) des Versorgungsnetzwerks mit einem Sternpunkt verbinden, einen Spannungsregler (120, 120a, 120b, 120c, 120d, 120g) mit einer Ausgangsklemme (100, 110), dessen Potential an das Potential eines Referenzeingangs des Spannungsreglers gezwungen wird, und ein Rauschnebenschlussmodul (330, 332, 360, 340, 230, 850) mit einer Klemme, die mit dem Ausgang (100, 110) des Spannungsreglers (120, 120a, 120b, 120c, 120d, 120g) und mit dem Sternpunkt verbunden ist, und einer anderen Klemme mit demselben Potential wie der Referenzeingang (Ref) des Spannungsreglers (120, 120a, 120b, 120c, 120d, 120g).




Inventors:
Tucker, Cecil Andrew (Solothurn, CH)
Application Number:
DE112007001565T
Publication Date:
01/25/2018
Filing Date:
08/15/2007
Assignee:
Schaffner EMV AG (Luterbach, CH)
International Classes:



Foreign References:
67751572004-08-10
EP16197682006-01-25
Attorney, Agent or Firm:
Beck & Rössig - European Patent Attorneys, 81679, München, DE
Claims:
1. EMV-Filter, verbindbar zwischen einer Netzversorgung und einer elektrisch betriebenen Anwendung, um Leitungsrauschen zwischen besagter Netzversorgung und besagter Anwendung zu reduzieren, umfassend eine Vielzahl von Kondensatoren (331, 321), die Phasenleiter (L, N, L1, L2, L3) des Versorgungsnetzwerks mit einem Sternpunkt verbinden, einen Spannungsregler (120, 120a, 120b, 120c, 120d, 120g) mit einer Ausgangsklemme (100, 110), dessen Potential an das Potential eines Referenzeingangs des Spannungsreglers gezwungen wird, und ein Rauschnebenschlussmodul (330, 332, 360, 340, 230, 850) mit einer Klemme, die mit dem Ausgang (100, 110) des Spannungsreglers (120, 120a, 120b, 120c, 120d, 120g) und mit dem Sternpunkt verbunden ist, und einer anderen Klemme mit demselben Potential wie der Referenzeingang (Ref) des Spannungsreglers (120, 120a, 120b, 120c, 120d, 120g).

2. EMV-Filter gemäss dem vorhergehenden Anspruch, in welchem der Spannungsregler die Kriechspannung, die durch das Rauschnebenschlussmodul (330, 332, 360, 340, 230, 850) fliesst, reduziert.

3. EMV-Filter gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, in welchem der Referenzeingang des Spannungsreglers mit einem Erdleiter des Versorgungsnetzwerks verbindbar ist.

4. EMV-Filter gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, in welchem das Rauschnebenschlussmodul ein Kondensator (330, 332) oder ein kapazitives Netzwerk ist.

5. EMV-Filter gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, in welchem das Rauschnebenschlussmodul ein aktiver Nebenschlussschaltkreis (360) ist.

6. EMV-Filter gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, in welchem der Spannungsregler (120) angeordnet ist, um die Ausgangsklemme bei einem bestimmten Spannungsniveau innerhalb von +/–10 Volt von dem Referenzeingang bei der Hauptfrequenz zu halten.

7. EMV-Filter gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, in welchem der Spannungsregler (120) ein Paar von komplementären FETs (Q1, Q2) umfasst.

8. EMV-Filter gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, in welchem der Spannungsregler (120) einen Grobregler (120a) umfasst, der angeordnet ist, um ein Spannungsniveau innerhalb von +/–10 Volt von dem Referenzeingang bei der Hauptfrequenz zu generieren, und einen nachgeschalteten Regler (120c) mit einer Hilfsstromversorgung (128), die mit dem Ausgang des Grobreglers verbunden ist.

9. EMV-Filter gemäss dem vorhergehenden Anspruch, in welchem der nachgeschaltete Regler (120c) einen Betriebverstärker (126) umfasst.

10. EMV-Filter gemäss Anspruch 7, in welchem der Spannungsregler einen Verstärker (226) gefolgt von einem Paar von komplementären Ausgangs FETs (Q1, Q2) in einer rückgekoppelten Anordnung umfasst.

11. EMV-Filter gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, in welchem die Wirkweise des Spannungsreglers (120, 120b) linear ist.

12. EMV-Filter gemäss einem der Ansprüche 1 bis 10, in welchem die Wirkweise des Spannungsreglers (120, 120b) eine Rechteckwelle ist.

13. EMV-Filter gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend eine Vielzahl von Rauschnebenschlussmodulen (330, 340) in mehreren Stufen angeordnet, in welchem der Ausgang (110) des Spannungsreglers (120, 120b) mit der Vielzahl von Rauschnebenschlussmodulen verbindbar ist.

14. EMV-Filter gemäss dem vorhergehenden Anspruch, in welchem der Ausgang (110) des Spannungsreglers (120, 120b) im Übergang von einer Stufe zur nächsten durch eine Gleichtaktinduktivität (380, 600) geleitet ist.

15. EMV-Filter gemäss dem vorhergehenden Anspruch, in welchem eine der Stufen ein Virtuelles Rauschnebenschlussmodul umfasst.

16. Verwendung eines EMV-Filters gemäss einem der vorhergehenden Ansprüche, um den Erdkriechstrom durch das Rauschnebenschlussmodul (330, 332, 360) zu reduzieren.

17. Verwendung eines EMV-Filters gemäss dem vorhergehenden Anspruch, in einem ecken-geerdeten dreiphasigen Leitung oder in einer einphasigen Leitung oder in einer IT dreiphasigen Leitung.

18. Verfahren, um den Kriechstrom zu einem Erdleiter in einem EMV-Filter durch ein Rauschnebenschlussmodul, zum Beispiel ein Kondensator oder ein kapazitives Netzwerk oder ein aktiver Schaltkreis, zu reduzieren, wobei der Filter eine Vielzahl von Kondensatoren (331, 321), die Phasenleiter (L, N, L1, L2, L3) des Versorgungsnetzwerks mit einem Sternpunkt verbinden, enthält und wobei das Rauschnebenschlussmodul mit dem Sternpunkt auf einer Seite verbunden ist, umfassend einen Schritt von Erzwingen eines Spannungsabfalls über ein Rauschnebenschlussmodul mit einem Spannungsregler umfassend aktive Elemente.

19. EMV-Filter verbindbar zwischen einem Versorgungsnetzwerk und einer elektrisch betriebenen Last, um das Leitungsrauschen zwischen besagtem Versorgungsnetzwerk und besagter Last zu reduzieren, umfassend ein Rauschnebenschlussmodul mit einer Klemme verbunden mit dem Ausgang (100, 110) eines Spannungsreglers (120, 120a, 120b, 120c, 120d) und einer anderen Klemme mit demselben Potential wie der Referenzeingang (Ref) des Spannungsreglers (120, 120a, 120b, 120c, 120d, 120g).

20. Der EMV-Filter von einem der Ansprüche 1 bis 15, umfassend ein Relaisschaltkreis (700) verbunden mit besagtem Rauschnebenschlussmodul, um besagtes Rauschnebenschlussmodul (850) in dem Fall eines Fehlers zu isolieren.

21. Der EMV-Filter gemäss dem vorhergehenden Anspruch, in welchem der Relaisschaltkreis (700) weiter zwei Diskriminatoren umfasst, welche das Spannungsniveau von zwei der Phasen (L2, L3) des Versorgungsnetzwerks in Bezug auf eine dritte Phase (L1) des Versorgungsnetzwerks überwachen.

Description:
Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Mittel, um den Erdkriechstrom, der durch EMV Filter produziert wird, zu begrenzen. Diese Erfindung wird insbesondere in Leistungssystemen verwendet, in denen ein Phasenleiter an die Erde angeschlossen ist, kann aber vorteilhaft in den meisten AC und DC Stromversorgungssystemen verwendet werden.

Beschreibung des Standes der Technik

EMV-Filter in Stromleitungen enthalten in meisten Fällen Erdkondensatoren, so genannten Y Kapazitäten, zusammen mit geeigneten Induktivitäten, um eine Gleichtaktdämpfung zu erreichen. Eine unvermeidbare, nicht gewünschte Konsequenz davon ist es, dass ein Stromfluss durch die Y Kapazität zur Erde hin – der so genannte Erdkriechstrom (ELC) – existiert. In 1, welche in der Form eines einfachen Diagramms ein Beispiel eines bekannten EMV-Filters zeigt, wird die Y Kapazität durch die Referenznummer 30 angezeigt, 36 ist die korrespondierende Induktivität und 35 ist der Weg des Erdkriechstroms. Als eine Regel gilt, je höher die Kapazität des Y Kondensators und des Stroms darüber, desto intensiver ist der ELC.

Auf hohem Niveau wird dieser ELC als gefährlich für das Personal angesehen. Neben der persönlichen Gefahr kann ein exzessiver ELC in den zuverlässigen Betrieb eines elektrischen Systems eingreifen. Insbesondere Einrichtungen, die eine Reststromerkennung (RCD) enthalten, werden wegen Auslösens der RCD-Vorrichtung unterbrochen. Es wird deshalb als gute Konstruktion angesehen, den Erdkriechstrom zu minimieren, wenn EMV-Filter ausgelegt werden.

Für Leistungssysteme mit einer in der Form eines Sterns geerdeten Versorgung (d. h. eines TN System in Europa) kann Erdkriechstrom ein Problem sein, obwohl die ELC unter normalen Bedingungen normalerweise moderat ist, weil das System um das Erdpotential ausgeglichen ist. Hohe ELC Werte können jedoch in Hochleistungsfiltern vorkommen oder dort wo starke Gleichtaktdämpfung benötigt wird.

Mit der Japanischen 230 V Deltastromversorgung ist eine Phase geerdet (so genannte „Eckenerde”). In diesem Fall gibt es keine Aufhebung der Erdströme. Ein grosser ELC wird jedoch existieren, es sei denn nur kleine Y Kapazitäten werden verwendet.

Die Verwendung von RCD Vorrichtungen in Japan ist weit verbreitet. Dies stellt eine Begrenzung für die Y Kapazitäten dar, die sicher verwendet werden können, ohne die RCS Vorrichtung auszulösen. Es gibt deshalb ein Bedürfnis ein Verfahren bereitzustellen, in dem grosse Y Kapazitäten bei gleichzeitigem Erhalt eines geringen Kriechstroms verwendet werden können.

Ein gleiches Problem existiert mit IT Leistungssystemen, wie sie unter anderem in Schiffen und Fabriken angewendet werden. Hier ist die Netzleistung nur locker mittels einer grossen Impedanz geerdet. Dies wird so getan, dass in einem Fall von einem Phasenkurzschluss die Einrichtung mit relativer Sicherheit weiterläuft. In dieser gekürzten Arbeitsweise ist das Leistungssystem effektiv „eckengeerdet”. Wenn grosse Y Kapazitäten verwendet werden, wird ein grosser ELC existieren.

Es gibt deshalb einen wachsenden Bedarf für Rauschunterdrückungsfilter mit geringem ELC. Um ELC zu begrenzen sind solche Filter traditionell mit reduzierten Kapazitäten in dem Erdpfad ausgerüstet. Um jedoch eine geeignete Dämpfung beizubehalten, müssen die Filterinduktivität entsprechend erhöht werden, um die reduzierte Kapazität zu kompensieren, was Filter grösser und teurer machen kann. Selbst ein Erhöhen des Induktivitätswerts ist jedoch keine komplette Lösung und Filter mit kleinen Y Kapazitäten sind oft weniger effektiv für eine EMV Rauschunterdrückung als Filter mit einer hohen Y Kapazität. Diese erhöhte Induktivität kann zusätzlich zu erhöhten Stromverlusten, Temperaturanstieg und End-zu-End-Spanungsabfall führen, welche alle schädliche Bedingungen sind.

Das hier beschriebene Modul hat den Vorteil, dass grosse Y Kapazitäten in der Filterkonstruktion verwendet werden können, ohne das Risiko RCD Vorrichtungen auszulösen. Es gibt also kein Bedürfnis, die Grösse der Induktivität mit seinen verbundenen Nachteilen zu vergrössern. Das Modul wird einen geringen Kriechstrom beim Einschalten aufrechterhalten und kann unter irgendwelchen Fehlerbedingungen und unter normalen Betriebsbedingungen virtuell alle Erdkriechströme eliminieren. Diese Erfindung kann gleichfalls für einfache und mehrstufige Filter für einfache oder mehrdrahtige Anwendungen verwendet werden.

Darstellung der Erfindung

Gemäss der Erfindung werden diese Ziele durch Mittel erreicht, die Gegenstand der angehängten Ansprüche sind.

Kurze Beschreibung der Figuren

Die Erfindung wird besser mit Hilfe der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels verstanden, welches als Beispiel dient und durch die Figuren illustriert wird, in welchen

1 ein einphasiges Diagramm darstellt. Es zeigt in vereinfachter Weise einen bekannten EMV Filter und den Weg des Kriechstroms.

2 in einer vereinfachten, schematischen Weise ein dreiphasigen EMV Filter bekannter Art und den Weg des Kriechstroms zeigt.

3 in einer vereinfachten, schematischen Weise ein dreiphasigen EMV Filter mit den Kriechunterdrückungsmerkmalen der vorliegenden Erfindung zeigt, die in einem „eckengeerdeten” dreiphasigen System eingefügt ist.

4 in einer vereinfachten, schematischen Weise ein dreiphasigen EMV Filter mit den Kriechunterdrückungsmerkmalen der vorliegenden Erfindung eingefügt in einem einphasigen System zeigt.

5 schematisch eine mögliche Realisierung von einem Regler gemäss einem Aspekt der vorliegenden Erfindung zeigt.

6 und 7 schematisch andere Varianten der Realisierung des Reglers der vorliegenden Erfindung zeigen.

811 alternative Verbindungen des Reglers in einer Serie von EMV Filtern gemäss der vorliegenden Erfindung zeigt.

12 eine schematische Illustration des Prinzips von virtuellen Nebenschlussknoten eingefügt in das Ausführungsbeispiel der 11 zeigt.

13 eine weitere Variante der Realisierung eines Spannungsreglers gemäss der Erfindung zeigt.

14 einen dem Regler nachgeschalteten Schaltkreis, welcher nur diskrete Komponenten verwendet, gemäss einer Ausführungsform der Erfindung zeigt.

15 in vereinfachter Weise eine andere Ausführungsform der Erfindung enthaltend einen Relaisschaltkreis zeigt.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Das Problem und die Gründe von Kriechströmen in EMV Filtern werden in 1 illustriert. Eine Stromleitung 11, welche ein- oder mehrphasig sein kann, wird mit einer Vorrichtung 15 durch ein Filter 20 verbunden, um mögliche Interferenzen, die durch die Vorrichtung 15 generiert und entlang der Leitung 11 übertragen werden, zu unterdrücken. Das Filter enthält in seiner einfachsten Realisierung die Serieninduktivitäten 36 und einen ”Y” Kondensator 30, verbunden zwischen Phasenleitern und der Erdleiter. Irgendein Potential über den ”Y” Kondensator 30 wird in grosser Weise zu dem Erdkriechstrom 36 beitragen.

Dieselbe Situation, jedoch im Fall einer dreiphasigen Stromleitung, wird in 2 dargestellt. In diesem Fall betreiben Filter eine Reihe von „X” Kondensatoren 331 über die Phasen L1, L2, L3, welche zur Reduzierung von Gegentaktrauschen beitragen. Gleichtaktrauschen wird auf der anderen Seite durch die Kapazität 330, verbunden zwischen dem Sternpunkt 90 und der Erde, unterdrückt. Wenn, wie in dem eckengeerdeten Beispiel das Phasenpotential nicht mit dem Erdpotential ausgeglichen ist, sieht der Kondensator 330 ein grosses Potential und lässt einen erheblichen Erdkriechstrom 35 fliessen.

3 zeigt schematisch einige Merkmale eines elektromagnetischen Verträglichkeitsfilters (EMV Filter) gemäss einem Aspekt der vorliegenden Erfindung. Dieses Filter, der für die Verwendung in einer dreiphasigen Stromleitung gedacht ist, enthält einen virtuellen Erdregler 120 mit einem Referenzeingang (Ref.) verbunden mit dem Erdpotential oder gleichwertig mit einem Leiter im Wesentlichen bei Erdpotential. Der Regler 120 stabilisiert das Potential an seinem Ausgangsknoten 100 (Out) zu einem konstanten Niveau, welches es zu dem Erdpotential an dem Referenzeingang (Ref.) zwingt. Solche Regulierung und Zwänge können durch mehrere Vorrichtungen erreicht werden, alle im Rahmen der vorliegenden Erfindung enthalten, wobei einige besser im Folgenden beispielsweise diskutiert werden.

Ein Rauschnebenschlussmodul wird zwischen dem Ausgang 100 der Spannungsreglers 120 und dem Erdreferenzpotentials verbunden, um ein schlussendlich übermitteltes Rauschen auf dem Phasenleitern L1, L2, L3 zu unterdrücken. In dem dargestellten Beispiel ist das Rauschnebenschlussmodul ein einfacher Kondensator 330, es kann aber im Rahmen der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein, dass es durch ein geeignetes kapazitives Netzwerk von einem Schaltkreis ersetzt wird, der passive und/oder aktive Elemente enthält, die eine geringe Impedanz bei Frequenzen, an welchen das Rauschen erwartet wird, darstellen.

Der Effekt von dem virtuellen Regler 120 ist, dass der „Y” Kondensator 330 anstelle des vollen Leitungspotentials ein sehr reduziertes Potential sieht, welches gemäss der Präzision der erreichten Regulierung einigen Volts oder weniger entspricht. Auf diese Weise wird der Kriechstrom über den „Y” Kondensator 330 zu einem unbedeuteten Niveau reduziert. Entsprechend erhöht sich der Spannungsabfall über die „X” Kondensatoren 331 als ein Resultat der Einführung des virtuellen Erdreglers 120. Der verbundene Kriechstrom 129 ist jedoch durch den Ausgang des Reglers 120 festgelegt und wird zu den Phasen L1, L2, L3 durch die Versorgungsleitungen zurückgeführt, ohne zu dem Erdkriechstrom beizutragen.

Es sollte festgehalten werden, dass es nicht wesentlich für das Funktionieren der Erfindung ist, dass der potentielle Erdknoten 100 zu einem absoluten konstanten Wert gezwungen wird. Es ist absolut ausreichend, dass die Variation dieses Potentials ausreichend in Amplitude und/oder Geschwindigkeit reduziert wird, um den Erdkriechstrom durch den „Y” Kondensator 330 zu einer ungefährlichen Quantität zu begrenzen. Es ist nicht wesentlich, dass die Regulierung strikt linear oder effektiv bei allen Frequenzen sein sollte.

Der virtuelle Erdregler braucht keine grosse Bandbreite zu haben. In praktischen Realisierungen ist es ausreichend, dass der Regler 120 geringe Ausgangsimpedanzen bei geringen Frequenzen haben sollte, um das virtuelle Erdpotential des Knotens 100 bei seinen Netzfrequenzen von 50 oder 60 Hz und bis zu einigen harmonischen Frequenzen der Netzfrequenz zu stabilisieren, und gleichzeitig eine hohe Ausgangimpedanz bei hohen Frequenzen darzustellen, die weit weg von der Netzfrequenz liegt, wo das Rauschen erwartet wird. Deshalb trägt der virtuelle Erdregler nicht notwendiger Weise direkt zur Rauschunterdrückung bei, und das allgemeine Gleichtaktrauschen wird mittels des Kondensators 330 in einen Nebenschluss auf die Erde gelegt, wie dies gewöhnlich ist.

Zur Vereinfachung zeigen 3 und einige nachfolgende Figuren keine induktiven Elemente des EMV Filters. Es wird verstanden, dass diese Zeichnungen partielle Darstellungen sind, die hier angegeben werden, um die Erfindung in seinen verschiedenen Ausführungsformen zu beschreiben und dass diese nicht komplett sind. Das Filter der Erfindung kann auch andere, nicht dargestellte Elemente, wie Induktivitäten, Gleichtaktinduktivitäten, stromkompensierende Spulen, aktive Elemente, Verbindungselemente, Sicherungen und andere Komponenten enthalten; wie vorgeschlagen in Abhängigkeit der Umstände und gemäss bekannten Praktiken im Stand der Technik.

4 zeigt ein anderes Beispiel der Realisierung eines Filters mit einem virtuellen Erdknoten gemäss der Erfindung. In diesem Fall ist der Filter, der in vereinfachter Form ohne induktive Elemente dargestellt ist, in einer Einphasenleitung mit einem stromführenden (L) und einem neutralen Leiter (N), sowie einen Erdleiter und umfasst einen ”Δ” Kondensator 250, ”X” Kondensatoren 231 und einen ”Y” Kondensator 230. Der virtuelle Erdregler 120 stabilisiert die Spannung des virtuellen Erdknoten 100 zu einem Wert nahe dem Erdpotential. Der Erdkriechstrom durch den ”Y” Kondensator 230 ist auf diese Weise besonders reduziert, während die Kriechung über dem V Netzwerk ”X” Kondensatoren 231 durch den Regler 120 genommen wird und ihn zu einer vernachlässigbaren elektrischen Last über den stromführenden und den neutralen Leiter führt, ohne zur Erdkriechung beizutragen.

Selbst wenn die dargestellten Beispiele dreiphasige und einphasige Anwendungen beschreiben, ist dies keine Beschränkung der vorliegenden Erfindung, welche auch Anwendungen für DC und AC Leistungssysteme mit irgendeiner Anzahl von Phasen und irgendeine Art von Erdungssystem einschliesst.

5 zeigt eine mögliche Schaltkreisrealisierung eines virtuellen Erdreglers 120a. Dieser wird ein „Grober Regler” genannt, weil die Ausgangsspannung nur nahe dem Erdpotential (typischerweise innerhalb +/–10 V) gehalten wird. Strom wird mittels der Sicherungen 122 zu einem Brückenrichter 123 zugeführt. Die gerichtete Spannung wird über ein komplementäres Paar von FETs (Q1 und Q2) geführt. Die FET Gatter sind zusammengeschlossen und referenziert zu dem Referenzeingang (Ref.), gewöhnlich bei Erdniveau mittels eines hochohmigen RC Schaltkreis 124. Der Reglerausgang wird von FET Quellen mittels Quellenwiderständen (2 × Rs) und einer geringen Impedanz 129 gespeist. Strombegrenzung, um die FETs zu schützen, wird durch Zenerdioden (2 × Dg) und Quellenwiderständen (2 × Rs) bereitgestellt. Diese Ausgangspannung kann von einem Widerstandssternnetzwerk (3 × Rv) und von Gatterimpedanzen (Rg//Cg) kontrolliert werden. Der Ausgang wird aus einer quadratischen Welle bestehen, wenn es mehr durch Rg und Cb kontrolliert wird. Auf der anderen Seite, wenn der Ausgang mehr durch Rv kontrolliert wird, ist die Aktion des Reglers 120b linearer und der Ausgang nähert sich einer Sinuswelle an.

Es gilt zu beachten, dass die Ausgangsimpedanz 129 auch eine hohe Impedanz bei hohen Frequenzen schafft und arbeitet, um das Passieren des RF Rauschstroms durch den Regler zu blockieren. Dies stellt sicher, dass der meiste RF Strom von der Stromleitung zu einer Erde mittels den Kapazitäten „X” und „Y” fliesst.

Es sollte beachtet werden, dass, weil der virtuelle Erdregler 120a geerdet ist, seine Komponenten und insbesondere der RC Schaltkreis 124 für einen Dienst an einer Versorgungsspannung dimensioniert und ausgelegt sein sollten. Auch die Impedanz des RC Schaltkreises 124 sollte so hoch wie möglich sein, um nicht zum Erdkriechstrom beizutragen.

6 zeigt eine andere mögliche Schaltkreisrealisierung eines Virtuellen Erdreglers (VER). Dieser Regler 120b ist eine Serienverbindung von dem groben Regler 120a und einen nachgeschalteten Regler 120d. Der nachgeschaltete Regler 120d wird durch einen Betriebsverstärker 126 gebildet, der durch eine Hilfsstromversorgung 128 gespeist wird, welche zu dem Ausgang des groben Reglers referenziert ist. Der Betriebsverstärker wird als Spannungsfolger referenziert. Sein Eingang wird zur Erde mittels der hohen Impedanz 125 referenziert. Der Ausgang des nachgeschalteten Reglers wird deshalb sehr präzise am Erdpotential gehalten. Der grobe Regler 120a vermeidet den Gebrauch eines hohen Betriebsverstärkers, weil der Betriebsverstärker 126 von der Speisespannung durch den groben Regler 120a geschützt ist. Die Versorgungsspannung 128 muss gross genug sein, um den dynamischen Ausschlag des groben Reglerausgangs (+/–10 V) aufzunehmen. Die Impedanz 125 sollte vorzugsweise für die Netzspannung im Falle eines Ausfalls des groben Reglers 120a oder der Hilfsversorgung 128 ausgelegt und geeignet sein.

In dem Ausführungsbeispiel der 5 ist die Spannung an dem Ausgang des groben Reglers 120a nicht sinusförmig, sondern aus Gründen der toten Zone der FETs Q1 und Q2 ungefähr quadratisch. Die „Y” Kondensatoren 330 (vgl. 3) hat eine geringe Impedanz für schnell wechselnde Signale. Deshalb, wenn der grobe Regler der 5 verwendet wird, steigt der Kriechstrom durch den Kondensator 330 in Korrespondenz zu den Übergängen im Ausgang des groben Reglers 120a, in welchem der Anstieg dV/dt hoch ist, steil an.

Der grobe Regler 120a der 5 ist eine einfachere Lösung, welche annehmbare Resultate in vielen Fällen bereitstellt. Insbesondere in einem Leistungssystem, welches in RDC Vorrichtungen eingefügt ist, enthält dies einen gewissen Level von Integration und diese sind relativ unsensibel zu kurzen Ausschlägen des Kriechstroms. Die Verwendung des groben Reglers alleine kann in solchen Fällen ausreichend sein.

Der nachgeschaltete Regler 120d stellt eine Spannung von geringer Amplitude und geringem Anstieg an dem Ausgangsknoten 100 bereit, was den Kriechstrom über das Nebenschlussmodul 330 effektiv minimiert. Derselbe Effekt könnte erreicht werden, wenn der Spannungsfolger, der mit dem Betriebsverstärker 126 realisiert wird, mit einem Schaltkreis von diskreten Komponenten, die dieselbe Funktion realisieren, ersetzt wird.

14 illustriert eine mögliche Realisierung eines nachgeschalteten Reglers 120f, welcher den Block 120d in 6 ersetzen könnte. Gemeinsame Komponenten des Schaltkreises der 6 oder anderer Figuren werden durch dieselben Referenzzeichen bezeichnet. Der Regler 120f verwendet zwei Transistoren Q1 und Q2 und eine separate, schwebende Stromversorgung 128, die durch Mittel eines Terminals L1 und L2 an eine geeignete AC Stromquelle verbunden ist.

Der Eingang des nachgeschalteten Reglers wird nahe dem Erdpotential durch ein hochohmiges Netzwerk 125 gehalten und bei mindestens der Netzfrequenz wird das elektrische Potential an dem Ausgangsterminal (Out) sehr gering sein. Die Kriechung des Filterkondensators, der mit dem Ausgang (nicht dargestellt in dieser Figur) verbunden ist, wird deshalb sehr gering sein. Das Ausgangsimpedanznetzwerk 129 blockiert auf der anderen Seite den Durchlass eines RF Rauschstroms durch den Regler. Dieses stellt sicher, dass der RF Strom von der Stromleitung zur Erde über die Kondensatoren „X” und „Y” fliesst.

Der diskrete nachgeschaltete Regler der 14 ist weniger teuer als der Betriebsverstärker der 6 zu realisieren und seine Bandbreite kann ausgewählt werden, um die Risiken von parasitären Antworten und Instabilitäten zu reduzieren.

7 zeigt eine andere Form des groben Reglers 120c, welcher Schalttechniken verwendet. Dieser Schaltkreis teilt viele Komponenten mit dem groben Regulator 120a der 5 und diese sind durch dieselben Referenznummern angezeigt. Ein beachtlicher Unterschied ist, dass die Transistoren Q1 und Q2 durch den digitalen Kontrollschaltkreis 729 angetrieben sind. Dies hat den Vorteil einer hohen Effizienz.

8 zeigt eine alternative Verbindung des virtuellen Erdreglers 120, in welchem der virtuelle Erdknoten zwischen zwei „Y” Kondensatoren 333 und 332 gestellt ist. Dies ist nützlich, wenn grosse „X” Kondensatoren verwendet werden. Der virtuelle Erdregler 120 braucht nur Strom von dem kleineren Kondensator 333 zu ziehen, was dazu führt, dass geringere bewertete Komponenten für die Ausgangsstufe des Reglers verwendet werden können.

9 zeigt den virtuellen Erdregler 120, der an ein aktives Nebenschlussmodul 360 anstelle eines Kondensators verbunden werden kann. Das aktive Nebenschlussmodul 360 ist eine aktive Impedanz, welche dieselben Aufgaben wie der „Y” Kondensator 330 der vorhergehenden Beispiele durchführt. Dank dieser übergeordneten Leistung des aktiven Nebenschlussmoduls 360 ist dieser Schaltkreis geeignet, mit einem der groben Regler 120a oder 120c der 5 bis 7 genutzt zu werden.

10 zeigt das Konzept eines Virtuellen Erdbusses 110. Ein VER Modul 120 kann verwendet werden, um die Kriechung von Mehrfachkondensatornetzwerken, wie sie in mehrstufigen Filtern verwendet werden, zu begrenzen. Optional wird der virtuelle Erdbus 110, von einer Stufe zur nächsten, durch eine Gleichtaktinduktivität 380 mit derselben Anzahl und Ausrichtung von Wicklungen wie die Leistungskondensatoren L1–L3 geleitet. Eine zweite Stufe von Rauschunterdrückung umfassend Kondensatoren 341 und 340 wird eingefügt. Weil der „Y” Kondensator 340 mit dem virtuellen Erdbus 110 verbunden ist, welcher durch den virtuellen Erdregulator 120 nahe dem Erdpotential gehalten wird, trägt er nicht wesentlich zu dem Erdkriechstrom bei. Es versteht sich, dass einer oder beide Kondensatoren 330, 340 gemäss der Notwendigkeit durch kapazitive Netzwerke oder andere Nebenschlussmittel, einschliesslich eines aktiven Nebenschlussmoduls, ersetzt werden können.

11 zeigt den Virtuellen Erdbus in einem mehrstufigen Filter, der die virtuelle Nebenschlusstechnik, wie sie in der Europäischen Patentanmeldung EP 1 619 768 A1,, welche hiermit durch Referenz eingefügt ist, beschrieben ist, anwendet. Mehrfach Gleichtaktstufen werden geformt, während nur ein VER-Modul 120 benötigt wird.

Die virtuelle Nebenschlussinduktivität 600 wird in einer Weise realisiert, um auf dem virtuellen Erdbus 110 einen Spannungsabfall bereitzustellen, der gleich oder proportional zu dem ist, der in den Leistungskondensatoren L1, L2, L3 vorhanden ist, wenn dieser die Induktivität 600 überbrücken. Auf diese Weise ist der Schaltkreis der 11 äquivalent, was das Rauschfiltern angeht, zu einem zweistufigen Filter mit zwei unabhängigen „X” Kondensatorenblöcken, wie dies in der 12 illustriert ist.

13 zeigt einen verbesserten Grobregler 120e. Gemeinsame Komponenten mit dem Grobregler 120a der 5 werden durch dieselben Referenzzeichen angezeigt. Mit dieser Variante des FETs werden Gatter von dem Ausgang eines Betriebsverstärkers 226 angetrieben. Dieser Betriebsverstärker ist als Spannungsfolger konfiguriert, so dass der Reglerausgang sehr nahe am Erdpotential gehalten wird. Der nicht invertierende Eingang des Betriebsverstärkers wird durch eine hohe Impedanz auf die Erde gelegt und dieser wird mit einer Rückkopplungsspannung von den FET Quellen verglichen. Der Übergangstodbereich des FET wird im Prinzip durch den Gewinn des Betriebsverstärkers aufgenommen. Dadurch versorgt die Anordnung der 13 eine Ausgangsspannung, welche sehr viel näher am Erdpotential als die Anordnung der 5 ist. In einer äquivalenten Ausführungsform könnte der Betriebsverstärker 226 durch eine Verstärkerstufe mit einer geeigneten Aufwärtsregelung, die mit bestimmten diskreten Komponenten realisiert ist, ersetzt werden.

Der Betriebsverstärker 226 benötigt eine kleine Hilfsstromversorgung 228 mit einer Spannung grösser als der FET Todbereich (ungefähr +/–5 V). Die Stromversorgung wird auf den FET Quellenausgang gelegt.

Es ist zu beachten, dass der Regler 120b der 6 die präziseste virtuelle Erdreglung bereitstellt. Die Variante 120e der 13 hat jedoch den Vorteil einer kleineren Leistung und Dimensionierung des Betriebsverstärkers 226, als das was in dem Schaltkreis 120b benötigt wird.

15 gibt ein Beispiel eines anderen Ausführungsbeispieles der Erfindung, in welchem ein Relaisschaltkreis 700, der zwei Diskriminatorblöcke 720 und 730, eine Logik AND 710, einen Spannungsregler 740 und eine Relaisvorrichtung 750 enthält, zum EMV Filter hinzugefügt ist. Der EMV Filter umfasst ebenfalls ein Nebenschlussmodul 850 und einen X Kondensatornetzwerk 800 und ein Y Kondensatornetzwerk 900, welche beide zwischen den Phasen 910, 920 und 930 in dem EMV Filter verbunden sind.

Das X Kondensatornetzwerk 800 verursacht Phasen, welche in einem offenen Schaltzustand (durch einen Fehler) nicht komplett tot werden. Unter einer doppelten Fehlerbedingung (2 Phasen offen) werden beide offenen Phasen zur Spannung der verbleibenden Phase erregt. Unter einem einzelnen Fehler (eine Phase offen) wird die offene Phase zur Hälfte der normalen Phasen der Erdspannung erregt. In diesem Fall werden die Diskriminatorblöcke 720 und 730 zwischen voller und halber Spannung diskriminieren, um zu bestimmen, ob ein Fehler aufgetreten ist. Es ist zu beachten, dass andere Komponenten in der Stromversorgung auch die Phasenspannung während eines Fehlers beeinflusst werden.

Die Kontrolle des Relaisschaltkreises 700 hat keine Referenz zur Erde, Fehlerdetektion und Relaisbetätigung sind nur zwischen den Phasen und alle Relaiskontrolle und Betätigungsschaltkreise werden in Bezug auf die Phase L1 referenziert. Es ist zu beachten, dass der Gebrauch der Identifizierungselemente L1, L2 und L3 nur zu technischen Zwecken der Beschreibung sind und in der Praxis irgendeine Phase mit dem Termin verbunden werden kann (d. h. dieses System ist nicht phasensensitiv).

Diskriminatorblöcke 720 und 730 überwachen die Leitungsspannung der Phase L2 und L3 jeweils in Relation zur Phase L1. Wenn die Spannung von einer Phase unter eine Schwellenspannung fallt, wird der Ausgangflag auf gering gesetzt. Die Diskriminatorschwellenspannung wird oberhalb der höchsten Betriebsspitzenspannung und unter die geringste Betriebsspitzenspannung gesetzt. Der Relaisblock wird durch den Logik AND Ausgang kontrolliert. Der Logik AND stellt einen hohen Ausgangflag nur bereit, wenn beide Diskriminatoren auf hoch gesetzt sind.

Die Relaisspule 751 wird mit einem Feldeffekttransistor 752 zwischengespeichert. Leistung wird zu der Relaisspule durch den Spannungsregulator 740 bereitgestellt. Dies ist vorteilhaft, weil die Relaisspulenspannung weniger als die Versorgungsspannung ist und weil die Versorgungsspannung variieren wird. Der Spannungsregulator besteht aus einem Stossstromkondensator 741, einer Gleichrichterdiode 742 und einem Varistor 743, um die Spitzengleichspannung zu limitieren. Gemäss einer nicht dargestellten Variante kann die Relaisvorrichtung 750 durch irgendeine geeignete Schaltvorrichtung ersetzt werden, wie zum Beispiel ein Festkörperrelais, ein Transistor und so weiter. Ein EMV Filter, der oben genannten Relaisschaltkreis umfasst, erlaubt die Isolation des Nebenschlussmodells in dem Fall eines Fehlers.

Beim Einschalten kann die Spannung über das Nebenschlussmodul 850 irgendwo zwischen Null und der Spitzenleitungsspannung schwingen. Relais 750 wird zu diesem Zeitpunkt abgeregt, so dass seine normalerweise offenen Kontakte einen Stromfluss zur Erde verhindern und der Zustrom von Erdkriechung minimiert wird. Bei einem einzelnen Fehler oder einem doppelten Fehler wird das Relais 750 ebenfalls abgeregt, und das Nebenschlussmodul 850 wird von der Erde isoliert.

In dem Schaltkreis der 15 wird eine Seite des Nebenschlussmoduls 850 durch die Relaisvorrichtung 750 geerdet, das andere Ende des Nebenschlussmoduls 850 wird mit dem Ausgang des virtuellen Erdreglers (VER) 120g verbunden. Das begrenzt die Stromfrequenz ELC, die von Störungen der Stromversorgung resultieren.

Unter normalen Betriebsbedingungen, wenn die Relaisvorrichtung 750 geschlossen ist, wird das Y Kondensatornetzwerk 900 an die Stromleitungen L1–L3 angeschlossen und der Z Kondensator Cz des Nebenschlussmoduls 850 wird zwischen dem Sternpunkt des Y Kondensatornetzwerks und der Erde verbunden. Die Serienschaltung dieser beiden Module stellt die Erdwegskapazität in dem Filter bereit.

Der Ausgang des VER Schaltkreises 120g wird mit dem Y Sternpunkt 100 verbunden. Bei Stromfrequenzen wird der Y Sternpunkt 100 nahe dem Erdpotential durch das VER Modul 120g gehalten. Deshalb wird die Z Kapazität an beiden Elektroden nahe dem Erdpotential gehalten und daher nahe einem Nullstrom bei den Stromfrequenzen.

Strom wird an das VER Modul 120g mittels einer Stromversorgung 123a bereitgestellt. Dies umfasst die spannungsstossgetriebenen Kondensatoren 850. Diese Kondensatoren werden dimensioniert, um den Strom in der Stromdissipationsfähigkeit des Spannungsfolgers zu begrenzen. Maximaler Strom wird erreicht, wenn die Impedanzlast gleich der äquivalenten Kondensatorimpedanz ist. Deshalb ist die Stromversorgung selbstbegrenzend.

Das X Kondensatornetzwerk stellt Gegentaktbetätigung in dem bekannten Weg in einem Filter bereit. Es stellt auch mittels der Kondensatoren 860 und den Varistoren S1, S2 einen stabilen Referenzpunkt für die Stromversorgung 123a bereit. Durch den grossen Wert der „X” Kondensatoren stellt der Sternpunkt eine sehr geringe Impedanz dar, und eine sehr geringe Brummversorgungsspannung kann auf diese Weise erhalten werden. Zusätzlich stellt das X Kondensatornetzwerk einen Rückweg für den Strom dar, der von dem Y Kondensatorennetzwerk bereitgestellt wird, anstelle den Strom zur Erde weiterzuleiten, was übermässige ELC vermeidet.

Der Hochpassfilter 866 überwacht die Spannung Vy des Y Sternnetzwerks 100 und stellt eine Kontrollspannung Vl an der nicht invertierenden Eingangsspannung des Betriebsverstärkers 326 gemäss der Übertragungsfunktion Vl/Vy = B(f) bereit. Schaltkreisanalysis des Frequenzverhaltens zeigt, dass der VER Schaltkreis 120g eine sehr geringe Ausgangsimpedanz an dem Sternpunkt 100 bei geringen Frequenzen aufweist, was den Spannungsabfall über das Nebenschlussmodul 850 und die VLC begrenzt. Bei höheren Frequenzen, die von der Übertragungsfunktion B(f) des Hochpassfilters 866 definiert sind, wächst die Ausgangsimpedanz des VER Schaltkreises 120g und kann für das Rauschen komplett missachtet werden, was durch das Nebenschlussmodul 850 geerdet ist.

Die Abschaltefrequenz des Hochpassfilters 866 kann zum Beispiel um 1 kHz platziert werden. Auf diese Weise wird das VER Modul bei einer Frequenz von 50–60 Hz aktiv, um die Erdkriechspannung zu begrenzen und für die grössten harmonischen Komponenten der Leitungsspannung muss das VER Modul 120 g nicht irgendeine hochfrequente Rauschkomponente verarbeiten. Das erlaubt die Verwendung eines einfachen VER Moduls mit hoher Stabilität und geringem Leistungsverbrauch. In dem dargestellten Beispiel wird die Ausgangsstufe des VER Moduls 120g durch ein einziges Q4 dargestellt, um die Zeichnung zu vereinfachen, würde aber vorzugsweise durch ein komplementäres Paar von Transistoren, wie in 13, realisiert werden.

Gemäss einem unabhängigen Aspekt der Erfindung könnte das VER Modul 120g und die Stromversorgungseinheit 123a, die in 15 dargestellt sind, mit der Anordnung der voran gegangenen Ausführungsbeispiele ohne den Relaisschutzschaltkreis 700 kombiniert werden.