DE3525877C2 - Störschutzfilter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Störschutzfilter für ein Drei-Pha­ sen-Vier-Leitersystem in Sternschaltung.

Aus US 3,813,593 ist es bei einem Störschutzfilter für ein Drei-Phasen-Vier-Leitersystem in Sternschaltung bekannt, eine Einrichtung zum Korrigieren einer Wellenformverzerrung auf­ grund einer nicht ausgeglichenen Last (Elektromotor) an jedem Leiter der drei Phasen eines Kraftübertragungssystems vorzuse­ hen.

Aus Buchhold/Happoldt: Elektrische Kraftwerke und Netze. 4. Auflage, Springer-Verlag Berlin/Göttingen/Heidelberg 1963, Seite 589 bis 591, ist es weiterhin bekannt, daß in einem Drehstromnetz mit Nulleiter zum Schutz gegen Kurzschluß der Spannungsleiter der Leitwert des Nulleiters mindestens gleich dem des Außenleiters sein muß.

Schließlich ist es aus JP 57-162 814 (A) bekannt, bei einem Störschutzfilter für ein Drei-Phasen-Vier-Leitersystem in Sternschaltung eine Spule für einen Leiter in zwei Teile zu unterteilen. Hierbei ist eine gemeinsame Spule mit einem Ma­ gnetkern, der einen geschlossenen magnetischen Kreis bildet, vorgesehen, wobei die gemeinsame Spule vier Wicklungen um den Magnetkern aufweist.

Wie es allgemein bekannt ist, wird ein Störschutzfilter mit einem Teil, an dem Störungen erzeugt werden oder an dem eine Energiequelle angeschlossen ist, oder mit einem Teil eines Leiters zwischen einer Störungsquelle und einer geschützten Einrichtung verbunden, so daß keine Störungen erzeugt und eingeleitet werden und gleichzeitig ein fehler­ haftes Arbeiten verschiedener Einrichtungen vermieden wird. Um dem Erfordernis einer hohen Frequenz und einer Beschrän­ kung von ausgestrahlten Störungen zu genügen, werden elek­ tronische Einrichtungen und Geräte mit Störschutzfiltern ver­ sehen. Beispielsweise hat ein elektronischer Großrechner im allgemeinen einen Eingabe­ leitungsaufbau, bei dem eine Ein-Phasen-Schaltenergiequelle zwischen einen Spannungsleiter jeder Phase und einen neutra­ len Leiter eines Drei-Phasen-Vier-Leitersystems in Stern­ schaltung geschaltet ist. Eine derartige Schaltenergiequelle ist im allgemeinen als Eingangsteil mit einer Kondensatorein­ gangsgleichrichter-Glättungsstufe versehen.

Das Störschutzfilter, das an dem Netz eines derartigen Drei- Phasen-Vier-Leitungssystems in Sternschaltung vorgesehen ist, besteht im allgemeinen aus einer Kombination einer gemeinsa­ men Spuleneinrichtung und Kondensatoren, wie es ähnlich bei einem Einphasenstörschutzfilter der Fall ist. Die gemeinsame Spuleneinrichtung weist vier Wicklungen von Spannungsleitern der R-Phase, der S-Phase, der T-Phase und des neutralen Lei­ ters auf, die um einen magnetischen Kern mit einem geschlossenen magnetischen Kreis gewickelt sind, so daß eine Gleichtakt­ störung unterdrückt wird.

In einem Netz eines Drei-Phasen-Vier-Leitersystems in Stern­ schaltung wird der symmetrische sinusförmige Strom zu jeder Phase kombiniert, was zur Folge hat, daß kein elektrischer Strom durch den neutralen Leiter fließt. Selbst wenn darüber hinaus der elektrische Strom jeder Phase unsymmetrisch ist, ist der über den neutralen Leiter fließende elektrische Strom extrem klein, da die Anteile jeder Phase bereits unterdrückt werden, so daß sich ein solch kleiner Strom ergibt.

Bei einem herkömmlichen Störschutzfilter für ein Drei-Phasen- Vier-Leitersystem wird der Leiter für die neutrale Phase nicht berücksichtigt und der neutrale Leiter hat eine Quer­ schnittsfläche, die kleiner oder gleich der Querschnittsflä­ che der anderen Leiter ist. Es wird davon ausgegangen, daß ein derartiger Draht für den neutralen Leiter überhaupt keine Nachteile mit sich bringt. Um für eine größere Stromführungs­ kapazität zu sorgen, werden Leitungsdrähte mit größerem Durch­ messer in der kleinstmöglichen Anzahl benutzt, wobei jedoch davon ausgegangen wird, daß der neutrale Leiter, durch den nur ein kleiner Strom fließt, in Hinblick auf eine Vereinfa­ chung der Verdrahtung und eine Ausbildung des Magnetkernes im Kleinformat aus einem Draht mit kleinerem Durchmesser be­ stehen kann.

Es wurde ein Störschutzfilter mit einer gemeinsamen Spule und Kondensatoren gebildet, bei dem die vier Wicklungen, die die gemeinsame Spule bilden, aus demselben leitenden Drahtmaterial bestehen. Das in dieser Weise gebildete Störschutzfilter wur­ de in eine Schaltung eines Drei-Phasen-Vier- Leitersystems in Sternschaltung geschaltet, und eine Ein-Phasenschaltenergie­ quelle mit einer Kondensatoreingangs-Gleichrichterstufe als Eingangsteil wurde zwischen die Spannungsleiter jeder Phase der Ausgangsstufe und den neutralen Leiter geschaltet und an­ schließend betrieben. Obwohl die Vorrichtung so ausgelegt war, daß sie einen ausreichenden Spielraum gegenüber dem durch den Spannungsleiter jeder Phase fließenden elektrischen Strom hatte, übertraf der Temperaturanstieg des Störschutz­ filters den Normwert des Filters.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Störschutzfilter für ein Drei-Phasen-Vier-Leitersystem zu schaffen, das den Temperaturanstieg während der Zeit begrenzen kann, während der ein Nennstrom zugeführt wird, so daß es eine hohe Zuverlässigkeit und Sicherheit bietet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs gelöst.

Das erfindungsgemäße Störschutzfilter ist insbesondere dann wirksam, wenn seine Ausgangsseite so geschaltet ist, daß eine Last zwischen den Spannungsleitern jeder Phase und dem neutralen Leiter über eine Kondensatoreingangs-Gleichrichter­ schaltung liegt, das Filter kann jedoch auch an anderen Stel­ len ohne Schwierigkeiten und Probleme vorgesehen werden. Der elektrische Leitungsdraht für den neutra­ len Leiter ist so gewählt, daß seine Querschnittsfläche im we­ sentlichen gleich der Gesamtfläche der anderen elektrischen Leitungsdrähte für die Spannungsleiter ist. Elektrische Leitungsdrähte mit gleichem Durchmesser werden im allgemeinen für die Spannungsleiter benutzt, so daß die Querschnittsflä­ che des Leitungsdrahtes für den neutralen Leiter so gewählt wird, daß sie etwa dreimal so groß wie die Querschnittsfläche jedes Spannungsleiters ist. Wenn Drosselspulen in den Span­ nungsleitern jeder Phase und im neutralen Leiter als Maßnah­ me gegen die symmetrische Störspannung zwischen den Leitern liegen, ist die Drosselspule für den neutralen Leiter so ge­ wählt, daß sie einen Nennstrom hat, der dreimal so groß wie der der Drosselspulen für die Spannungsleiter jeder Phase ist.

Wenn somit ein großer Strom als Folge der Addition der elektrischen Ströme durch die Spannungsleiter jeder Phase über den neutralen Leiter fließt, kann der Tem­ peraturanstieg oder die Wärmezunahme des Störschutzfilters so klein wie möglich gehalten werden.

Im folgenden werden anhand der Zeichnung Ausführungsbeispiele der Erfindung näher be­ schrieben. Es zeigen:

Fig. 1 in einem Erläuterungsdiagramm ein Ausführungsbeispiel des Störschutzfilters,

Fig. 2 in einem Schaltbild eines Ausfüh­ rungsbeispiels des Störschutzfilters ein praktisches Anwendungsbeispiel,

Fig. 3 in einem Erläuterungsdiagramm die Spannungs- und Stromwellenformen je­ der Phase in der in Fig. 2 dargestell­ ten Schaltung, und

Fig. 4 in einem Schaltbild eines Ausführungs­ beispiels des Stör­ schutzfilters ein weiteres Beispiel der praktischen Anwendung.

Ein Störschutzfilter für ein Drei-Phasen-Vier-Leitersystem be­ steht aus einer Kombination einer gemeinsamen Spuleneinrich­ tung, Kondensatoren und einer Drosselspuleneinrichtung, wie es ähnlich bei einem allgemein bekannten Ein-Phasen-Stör­ schutzfilter der Fall ist.

Fig. 1 zeigt ein Störschutzfilter 1 für ein Drei-Phasen-Vier- Leitersystem mit einer gemeinsamen Spule 2 an der Eingangs­ seite, wobei drei Kondensatoren zwischen den Spannungsleiter 5 jeder Phase und den neutralen Leiter 6 geschaltet sind. Die gemeinsame Spule 2 besteht aus einem Magnetkern 4 in Form eines geschlossenen magnetischen Kreises und vier Wicklun­ gen, die um den Magnetkern 4 gewickelt sind. Der Magnetkern 4 kann ein ringförmiger Ferritkern sein, wobei jedoch zur Erleichterung der Wickelarbeit eines Leiterdrahtes mit einem relativ großen Durchmesser der Magnetkern 4 aus zwei U-för­ migen Ferritkernen, die miteinander kombiniert werden, oder aus einer Kombination eines U-förmigen Ferritkerns und eines I-förmigen Ferritkerns bestehen kann, die eine Rechteckform bilden. An drei Seiten des in dieser Weise gebildeten recht­ eckigen Magnetkerns 4 sind Leiterdrähte mit gleichem Durch­ messer gewickelt, um drei Spannungsleiter 5 der R-Phase, der S-Phase und der T-Phase zu bilden, wobei ein Leiterdraht mit einem wesentlich größeren Durchmesser als jeder der oben be­ schriebenen drei Spannungsleiter 5 um die restliche eine Seite des Magnetkerns 4 gewickelt ist, um einen neutralen Leiter 6 zu liefern. Vorzugsweise ist der Leitungsdraht für den neu­ tralen Leiter 6 so gewählt, daß er eine Querschnittsfläche hat, die bis zu dreimal so groß wie die jedes der obengenann­ ten Spannungsleiter 5 ist. Diese Wicklungen werden in dersel­ ben Richtung relativ zum Magnetkern 4 gewickelt.

Die Grundarbeitsweise eines Störschutzfilters für ein Drei- Phasen-Vier-Leitersystem ist im wesentlichen der eines Ein- Phasenstörschutzfilters ähnlich, das im weiten Umfang in be­ kannter Weise benutzt wird. Vier Wicklungen für vier Phasen (R-Phase,S-Phase,T-Phase und N-Phase) sind in dieselbe Rich­ tung auf-den Magnetkern 4 in Form eines geschlossenen magneti­ schen Kreises gewickelt, so daß sie Spulen L_R, L_S, L_T und L_N bilden. Wenn ein elektrischer Strom durch die Spannungs­ leiter 5 mit einem Phasenunterschied von 120° fließt, heben sich die davon erzeugten Magnetflüsse gegenseitig auf und der Magnetkern 4 ist nicht gesättigt. Selbst wenn die elektri­ schen Ströme in den Spannungsleitern 5 unsymmetrisch werden, fließt nur ihr Differenzanteil durch den neutralen Leiter 6, so daß der Magnetkern 4 keineswegs gesättigt ist. Die in die­ ser Weise gebildete gemeinsame Spule schließt eine Gleichtakt­ störung aus.

Fig. 2 zeigt ein Beispiel einer elektrischen Schaltung, bei der ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Störschutz­ filters 1 vorgesehen ist. Die dargestellte elektrische Schal­ tung hat einen derartigen Aufbau, daß elektrische Energie über eine Verteilungsleitung eines Drei-Phasen-Vier-Leiter­ systems in Sternschaltung geliefert wird, die mit einer je­ weiligen Ein-Phasen-Schaltenergieversorgung 7 über das Störschutz­ filter 1 verbunden ist. Jede Ein-Phasen-Schaltenergieversor­ gung 7 ist an ihrer Ausgangsseite zwischen den Spannungslei­ ter 5 jeder Phase und den neutralen Leiter 6 geschaltet. Wie es vergrößert in Fig. 2 dargestellt ist, weist die Ein-Phasen- Schaltenergieversorgung 7 an ihrer Eingangsseite eine Konden­ satoreingangs-Gleichrichterstufe auf. Sie hat nämlich einen Aufbau, bei dem ein Eingangswechselstrom durch eine Dioden­ brücke 8 gleichgerichtet und durch einen Glättungskondensa­ tor 9 geglättet wird, wobei der geglättete Ausgangsstrom ei­ ner Reihenschaltung aus einem Transformator 10 und einem Schalttransistor 11 zugeführt wird. Durch ein Umschalten des Schalttransistors 11 wird eine elektrische Spannung an der Sekundärseite des Transformators 10 induziert und als elektri­ sche Energieversorgung benutzt.

Das Störschutzfilter 1 kann den in Fig. 1 dargestellten Grund­ aufbau haben, bei dem in Fig. 2 dargestellten Beispiel ist jedoch ein Kondensator 12 zwischen den Spannungsleiter 5 je­ der Phase und Masse sowie zwischen den neutralen Leiter 6 und Masse geschaltet. Der neutrale Leiter 6 weist eine Quer­ schnittsfläche auf, die wesentlich größer als die Querschnitts­ fläche jedes Spannungsleiters 5 ist.

Fig. 3 zeigt die Spannungswellenform und die Stromwellenform jeder Phase des Störschutzfilters 1 für den Fall, daß eine Ein- Phasen-Schaltenergieversorgung, wie sie oben beschrieben wur­ de, zwischen den Spannungsleiter 5 jeder Phase und den neutra­ len Leiter 6 geschaltet ist. Die Spannung V_RN der R-Phase, die Spannung V_SN der S-Phase und die Spannung V_TN der T-Phase haben einen Phasenunterschied von 120° zueinander und liegen an der entsprechenden Ein-Phasen-Schaltenergieversorgung 7. Wenn die elektrischen Ströme i_R, i_S und i_T sinusförmig sind und eine Phasenverschiebung zueinander von 120° haben, ist der elek­ trische Strom i_N, der durch den neutralen Leiter 6 fließt, gleich Null. Wenn jedoch eine Ein-Phasen-Schaltenergieversorgung 7 mit einer Kondensatoreingangs-Gleichrichterstufe als Ein­ gangsteil verwandt wird, hat der elektrische Strom jeder Pha­ se keine Sinusform. Wenn elektrische Energie einer Last, d. h. der Sekundärspule des Transformators 10, zugeführt wird, wird der Glättungskondensator 9 entladen und nimmt daher die Span­ nung am Anschluß des Glättungskondensators 9 ab. Im Gegensatz dazu fließen elektrische Ströme jeder Phase durch die elektri­ sche Leitung, so daß der Glättungskondensator 9 aufgeladen wird. Der Zeitpunkt der Entladung ist jedoch auf ein sehr kurzes Zeitintervall begrenzt, das dem maximalen Wert der Spannungswellenform jeder Phase benachbart ist, da der Glät­ tungskondensator 9 mit dem Ladestrom versorgt wird, nachdem die Spannung jeder Phase sich in eine Sinusform geändert hat und allmählich soweit angestiegen ist, daß sie die Klemmen­ spannung des Glättungskondensators 9 überschreitet. Folglich werden impulsförmige elektrische Ströme i_R, i_S und i_T an Stel­ len neben den Spitzenwerten der Spannungswellenform für jede Phase geliefert, wie es in Fig. 3 dargestellt ist. Wie es in Fig. 3 dargestellt ist, ist im schlimmsten Fall der Zeitpunkt der Ströme, die durch die Spannungsleiter fließen, voll­ ständig zueinander inkonsistent und es fließt ein großer Strom i_N als Folge der Addition der Absolutwerte durch den neutra­ len Leiter. Gemäß der Erfindung hat der neutrale Leiter 6 je­ doch eine größere Querschnittsfläche als jeder Spannungslei­ ter 5, so daß weniger Wärme selbst dann erzeugt wird, wenn ein großer Strom hindurchfließt und der Temperaturanstieg des Störschutzfilters 1 begrenzt werden kann. Aus Fig. 3 ist er­ sichtlich, daß ein elektrischer Strom, der dreimal so groß wie der elektrische Strom in den Spannungsleitern 5 ist, im schlimmsten Fall durch den neutralen Leiter 6 fließt, so daß vorzugsweise der neutrale Leiter 6 eine Querschnittsfläche hat, die dreimal so groß wie die jedes Spannungsleiters 5 ist.

Fig. 4 zeigt das Schaltbild eines weiteren Beispiels, bei dem ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Störschutzfil­ ters 1 vorgesehen ist. Der Grundaufbau der in Fig. 4 dargestell­ ten Schaltung ist im wesentlichen ähnlich dem in Fig. 2 dar­ gestellten Beispiel, so daß gleiche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Bauelemente bezeichnen, die aus Gründen der Einfachheit nicht nochmals beschrieben werden. Bei dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel liegen Drosselspulen CH_R, CH_S, CH_T und CH_N in jeder Phase. Um die sogenannte symmetrische Störung auszuschließen, die zwischen den elek­ trischen Leitungen erzeugt wird, ist eine Drosselspule im allgemeinen in jeder elektrischen Leitung vorgesehen. In ei­ nem solchen Fall ist eine Drosselspule CH_N, die im neutralen Leiter 6 liegt, so gewählt, daß sie einen wesentlich größeren Nennstrom als die anderen Drosselspulen CH_R, CH_S und CH_T für die Spannungsleiter 5 hat. Vorzugsweise hat die Drosselspule CH_N einen Nennstrom, der dreimal so groß wie der Nennstrom der anderen Drosselspulen der Spannungsleiter 5 ist. Natür­ lich hat der neutrale Leiter 6 der gemeinsamen Spule 2 eine größere Querschnittsfläche als die anderen Spannungsleiter 5, wie es ähnlich bei dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel der Fall war. Wie es im Vorhergehenden beschrieben wurde, fließt im schlimmsten Fall ein großer Strom, der dreimal so groß wie der durch die Spannungsleiter 5 fließende elektrische Strom ist, durch den neutralen Leiter 6, wenn die Lastverhält­ nisse in jeder Phase im wesentlichen äquivalent sind. Bei dem in Fig. 4 dargestellten Schaltungsaufbau ist die Wärmeerzeu­ gung auf ein Minimum selbst dann begrenzt, wenn ein großer Strom, der dreimal so große wie der der Spannungsleiter 5 wäre, durch den neutralen Leiter 6 fließt, und ist die Drosselspule CH_N nicht gesättigt, so daß die symmetrische Störung und die Gleichtaktstörung wirksam unterdrückt werden.

Gemäß der Erfindung ist die Wärmeerzeugung im neutralen Lei­ ter 6 so gering wie möglich und wird der Temperaturanstieg zum Zeitpunkt des Nennstromes begrenzt, so daß den verschiedenen Arten von elektronischen Geräten und Einrichtungen, bei denen das erfindungsgemäße Störschutzfilter 1 vorgesehen ist, eine hohe Zuver­ lässigkeit und Sicherheit gegeben werden kann.

Claims (1)

1. Störschutzfilter für ein Drei-Phasen-Vier-Leitersystem in Sternschaltung, umfassend eine gemeinsame Spule (2) mit einem Magnetkern (4), der einen geschlossenen magnetischen Kreis bildet, wobei die gemeinsame Spule (2) drei Spannungsleiter (5), die um den Magnetkern (4) zur Ausbildung einer R-, S- und einer T-Phase gewickelt sind, und einen neutralen Leiter (6) für die N-Phase sowie drei Kondensatoren (3), die zwischen den neutralen Leiter (6) und den Spannungsleitern (5) jeder Phase geschaltet sind, wobei der neutrale Leiter (6) eine Querschnittsfläche aufweist, die etwa dreimal so groß ist wie die Querschnittsfläche eines der Spannungsleiter (5).