Результат интеллектуальной деятельности: СЕТЕВОЙ ФИЛЬТР

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для предотвращения скачкообразных изменений тока в цепях с устройствами, питающимися от сети переменного тока, а также для предотвращения долговременной подачи избыточного напряжения в цепь нагрузки и для общего энергосбережения активной и реактивной энергии.

Известные в настоящее время сетевые фильтры можно разделить на два основных вида: неадаптивные фильтры, то есть фильтры, не имеющие адаптивных элементов, параметры которых зависят от тока в цепи нагрузки, и адаптивные фильтры.

Известен адаптивный сетевой фильтр, содержащий магнитосвязанные катушки индуктивности на общем ферромагнитном сердечнике, включенные согласно в разрыв линейных проводов сети электропитания, и конденсаторы, связывающие линейные провода между собой и шиной заземления (Т. Уильямс, К. Армстронг. ЭМС для систем и установок. М., ИД «Технологии», 2004, с. 337, рис. 8, 10).

Недостатком известного сетевого фильтра является низкая эффективность при быстром кратковременном повышении или понижении тока в нагрузке как из-за внешних, так и из-за внутренних причин. Указанный фильтр не способен обеспечить фильтрацию одновременно высокочастотных и среднечастотных изменений тока и не обеспечивает режим экономии активной и реактивной энергии.

Известен адаптивный сетевой фильтр, описанный в первом варианте патента RU №2381614 (МПК Н02М 1/16, опубл. 10.02.2010), содержащий катушки индуктивности на ферромагнитных сердечниках, включенные в разрыв линейных проводов, и конденсаторы, связывающие линейные провода между собой и с шиной заземления, при этом катушки индуктивности зашунтированы дополнительно введенными ключевыми резистивными двухполюсниками.

Недостатком известного адаптивного сетевого фильтра является прекращение работы фильтрующих катушек индуктивности при срабатывании от повышенного напряжения шунтирующих двухполюсников, которые предназначены для защиты элементов фильтра, но не для защиты цепи нагрузки.

Наиболее близким к заявляемому изобретению по технической сущности, выбранным в качестве прототипа, является сетевой фильтр, содержащий катушки индуктивности с сердечниками, включенные в разрыв линейных проводов, и конденсатор, связывающий линейные провода между собой, при этом в каждый из линейных проводов дополнительно включена токовая фильтрующая индуктивность с сердечником, снабженная не менее чем одной дополнительной обмоткой, а между линейными проводами включены не менее чем две фильтрокорректирующие цепи, вход каждой из которых подключен к выходу одной из дополнительных обмоток (патент RU №2446549, МПК Н02М 1/16, опубл. 27.03.2012).

Недостатком прототипа является то, что при достаточно эффективном обеспечении режима работы фильтрующих катушек индуктивности на нагрузках, имеющих индуктивно-активный характер, на нагрузках активного и активно-емкостного характера эффективность работы сетевого фильтра значительно снижается.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является устранение указанного недостатка, совершенствование конструкции сетевого фильтра.

Технический результат заключается в использовании энергии повышающегося в нагрузке тока для уменьшения полной составляющей протекающего в нагрузке тока, в снижении тока, подаваемого на нагрузку, а также в обеспечении возможности контроля допустимого предела снижения напряжения в нагрузке по техническим характеристикам, и, как следствие, в экономии электроэнергии, потребляемой нагрузкой.

Технический результат достигается тем, что сетевой фильтр, содержащий включенные в разрывы каждого из линейных проводов катушку индуктивности с сердечником и токовую фильтрующую индуктивность с сердечником, снабженную не менее чем одной дополнительной обмоткой, включенные между линейными проводами конденсатор и не менее чем две фильтрокорректирующие цепи, вход каждой из которых подключен к выходу одной из дополнительных обмоток, дополнительно содержит включенные последовательно между линейными проводами катушку подмагничивания и балластные индуктивности с сердечниками и управляющими обмотками, которые одним из выводов подключены к одному из линейных проводов, пороговое решающее устройство, включенное на входе между линейными проводами, первые электронные коммутирующие устройства, включенные между одним из линейных проводов и входами управляющих обмоток, вторые электронные коммутирующие устройства, включенные параллельно балластным индуктивностям, при этом выходы порогового решающего устройства соединены с первыми и вторыми электронными коммутирующими устройствами, а катушка подмагничивания установлена, по меньшей мере, на один из сердечников катушек индуктивности.

Изобретение поясняется блок-схемой сетевого фильтра, фиг. 1. Сетевой фильтр включает в себя входные 1, 2 и выходные 3, 4 выводы для подключения его в разрыв линейных проводов С и Д. Между входными выводами 1, 2 и 3, 4 включены катушки индуктивности 5, 6 с сердечниками и конденсатор 7, образующие широкополосный фильтр, и последовательно с ними токовые фильтрующие индуктивности 8 и 9, например фильтры средних частот с сердечниками. Токовые фильтрующие индуктивности 8 и 9 снабжены дополнительными обмотками 10 и 11. Между линейными проводами включены, по меньшей мере, две фильтрокорректирующие цепи А и Б. Каждая из фильтрокорректирующих цепей А и Б содержит электронный ключевой, соответственно 13 и 12, и реактивный 14 и 15 элементы. Выходы дополнительных обмоток 10 и 11 через детектирующие устройства 16 и 17 подключены соответственно к электронным ключевым элементам 12 и 13 фильтрокорректирующих цепей А и Б. Не менее чем на один из сердечников катушек индуктивности 5 и 6, например на оба, установлена катушка подмагничивания 18, включенная одним выводом на линейный провод С, а вторым выводом - к первому выводу балластной индуктивности 19, которая вторым выводом соединена с первым выводом балластной индуктивности 21, подключенной вторым выводом на линейный провод Д. Между входами 1, 2 и соответственно линейными проводами С и Д включено пороговое решающее устройство 27, которое подает сигналы включения или выключения на электронные коммутирующие устройства 23, 24, подключенные между линейным проводом С и одним выводом управляющих обмоток 20, 22, и электронные коммутирующие устройства 25, 26, которые подключены параллельно балластным индуктивностям 19, 21, при этом вторые выводы управляющих обмоток 20, 22 подключены к линейному проводу Д.

Сетевой фильтр работает следующим образом.

При подключении нагрузки к выходным выводам 3, 4 линейных проводов С и Д ток начинает протекать по замкнутой цепи: входной вывод 1, катушка индуктивности 5, токовая фильтрующая индуктивность 8, в которой происходит фильтрация токов средней частоты, нагрузка, токовая фильтрующая индуктивность 9, катушка индуктивности 6, выходной вывод 2. Широкополосный фильтр, образованный катушками индуктивности 5, 6 и конденсатором 7, обеспечивает сглаживание импульсов тока при их возникновении в нагрузке. При этом в дополнительных обмотках 10 и 11 создается напряжение, пропорциональное току в фильтрах средних частот 8 и 9 соответственно. Включение фильтрокорректирующих цепей А и Б происходит при достижении напряжением на дополнительных обмотках 10 и 11 порогов срабатывания детектирующих элементов 16 и 17. При этом данные пороги срабатывания зависят от вольт-амперных и частотно-временных характеристик детектирующих элементов 16 и 17 и могут быть выбраны, например, один больше другого. Если на дополнительной обмотке 10 создастся напряжение, при котором напряжение на детектирующем элементе 16 превысит порог срабатывания ключевого элемента 12, то ключевой элемент 12 включится и совместно с реактивным элементом 14 сделает активной фильтрокорректирующую цепь Б. Если на обмотке 11 создастся напряжение, при котором напряжение на детектирующем элементе 17 превысит порог срабатывания ключевого элемента 13, то ключевой элемент 13 включится и совместно с реактивным элементом 15 сделает активной фильтрокорректирующую цепь А. Постоянные времени детектирующих элементов 16 и 17 выбирают таким образом, что включение и выключение фильтрокорректирующих цепей происходит достаточно плавно, но не замедленно - в течение нескольких десятков периодов частоты питающего напряжения. При уменьшении тока в нагрузке, постоянном либо импульсном, процесс отключения фильтрокорректирующих цепей А и Б происходит в обратном от описанного выше порядке. Подключение фильтрокорректирующих цепей А и Б приводит к отводу токов реактивного характера от нагрузки в эти параллельные цепи, что приводит в динамике к уменьшению углов сдвига фаз между током и напряжением в цепи относительно входа на входных выводах 1, 2 и уменьшению подсчитываемой потребляемой мощности. При этом, так как при уменьшении тока нагрузки происходит адаптивный процесс отключения фильтрокорректирующих цепей А и Б, они дополнительной нагрузки не вносят, а работают только как компенсаторы.

На катушке подмагничивания 18 и включенных последовательно с ней балластных индуктивностях 19, 21 приложено входное напряжение с входных выводов 1, 2, что создает на катушках индуктивности 5, 6 через общий сердечник ток подмагничивания, противоположный току в нагрузке. Соотношение параметров катушек индуктивности 5, 6, катушки подмагничивания 18 и балластных индуктивностей 19, 21 выбирают так, что ток подмагничивания уменьшает ток на выходе сетевого фильтра на некоторую величину, например на 15-17%. При этом, если напряжение на входных выходах 1, 2 падает ниже величины первой пороговой уставки, установленной параметрами порогового решающего устройства 27, последнее срабатывает и подает сигналы управления на электронные коммутирующие устройства 23, 25, устройство 23 включается и с помощью управляющей обмотки 20 через общий сердечник подает напряжение на балластную индуктивность 19, при этом устройство 25 отключается, что создает уменьшение тока на выходах 3, 4 сетевого фильтра на уменьшенную величину, например на 7-10%. Если напряжение на входных выходах 1, 2 падает ниже величины второй пороговой уставки, установленной параметрами порогового решающего устройства 27, то последнее срабатывает и, удерживая сигналы управления на электронных коммутирующих устройствах 23, 25, подает сигналы управления на электронные коммутирующие устройства 24, 26, устройство 24 включается и с помощью управляющей обмотки 22 через общий сердечник подает напряжение на балластную индуктивность 21, при этом устройство 26 отключается, что создает уменьшение тока на выходах 3, 4 сетевого фильтра на еще более уменьшенную величину, например 2-3%.

В совокупности с уменьшением полного тока и уменьшением потребляемой электроэнергии на нагрузках реактивного и реактивно-активного типа такой алгоритм работы сетевого фильтра с током нагрузки приводит к уменьшению потребляемой электроэнергии, в том числе и на нагрузках активного и активно-емкостного типа, сохраняя при этом гарантированное электроснабжение нагрузки в широком диапазоне входных напряжений.

Пример

В качестве нагрузки использовали компрессорное устройство с системой запуска. При включении устройства индуктивный ток системы запуска не проходит через входные выходы 1, 2, а замыкается в фильтрокорректирующих цепях А и Б. Параметры фильтрокорректирующих цепей могут быть достаточно точно выбраны, так как соотношение реактивного и активного тока у компрессорного устройства в процессе работы существенно не меняется. Если напряжение, подаваемое из сети на сетевой фильтр, превышает уставку срабатывания порогового решающего устройства, то во входных цепях фильтра за счет создания подмагничивания ток нагрузки уменьшается на максимальную величину, заданную параметрами фильтра. Если входное напряжение понижается, что вызывает срабатывание порогового решающего устройства, то величина уменьшения тока на сетевом фильтре падает, что вызывает сохранение токового режима компрессорного устройства в сочетании со средней экономией электроэнергии. Дальнейшее понижение входного напряжение приводит к снижению доли уменьшения тока на сетевом фильтре, что вызывает сохранение токового режима компрессорного устройства в сочетании с небольшой экономией электроэнергии. В совокупности уменьшение полного тока и фильтрация излишнего питающего сетевого тока путем его уменьшения до допустимого предела не нарушает работы компрессорного устройства, но снижает величину потребляемой им электроэнергии. Кроме этого, как дополнительное положительное свойство сетевого фильтра можно отметить сглаживание бросков сетевого напряжения и, следовательно, увеличение ресурса работы компрессорного устройства.

Измерения потребленной компрессорным устройством электрической энергии в течение отрезков времени, равных 2-3 часам, показали ее экономию при включении с сетевым фильтром в количестве от 10 до 18% по сравнению с работой без фильтра.

Таким образом, по сравнению с прототипом заявляемый сетевой фильтр совмещает уменьшение полного тока, потребляемого от сети, с допустимым пороговым уменьшением питающего сетевого тока, подаваемого на нагрузку, что позволяет существенно экономить потребляемую нагрузкой электроэнергию.