ФИЛЬТР ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ

Заявляемая полезная модель относится к помехоподавляющим фильтрам, предназначенным для предотвращения распространения электромагнитных помех в электрической аппаратуре и может быть использована в радиоэлектронной промышленности.
В настоящее время борьба с электромагнитными потерями является одной из самых серьезнейших проблем при создании радиоэлектронной аппаратуры вследствие возрастания функциональных возможностей, миниатюризации, увеличения плотности компоновки и сложности аппаратуры, роста взаимного влияния ее элементов.
В указанной области техники существует проблема глубокого подавления несимметричных кондуктивных помех, распространяющихся в цепях питания.
Для снижения уровня кондуктивных радиопомех, распространяющихся по цепям электропитания, до величин, регламентированных нормативной документацией по электромагнитной совместимости, используются сетевые помехоподавляющие фильтры, подключаемые на входе силовых преобразователей.
Известно большое количество помехоподавляющих фильтров разных типов и имеющих разнообразное схемное решение.
Известны помехоподавляющие фильтры [1] состоящие из конденсаторов, либо из конденсаторов и индуктивностей по схеме Г-образного, П-образного, Т-образного или n-звенного фильтра, в которых индуктивности включены в цепь линейных проводов, а конденсаторы соединяют выводы индуктивностей с корпусом фильтра.
Недостатком таких фильтров является наличие емкостных токов утечки, которые по условиям безопасности должны иметь предельные значения величин, определяемых в соответствии с нормативными документами, например ГОСТ РВ 20.57.310-98. Кроме того, применение таких фильтров ухудшает работу устройств защитного отключения (УЗО), которые реагируют на появление токов утечки на корпус.
Известен фильтр радиопомех [2], в котором конденсаторы, одним выводом подключаются к корпусу, другим выводом соединяются с выводами индуктивных элементов через емкостной делитель, включенный между линейными проводами.
Такой фильтр имеет те же недостатки, и для обеспечения необходимого уровня подавления помех, при условии соблюдения требований электробезопасности, требуется увеличивать количество звеньев и величину индуктивности индуктивных элементов фильтра, что приводит к увеличению массы и габаритов фильтра.
Известен ряд изобретений и полезных моделей: №2214036, №36580, №68209, №99240, в которых сетевые фильтры имеет конструктивные особенности или схемное решение, направленное на значительное уменьшение габаритных размеров фильтра.
При увеличении мощности сетевого фильтра растет ток, протекающий через дроссель, и, соответственно, мощность, рассеиваемая в дросселе, следовательно, при заданных габаритах фильтра мощность, рассеиваемая в фильтре, ограничена условием обеспечения требуемых тепловых режимов (обеспечение условия тепловой совместимости). Необходимость обеспечения требуемых тепловых режимов ограничивает допустимую величину индуктивности дросселя фильтра, поскольку с уменьшением индуктивности дросселя уменьшается рассеиваемое в нем тепло и улучшается его отвод. При этом, чем больше выходная мощность фильтра, тем меньше допустимая индуктивность дросселя. Поэтому, для обеспечения требуемых норм по электромагнитной совместимости в силовых преобразователях большой мощности, приходится уменьшать величину индуктивности фильтра и увеличивать величину емкостей фильтра, что приводит к увеличению тока утечки фильтра, который ограничен требованиями техники безопасности. Поэтому, для мощностей десятки-сотни киловатт следует использовать фильтры электромагнитной совместимости с компенсацией тока утечки.
Наиболее близким аналогом, принятым за прототип, является патент на полезную модель №68209, приоритет 20.06.2007 г.«Сетевой фильтр радиопомех с компенсацией емкостных токов утечки», Патентообладатель -ОАО «Электроавтоматика».
В данном техническом решении сетевой фильтр имеет корпусные зажимы, а также по числу линий n-входных зажима, где n - целое число, которое может быть больше или равно двум, подключенных соответственно к однофазной, или многофазной сети переменного напряжения и n выходных зажимов, подключенных к нагрузке, входные и выходные зажимы соединяются через одно или несколько последовательно включенных звеньев фильтра, каждое из которых состоит из n-фазного индуктивного элемента, являющегося либо тококомпенсирующим дросселем, либо n-фазной системой из n независимых дросселей, включенных в цепь каждой линии, а также n конденсаторов звена, причем первые выводы n конденсаторов звена соединены с входом или выходом n-фазного индуктивного элемента этого же звена, а вторые между собой и с первым выводом корпусного конденсатора данного звена. При этом вторые выводы n конденсаторов соседних звеньев фильтра, первые выводы которых соединены через индуктивный элемент, соединяются через развязывающие дросселя, кроме того, второй вывод корпусного конденсатора каждого звена соединен с корпусом через резистор, причем в одном из звеньев фильтра первый вывод корпусного конденсатора подключается к первому выводу нагрузочного двухполюсника, к инвертирующему входу дифференциального усилителя и к выходу высоковольтного выходного каскада, а второй вывод корпусного конденсатора через дифференцирующий двухполюсник соединяется со вторым выводом нагрузочного двухполюсника и с неинвертирующим входом дифференциального усилителя, выходом подключенного к входу высоковольтного выходного каскада, выводы питания которого подключены к выходам мостового n-фазного выпрямителя, n входов которого соединены с первыми выводами n конденсаторов данного звена и с входами источника питания, выход которого соединен с выводами питания дифференциального усилителя.
Недостатком прототипа является то, что для компенсации тока утечки в фильтре дополнительно введена специальная схема, которая включает в себя ряд дополнительных элементов, дифференциальный усилитель и требует организации питания для обеспечения ее работоспособности.
Задачей заявляемого технического решения является повышение эффективности подавления кондуктивных несимметричных помех в фильтре и снижении его массогабаритных показателей за счет увеличения емкости корпусных конденсаторов при соблюдении требований электробезопасности по ограничению емкостных токов утечки. При этом также обеспечивается упрощение конструкции.
Поставленная задача достигается за счет того, что в предлагаемом фильтре электромагнитной совместимости, имеющий по числу линий от 2 до 5-и входных зажимов, подключенных соответственно к однофазной, или трехфазной сети переменного напряжения и от 2 до 5-и выходных зажимов, входные и выходные зажимы соединены через одно или несколько последовательно включенных звеньев фильтра, каждое из которых состоит из m-проводного индуктивного элемента, где 0≤m≤4, являющегося либо тококомпенсирующим дросселем, либо m-проводной системой из m независимых дросселей, также звено фильтра включает в себя 1 конденсаторов звена, где 0≤i≤3, при этом первые выводы 1 конденсаторов звена, содержащего корпусный конденсатор, соединены с входом или выходом т проводного индуктивного элемента этого же звена, а вторые выводы конденсаторов соединены между собой в общую точку и с первым выводом корпусного конденсатора данного звена, вторым выводом корпусной конденсатор соединен с корпусом, параллельно, по крайней мере, одному корпусному конденсатору подключен дроссель-компенсатор, величина индуктивности которого определена по формуле:
где:
f- частота сетевого напряжения (50 Гц, 60 Гц или 400 Гц).
С - величина емкости корпусного конденсатора данного звена фильтра.
Также возможен вариант выполнения фильтра электромагнитной совместимости, в котором, по меньшей мере, два корпусных конденсатора соединены через дополнительный дроссель, а дроссель-компенсатор подключен параллельно одному из них, при этом величина индуктивности определена по формуле:
где:
f - частота сетевого напряжения (Может быть 50 Гц, 60 Гц или 400 Гц).
0
С - величина суммарной емкости корпусных конденсаторов, соединенных через дополнительный дроссель.
Заявленная совокупность признаков не известна заявителю из доступных источников информации, что позволяет сделать вывод о том, что заявленное изобретение соответствует критерию «новизна».
Технический результат от применения полезной модели заключается в уменьшении емкостных токов утечки фильтра и упрощении конструкции (схемного решения). Принцип компенсации емкостного тока утечки состоит в том, что корпусный конденсатор и дроссель-компенсатор являются параллельным колебательным контуром с резонансной частотой равной частоте сети. А на данной частоте он имеет бесконечно большое сопротивление. Следовательно, амплитуда сигнала с частотой равной частоте сети будет многократно уменьшена.
Заявленное решение поясняется чертежами, где:
На Фиг.1 представлена функциональная схема фильтра электромагнитной совместимости, где:
фильтр электромагнитной совместимости 1, звено фильтра 2, индуктивные элементы 3, разрядные резисторы 4, конденсаторы 5, корпусные конденсаторы 6, дроссели компенсаторы 7.
На Фиг.2 представлена функциональная схема фильтра электромагнитной совместимости 1 с дополнительным дросселем 8, который, пропуская низкочастотные сигналы сети, не пропускает высокочастотные сигналы помехи. Данного условия можно достичь, варьируя материал, из которого выполнен дополнительный дроссель, и подбирая значение его индуктивности.
На фиг.3 представлен фильтр для трехфазной сети без нейтрали с одним корпусным конденсатором 6. Параллельно ему включен дроссель компенсатор 7.
На фиг.4 представлен фильтр для трехфазной сети без нейтрали с двумя корпусными конденсаторами 6, расположенными по обе стороны индуктивного элемента 3. Параллельно каждому корпусному конденсатору 6 подключен дроссель компенсатор 7.
На фиг.5 представлен фильтр для трехфазной сети с нейтралью и двумя корпусными конденсаторами 6. По частоте сети корпусные конденсаторы 6 соединены параллельно, поэтому параллельно любому из них ставиться общий дроссель компенсатор 7.
На фиг.6 представлен фильтр для трехфазной сети без нейтрали с двумя корпусными конденсаторами 6. Корпусные конденсаторы 6 включены параллельно по низкочастотным сигналам частоты сетевого напряжения через дополнительный дроссель 8. Параллельно корпусным конденсаторам 6 включен общий дроссель компенсатор 7.
Устройство работает следующим образом:
Поясняется устройство и функционирование заявляемой полезной модели на примере работы фильтра электромагнитной совместимости 1 однофазной сети. Входы фильтра Л1 и Л2 подключены к сети переменного напряжения, а выходы Н1 и Н2 к нагрузке. Вход и выход фильтра соединены через два последовательно включенные звена 2. Каждое звено состоит из индуктивного элемента 3, двух конденсаторов 5, подключенных к входным выводам индуктивного элемента 3. Параллельно конденсаторам первого звена, а также корпусному конденсатору установлены разрядные резисторы 4. Параллельно корпусным конденсаторам установлены дроссели-компенсаторы 7.
Амплитуда низкочастотного сетевого напряжения многократно снижается при прохождении параллельного контура состоящего из корпусного конденсатора 6 и дросселя-компенсатора 7, тем самым ток утечки многократно уменьшается.
Также возможен вариант, представленный на Фиг.2, когда все корпусные конденсаторы 6 через дополнительные дроссели 8 соединяются параллельно. По низкой частоте корпусные конденсаторы соединены параллельно и, следовательно, их суммарная емкость образует определенное значение. Ставится только один дроссель-компенсатор 7, рассчитанный по вышеприведенной формуле, где С- суммарная емкость всех корпусных конденсаторов.
В простейшем случае с одним конденсатором 6 (Фиг.3), идущим на корпус фильтра электромагнитной совместимости, параллельно конденсатору 6 подключается дроссель компенсатор 7, индуктивность которого рассчитывается по указанной выше формуле, где f - частота сети (50, 60 Гц или 400 Гц); С - емкость конденсатора 6. Параллельное соединение емкости 6 и индуктивности 7 на резонансной частоте (частоте сети) имеет в идеальном случае бесконечно большое сопротивление. В результате этого, ток утечки (ток с частотой сети) с учетом реальных параметров элементов уменьшается в несколько раз.
В случае наличия в фильтре электромагнитной совместимости (Фиг.4) нескольких корпусных конденсаторов 6, соединенных с корпусом, параллельно каждому их них устанавливается дроссель компенсатор, индуктивность которого рассчитывается по вышеописанной формуле.
Если в фильтре электромагнитной совместимости (Фиг.5) несколько корпусных конденсаторов 6 соединенных с корпусом одним концом, другим же концом соединенных через индуктивность фильтра, включенную в нейтральный провод, то в данном случае корпусные конденсаторы 6 для частоты сети равной 50, 60 или 400 Гц оказываются, включены параллельно. Т.к. индуктивность, через которую они соединены, составляет максимум десятки миллигенри и на частоте сети этим значением можно пренебречь. Следовательно, можно подключить один дроссель компенсатор 7 к этим параллельно соединенным конденсаторам. Индуктивность дросселя 7 рассчитывается по вышеописанной формуле, где значение емкости берется как сумма значений емкостей параллельно соединенных конденсаторов.
В случае наличия в фильтре электромагнитной совместимости (Фиг.6) нескольких корпусных конденсаторов 6 соединенных с корпусом и отсутствия нейтрального провода с дросселем (дросселями), через который(ые) данные конденсаторы включены параллельно. В этом случае, следует объединить опорные конденсаторы 6 через дополнительный дроссель (дроссели) 8. При этом электромагнитная помеха не будет проникать через дополнительные дроссели 8, так как по высокой частоте они будут обладать сопротивлением во много раз большем, чем сопротивление корпусных конденсаторов 6. При этом для сигналов частотой сетевого напряжения величиной индуктивности дополнительного дросселя (дросселей) 8 можно пренебречь. Конденсаторы 6 включены параллельно и к ним можно присоединить дроссель компенсатор 7. Индуктивность дросселя 7 рассчитывается по вышеприведенной формуле, где значение емкости берется как сумма емкостей конденсаторов объединенных в параллель через дополнительный дроссель (дроссели) 8.
Для определения уменьшения емкостных токов утечки фильтра электромагнитной совместимости при использовании технического решения, приведенного в описании, проводились лабораторные испытания макетного образца фильтра трехфазного. Результаты испытаний позволили выявить, что с использованием компенсатора тока утечки ток утечки фильтра составляет 5,5 мА, что в несколько раз меньше, чем ток утечки без использования компенсатора утечки тока (39,2 мА). Результаты испытаний представлены в Протоколе испытаний макетного образца, приведенного в Приложении.
Предлагаемая полезная модель значительно более эффективно защищает радиоэлектронную аппаратуру от разного вида помех, которые доставляют все больше неприятностей пользователям аппаратуры, так как в связи с постоянным ростом количества работающего электротехнического и электронного оборудования и ростом его мощности непрерывно возрастает количество, напряжение и мощность помех, проникающих по сетям питания в аппаратуру.
Предлагаемое техническое решение может быть промышленно осуществимо с использованием стандартных комплектующих и существующих технологий.
Библиографические данные: 1. Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры: Справочник/ Г.С.Найвельт, К.Б.Мазель, Ч.И.Хусаинов и др.; под ред. Г.С.Найвельта. - М.: Радиоисвязь, 1985. -576 с., ил. 2. www.epson.com. Filters for Converters in Traction Systems.Туре В84142А*S002. Ordering code В84142А0250S002.