Сетевой фильтр
NETWORK FILTER

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для предотвращения скачкообразных изменений тока в цепях с устройствами, питающимися от сети переменного тока, предотвращения долговременной подачи избыточного напряжения в цепь нагрузки и общего энергосбережения активной и реактивной энергии
Предшествующий уровень техники
В настоящее время известно большое количество сетевых фильтров с различными характеристиками. Основные виды: неадаптивные фильтры, т.е. 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 этого 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 неспособен обеспечить фильтрацию одновременно и высокочастотных и среднечастотных изменений тока и не обеспечивает режим экономии активной и реактивной энергии.
Известен сетевой фильтр, описанный в патенте RU 2446549 (МПК Н02М 1/16, 27.03.2012 г.), выбранный в качестве прототипа, содержащий катушки индуктивности с сердечниками, включенные в разрыв линейных проводов, и конденсатор, связывающий линейные провода между собой, и включенные в каждый из линейных проводов токовые фильтрующие индуктивности с сердечником, снабженные не менее чем одной дополнительной обмоткой, с включенными между линейными проводами не менее чем двумя фильтро-корректирующими цепями, вход каждой из которых подключен к выходу одной из дополнительных обмоток.
Недостатком устройства является то, что при достаточно эффективном обеспечении режима работы фильтрующих катушек индуктивности на нагрузках, имеющих индуктивно-активный характер, имеет место значительно менее эффективная работа сетевого фильтра на нагрузках активного и активно-емкостного характера.
Сущность изобретения
Задача изобретения - совершенствование конструкции сетевого фильтра.
Технический результат предлагаемого изобретения направлен на использование энергии повышающегося в нагрузке тока для уменьшения полной составляющей протекающего в нагрузке тока и на снижение тока, подаваемого на нагрузку из сети, с контролем допустимого предела снижения напряжения в нагрузке по техническим характеристикам и, как следствие, к экономии электроэнергии, потребляемой нагрузкой.
Указанный 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, между линейными проводами включены конденсатор и не менее чем две фильтро-корректирующие цепи, вход каждой из которых подключен к выходу одной из дополнительных обмоток, дополнительно содержит включенные последовательно между линейными проводами катушку подмагничивания и балластную индуктивность с сердечником, пороговое устройство, включенное на входе между линейными проводами, электронное коммутирующее устройство, включенное между одним из линейных проводов и точкой соединения катушки подмагничивания и балластной индуктивности, при этом выход порогового устройства соединен с электронным коммутирующим устройством, а катушка подмагничивания установлена на не менее чем один из сердечников катушек индуктивности.
Перечень чертежей
Блок-схема сетевого фильтра экономайзера приведена на фиг. 1.
Подробное описание изобретения
Сетевой фильтр включает в себя входные 1, 2 и выходные 3, 4 выводы для подключения его в разрыв линейных проводов А и Б. Между входными выводами 1, 3 и 2, 4 включены катушки индуктивности 5 и 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 не менее двух, например две, фильтро-корректирующие цепи А и Б. Каждая из фильтро-корректирующих цепей А и Б содержит электронный ключевой, соответственно 12 и 13, 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 фильтро-корректирующих цепей А и Б. На не менее чем 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 подключена на линейный провод Д. Между входами 1, 2 и, соответственно линейными проводами С и Д, включено пороговое устройство 20, которое подает сигнал включения или выключения на электронное коммутирующее устройство 21, подключенное между точкой соединения катушки подмагничивания 18 и балластной индуктивности 19 и линейным проводом 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 фильтро-корректирующих 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 вольтамперных 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 фильтро-корректирующую 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 фильтро-корректирующую цепь А. Постоянные времени детектирующих элементов 16 и 17 выбирают таким образом, что включение и выключение фильтро-корректирующих 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 фильтро-корректирующих цепей А и Б идет в обратном от описанного выше порядке. Подключение фильтро-корректирующих 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 клеммах 1, 2 и уменьшению подсчитываемой потребляемой мощности. При этом так как при уменьшении тока нагрузки происходит адаптивный процесс отключения фильтро-корректирующих цепей А и Б, то они дополнительной нагрузки не вносят, а работают только как компенсаторы.
На катушке подмагничивания 18 и включенной с ней балластной индуктивности 19 приложено входное напряжение с клемм 1, 2, что через общий сердечник создает на катушках индуктивности 5, 6 ток подмагничивания, противоположный току в нагрузке. Соотношение параметров катушек индуктивности 5, 6 и катушки подмагничивания 18 и балластной индуктивности 19 выбирают так, что ток подмагничивания уменьшает ток на выходе сетевого фильтра на некоторую величину, например на 5-7%. При этом если напряжение на клеммах 1, 2 превышает установленный параметрами порогового устройства 20 порог, то последнее срабатывает и подает сигнал на включение на электронное коммутирующее устройство 21, последнее включается и замыкает балластную индуктивность 19, что создает уменьшение тока на выходах 3, 4 сетевого фильтра на большую величину, например на 10-14%. 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.
Пример
В качестве нагрузки использовали осветительную газонаполненную лампу с системой запуска. При включении лампы индуктивный ток пускового устройства и лампы не проходит через входные клеммы 1, 2, а замыкается в фильтро-корректирующих цепях А и Б. Параметры фильтро-корректирующих цепей могут быть достаточно точно выбраны, т.к. соотношение реактивного и активного тока у лампы в процессе работы существенно не меняется. Если напряжение, подаваемое из сети на сетевой фильтр недостаточно для включения порогового устройства, то во входных цепях фильтра за счет создания подмагничивания ток нагрузки уменьшается на небольшую величину. Если входное напряжение повышается и вызывает срабатывание порогового устройства, то величина уменьшения тока на сетевом фильтре возрастает и отфильтровывает, т.е. не пропускает излишний питающий ток на подключенную в качестве нагрузки осветительную лампу. В совокупности уменьшение полного тока и фильтрация излишнего питающего сетевого тока путем его уменьшения до допустимого предела не нарушает работы осветительной лампы, но снижает величину потребляемой ею электроэнергии. Кроме этого как дополнительное положительное свойство сетевого фильтра можно отметить сглаживание бросков сетевого напряжения и, следовательно, увеличение ресурса работы электролампы.
Измерения потребленной электрической энергии электролампы в течение отрезков времени, равных 1 час, показали ее экономию в количестве от 7 до 15%.
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.