Фильтр входной помехоподавляющий

Полезная модель относится к электротехнике и к импульсной силовой электронике и предназначена для использования совместно с импульсными источниками питания (ИИП), в том числе светодиодных приборов, для подавления помех, генерируемых ИИП.
Известен сетевой электронный балласт – Преобразователь переменного тока, содержащий входные и выходные выводы для подключения к питающей сети переменного тока и к нагрузке, выпрямительный и силовой блоки, сетевой фильтр [1].
Недостатком указанного устройства является ухудшение качества электроэнергии в питающей электросети и большой уровень помехоизлучений, возникающих вследствие импульсного режима работы самого балласта и узких функциональных возможностей фильтра, установленного в нем.
А именно, установленный в балласте фильтр не способен гасить синфазные помехи, т.е. помехи, распространяющиеся одновременно по фазному и нулевому проводу и имеющие одинаковую начальную фазу гармоник, т.к. на входах конденсатора они имеют одинаковую полярность и потенциал. Таким образом, синфазные помехи свободно проникают в питающую сеть, что приводит к снижению качества электроэнергии.
Известен сетевой электронный балласт, содержащий входные выводы для подключения к питающей сети переменного тока, выходные выводы для подключения к нагрузке, и сетевой фильтр, шунтирующий входные выводы [2].
Недостатком известного устройства являются ограниченные функциональные возможности применяемого в нем фильтра, а именно отсутствие надлежащей компенсации (гашения) пиковых импульсов (помех) напряжения на входных зажимах устройства, возникающих вследствие импульсного режима работы электронного балласта, что приводит к снижению качества электроэнергии питающей электросети.
Также следствием ограниченных функциональных возможностей фильтра является невозможность гашения синфазных помех, вследствие отсутствия соответствующих элементов фильтра и, как следствие, свободная генерация помех в сеть.
Наиболее близким аналогом (прототипом) из известных технических решений является схема подключения светодиодного светового прибора в сеть переменного тока [3].
Схема содержит нагрузку в виде группы светодиодов, подключенных параллельно к сглаживающему пульсации напряжения конденсатору, подсоединенному к диодному выпрямителю, который подсоединен последовательно к конденсатору, задающему рабочий ток, при этом конденсатор, задающий рабочий ток с подключенным параллельно ему разрядным резистором, вместе с токоограничивающим резистором последовательно подключены в сеть переменного тока, при этом параллельно входу выпрямителя в цепь переменного тока подключен дополнительный конденсатор.
Недостатком рассматриваемой схемы является, как и в предыдущих аналогах, узкие функциональные возможности применяемого в ней простого одноконденсаторного фильтра, что при повышенном уровне генерации пиковых помех, возникающих вследствие импульсного режима работы схемы, вызывает снижение качества электроэнергии в питающей электросети.
То есть гашение (фильтрование) пиковых помех по напряжению, в рассматриваемой схеме, осуществляется только за счет одного сглаживающего конденсатора (конденсаторного фильтра), установленного на входе схемы. Однако простой конденсаторный фильтр не способен эффективно сглаживать большое число импульсов, не успевая разряжаться.
Также как и в рассмотренных выше устройствах, недостатком является невозможность фильтрации синфазных помех, вследствие отсутствия соответствующих элементов фильтра, а установленный одноконденсаторный фильтр, в принципе не способен их компенсировать, что также снижает функциональные возможности фильтра.
Наличие пиковых помех, при импульсном режиме работы источника питания, приводит к искажению синусоидальности формы тока и напряжения в питающей электросети и, как следствие, появлению высших гармоник тока и напряжения. Это негативно влияет на работу всех электроприемников, подключенных к данной сети.
Задача, на решение которой направлена полезная модель – повышение качества фильтрования пиковых синфазных и дифференциальных помех, за счёт расширения функциональных возможностей входного фильтра.
Технический результат достигается за счет того, что к входным клеммам импульсного источника питания (ИИП), подключается входной помехоподавляющий фильтр, содержащий два конденсатора, подключенные к входным и выходным клеммам предлагаемого фильтра и синфазный дроссель, расположенный между данными конденсаторами.
На фиг. 1 изображена принципиальная блок-схема источника питания с предлагаемым входным фильтром: 1 – предлагаемый входной помехоподавляющий фильтр; 2 – импульсный источник питания (ИИП); 3 – стабилизатор тока нагрузки.
1
1
2
2
На фиг. 2 изображена принципиальная схема предлагаемого входного помехоподавляющего фильтра: 4 – клеммы подключения к сети переменного тока; 5 – предохранитель; 6 – конденсатор С; 7 – синфазный дроссель LL; 8 – конденсатор С.
На фиг. 3 изображена частотная диаграмма помех по напряжению на входных клеммах импульсного источника питания, полученная при его работе с нагрузкой, но без предлагаемого помехоподавляющего фильтра.
На фиг. 4 изображена частотная диаграмма помех по напряжению на входных (сетевых) клеммах предлагаемого помехоподавляющего фильтра, подключенного к импульсному источнику питания, работающему с нагрузкой.
1
2
Предлагаемый входной помехоподавляющий фильтр состоит из входных клемм 4, посредством которых осуществляется его подключение к питающей электросети, предохранителя с плавкой вставкой 5, защищающего фильтр и ИИП от коротких замыканий, конденсатора 6 (С), подключенного параллельно входным клеммам 4 и являющегося левым плечом фильтра, синфазного, двухобмоточного дросселя 7, имеющего две индуктивно-связанные обмотки, подключенные параллельно между собой, но последовательно относительно ИИП и нагрузки, конденсатора 8 (С), подключенного параллельно выходным клеммам 9 фильтра, и являющегося правым плечом фильтра.
Предлагаемый фильтр работает следующим образом.
3
6
2
1
При подаче напряжения на клеммы 4 фильтра (фиг. 2) происходит зарядка конденсаторов 6 и 8 на каждой полуволне напряжения. Так как импульсный источник питания потребляет электроэнергию короткими импульсами, то частота его включений и отключений может меняться в широком диапазоне (от 10 до 10 раз в секунду), в зависимости от мощности нагрузки. В момент открытия ИИП 2 (фиг. 1) генерируется импульс тока и происходит падение напряжения на его входе, конденсатор 8 (фиг. 2) разряжается, поддерживая напряжение и отдавая энергию в цепь ИИП. После закрытия ИИП на клеммах 9 фильтра (фиг. 2), генерируются импульсы высокого напряжения, вследствие развития переходного процесса в индуктивности обмоток ИИП. Конденсатор 8 (С) частично подавляет их, так как данные импульсы (помехи) являются дифференциальными, а не синфазными. Часть данных помех распространяется через синфазный дроссель и отфильтровывается (подавляется) конденсатором 6 (С) (фиг. 2) не проникая в питающую сеть. Таким образом, создаётся надежное подавление дифференциальных помех предлагаемым фильтром.
1
2
За счёт наличия паразитных ёмкостей в цепи ИИП (между обмотками трансформатора ИИП, в транзисторах, диодах и др. элементах) при высоких частотах включений и отключений ИИП, в паразитных ёмкостях генерируются синфазные помехи (импульсы напряжения). Данные импульсы имеют одинаковую начальную фазу гармоник напряжения, распространяющихся по фазному и линейному проводам относительно земли, соответственно одинаковый потенциал на клеммах конденсаторов, поэтому не подавляются конденсаторами С и С.
Для их фильтрации установлен синфазный дроссель 7 (фиг. 2). Данный дроссель имеет две индуктивно-связанные обмотки, установленные на одном сердечнике и имеющие различные направления навивки. Благодаря этому синфазные импульсы напряжения генерируют в сердечнике магнитные потоки одной направленности, накладывающиеся друг на друга. То есть индуктивность и индуктивное сопротивление синфазного дросселя, в отношении синфазных помех (импульсов) очень высокая, а в отношении дифференциальных – низкая.
1
2
Таким образом, синфазные помехи эффективно отфильтровываются дросселем 7 (фиг. 2), а дифференциальные – конденсаторами С и С.
1
2
Положительной стороной предлагаемого фильтра является и то, что он симметричен, как по схеме, так и по параметрам конденсаторов (С = С). Благодаря этому он одинаково эффективно способен подавлять помехи различной направленности, т.е. распространяющиеся как со стороны выхода фильтра (генерируемые ИИП (основная задача фильтра)), так и поступающие из сети (сторонние помехи, способные ухудшить работу ИИП (дополнительное преимущество фильтра)).
Таким образом, предлагаемая совокупность признаков полезной модели, позволит существенно расширить функциональные возможности предлагаемого фильтра.
Использование предлагаемого помехоподавляющего фильтра позволит снизить пиковые импульсы напряжения (пиковые помехи) на входных клеммах устройства и, тем самым, уменьшить негативное влияние импульсного режима работы ИИП на качество электроэнергии питающей электросети, при этом, повысить уровень электромагнитной совместимости аналогичных электроаппаратов.
Апробация полезной модели
Апробация проведена АО «Научно-производственное предприятие «Циклон-Тест», по результатам которой составлен протокол №137-2-2018.
Исследования (испытания) проведены с целью проверки эффективности подавления помех предлагаемым фильтром и соответствия качества электроэнергии питающей сети требованиям ГОСТ 30805.22-2013 Совместимость технических средств электромагнитная. Оборудование информационных технологий. Радиопомехи индустриальные. Нормы и методы измерений.
На первом этапе исследований был проведён замер помех, генерируемых ИИП, без применения предлагаемого помехоподавляющего фильтра. В качестве нагрузки использовался светодиодный светильник ЭСС-Modul 50.
В результате испытаний получена частотная диаграмма помех по напряжению на входных клеммах импульсного источника питания, представленная на фиг. 3. На ней ограничивающей линией показан предельный уровень импульсных помех в соответствие с ГОСТ 30805.22-2013.
По диаграмме видно, что в интервале частот от 0,65 МГц до 11 МГц (среднее значение 1,43 МГц) уровень импульсных помех превышает ограничивающую линию, что подтверждается таблицей 1 протокола испытаний.
На втором этапе испытаний был проведён замер помех, генерируемых ИИП, на входных клеммах испытуемого фильтра. В качестве нагрузки использовался тот же светодиодный светильник ЭСС-Modul 50.
В результате испытаний получена частотная диаграмма помех по напряжению на входных клеммах фильтра, представленная на фиг. 4.
По диаграмме видно, что на всем интервале частот от 9 кГц до 30 МГц, уровень импульсных помех не превышает ограничивающую линию. То есть импульсы помех, генерируемые ИИП, не проникают в питающую сеть и не вызывают снижение качества электроэнергии.
Список литературы
1. Патент на полезную модель 106811 Российской Федерации, МПК Н02М 5/20. Преобразователь переменного тока / Резников С.Б., Бочаров В.В., Дубенский Г.А., Кабелев Б.В., Коняхин С.Ф., Савенкова Н.В.; заявитель и патентообладатель Московский авиационный институт (государственный технический университет) (МАИ) - №2011107254/07, заявл. 28.02.2011; опубл. 20.07.2011, Бюл. № 20.
2. Патент на полезную модель 144403 Российской Федерации, МПК Н05В 41/292. Сетевой электронный балласт / Резников С.Б., Бочаров В.В., Корнилов А.Б., Лавринович А.В.; заявитель и патентообладатель Московский авиационный институт (государственный технический университет) (МАИ) - №2014112949/07, заявл. 03.04.2014; опубл. 20.08.2014, Бюл. № 23.
3. Патент на полезную модель 95214 Российской Федерации, МПК Н05В 37/00. Схема подключения светодиодного светового прибора в сеть переменного тока / Кумин А.М.; патентообладатель Солдатенко В.А., Рябцев В.Г., Подгурский В.Э., Кумин А.М., Кочеров А.Н., Кудинов К.В., Бабенко М.А. - № 2009146804/22, заявл. 17.12.2009; опубл. 10.06.2010, Бюл. № 16.