Пассивный LC-фильтр, адаптированный к колебаниям частоты источника питания

Полезная модель относится к электротехнике, в частности к системам электропитания с использованием частотного преобразователя (ПЧ) для погружных электродвигателей в нефтедобывающей промышленности и прочих потребителей с нелинейной нагрузкой.
Нелинейная нагрузка, как известно, вызывает гармонические искажения напряжения питающей сети за счет высших гармоник тока, в трехфазных цепях, как правило, 5-ой, 7-ой, 11-ой, 13-ой и т.д.
Высшие гармоники тока нагрузки в системах электроснабжения искажают форму напряжения на шинах питающих трансформаторов, увеличивают потери энергии в подводящих сетях, вызывают преждевременное старение изоляции, за счет чего снижается надежность и долговечность электрооборудования. Именно поэтому во многих странах введены государственные стандарты, регламентирующие допустимые уровни гармонических искажений напряжения, вызванные током нагрузки.
В частности заявленное техническое решение может быть использовано в преобразователях частоты для управления погружными вентильными электродвигателями, которые широко применяются в нефтедобывающей промышленности, где эффективно используются в качестве приводов для плунжерных погружных насосов. Примеры таких установок раскрыты в патентных документах: UA118287 от 26.12.2018, UA118520 от 25.01.2019, RU2615775 от 11.04.2017, а также заявок на изобретения WO/2019/108160 от 11.07.2018, US20170284177A1 от 05.10.2017.
Одним из основных направлений развития данных технических решений можно считать повышение технико-экономических показателей, в частности упрощение конструкции, снижение массогабаритных показателей, расширение диапазона рабочих частот с обеспечением  коэффициента нелинейных искажений (КНИ) не более 5% и обеспечение соответствия международным стандартам, в частности  IEEE 519-2014.
Из патента на изобретение RU2731680 от 18.11.2019 известно устройство подавления гармоник на выходе преобразователя частоты содержащее, по меньшей мере, один пассивный фильтр, выполненный с возможностью подавления высших гармоник напряжения и сформированный из накопительных элементов, а также индуктивных элементов, установленных на стержневом основании из магнитного материала. Пассивный фильтр содержит, по меньшей мере, две параллельные ветви, каждая из которых последовательно соединена с отдельным управляемым выпрямителем преобразователя частоты. Пассивный фильтр выполнен с возможностью работы с, по меньшей мере, одной активной ветвью, каждая из ветвей пассивного фильтра содержит блок накопительных элементов с контактором, выполненный с возможностью использования, по меньшей мере, части объема накопительных элементов в зависимости от частоты питающей сети, при этом индуктивная составляющая пассивного фильтра содержит, по меньшей мере, два набора индуктивных элементов установленных на отдельных основаниях и соединенных по входу.
Из патента на полезную модель RU133987 от 07.09.2012 известен пассивный фильтр (ПФ) гармоник тока питания нелинейных нагрузок, имеющий входы для подключения к системе электропитания и выходы для соединения с нагрузкой, содержит магнитный сердечник с одним или несколькими немагнитными зазорами, имеющий три стержня, причем каждый стержень соответствует одной из трех фаз системы силового электропитания; для каждой фазы содержит первый элемент, включающий в себя первую фазную обмотку, имеющую один конец для соединения с входом и второй конец; для каждой фазы содержит второй элемент, включающий в себя вторую обмотку, имеющую первый конец, соединенный со вторым концом фазной обмотки, и второй конец, соединенный с первым выводом конденсатора первой группы; для каждой фазы содержит третий элемент, состоящий из третьей обмотки для магнитной связи с нагрузкой.
Первая группа резонирующих цепей ПФ, содержащая вторые обмотки настраивается на резонансную частоту, меньшую частоты 5-й гармоники частоты питающей сети (50 Гц), вторая группа резонирующих цепей, содержащая третьи обмотки - на частоту, большую частоты 5-й гармоники, но так, чтобы результирующая резонансная частота фильтра в целом была меньше частоты 5-й гармоники частоты питающей сети.
К недостаткам описанного технического решения можно отнести наличие дополнительных фазных обмоток индуктивностей в резонансных цепях, что может привести к увеличению массогабаритных показателей конструкции.
Данное техническое решение принимаем за ближайший аналог.
Техническая задача, на решение которой направлена заявленная полезная модель, заключается в создании конструкции пассивного LC-фильтра, адаптированного к колебаниям частоты источника питания с повышенными технико-экономическими показателями, в частности упрощенной конструкции с оптимальными массогабаритными показателями и оптимальной  амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) при просадках частоты источника питания.
Технический результат, полученный от реализации полезной модели, заключается в адаптивности пассивного  LC-фильтра к просадкам частоты источника питания с обеспечением оптимальной амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ).
Сущность заявленной полезной модели заключается в том, что значения параметров индуктивности и емкости элементов резонансного контура LC-фильтра установлены исходя из значения резонансной частоты фильтруемых высших гармоник, уменьшенного в пределах 0,5-1,5%, при этом значение индуктивности резонансного контура установлено по току, который равен 30-40% тока выпрямителя, установленного на выходе LC-фильтра.
Сущность заявленного технического решения поясняется, но не ограничивается приведенными графическими материалами:
фиг. 1 - преобразователь частоты (ПЧ);
фиг. 2 - вариант выполнения конструкции дросселя пассивного LC-фильтра;
фиг. 3 - принципиальная схема пассивного LC-фильтра (6-ти пульсный ПЧ);
фиг. 3.1 - принципиальная схема пассивного LC-фильтра (12-ти пульсный ПЧ).
Заявляемое технические решение может быть реализовано в преобразователях частоты для различных потребителей нелинейной нагрузки с целью снижения негативного воздействия потребителей на сеть электропитания, в частности приведен пример реализации ПЧ 1 (фиг.1) погружного электродвигателя (на изображениях не показан), также в качестве нагрузки может быть использован любой другой частотно управляемый электродвигатель. Корпус ПЧ 1 разделен на отсеки оснащенных системой принудительной воздушной вентиляции 2 для размещения электротехнического оборудования и содержит отдельный модуль (отсек) 3 ПЧ под установку элементов устройства подавления гармоник, такого как пассивный LC-фильтр.
Пассивный LC-фильтр установлен по входу преобразователя частоты 1 перед выпрямителем, содержит, по меньшей мере, один индуктивный элемент, выполненный в виде дросселя 4 (фиг.2), а также набор емкостных элементов, в частности, конденсаторов 5 резонансного звена LC-фильтра. Заявляемый вариант реализации LC-фильтра выполнен с возможностью подавления высших гармоник, в частности 5-й с резонансной частотой 250 Гц, а также других групп гармоник, в зависимости от выполненных настроек.
Дроссель LC-фильтра содержит установленные на стержневом основании 6 из магнитного материала (электротехнической стали) катушки индуктивности, входную 7 и резонансную 8.
В 12-пульсном исполнении ПЧ указанный дроссель содержит, по меньшей мере, два набора индуктивных элементов, установленных на отдельных основаниях и соединенных по выходу через выпрямитель 9 в звене постоянного тока ПЧ. При этом заявляемый пассивный LC-фильтр для  6- и 12-пульсных ПЧ отличается конструктивно, в частности параметрами индуктивности и емкости, например, могут иметь иное сечение и количество витков провода дросселя.
Индуктивная составляющая LC-фильтра, в частности дроссели 4, установлены в отдельном отсеке 3 ПЧ, с принудительным воздушным охлаждением, реализованным посредством, по меньшей мере, одного вентилятора 2 системы охлаждения ПЧ, а также воздуховодов, обеспечивающих направленный поток воздуха на обмотки дросселя, количество витков обмотки дросселя, также выбирается исходя из оптимизации охлаждения и габаритов.
Пассивный фильтр содержит, по меньшей мере, один индуктивный элемент (дроссель) с входной катушкой 7 индуктивности и резонансной катушкой 8, связанной с набором конденсаторов через блок контакторов 10.
Входная катушка 7 выполнена с увеличенной индуктивностью, чем компенсируется необходимость использования дополнительных катушек, в частности, выходной катушки индуктивности. К выходу дросселя пассивного LC-фильтра подключен выпрямитель 9 ПЧ (фиг.3; 3.1). Данный вариант реализации позволяет уменьшить материалоемкость конструкции и затраты труда на ее изготовление.
Параметры конструкции заявляемого пассивного LC-фильтра заданы исходя из  массогабаритных требований, а также показателей индуктивности сети, дисбаланса по напряжению питающей сети до 2%, напряжению короткого замыкания (Uk) 1,5-12%, а также учитывает возможные отклонения частоты  питающей сети 50/60 Гц +- 1 Гц . При этом конструкция LC-фильтра позволяет обеспечить штатный режим работы оборудования при экстремальных граничных значениях указанных выше параметров. Например, для 6-пульсного ПЧ, при падении нагрузку на 30% от номинальной, обеспечивается КНИ (в литературе также известен как THD) в пределах 5%, для 12-пульсного ПЧ, данный показатель КНИ достигается при падении нагрузки до 75% от номинальной.
В частности,  в заявленном варианте реализации пассивного LC-фильтра, значения параметров индуктивности и емкости элементов резонансного контура  LC-фильтра, сформированного резонансной катушкой индуктивности 8 и блоком резонансных конденсаторов 5, установлены исходя из значения резонансной частоты, уменьшенного в пределах 0,5-1,5%. Также конструкция резонансной катушки индуктивности 8, а именно количество витков и сечение провода, формирующие совместно из сердечником дросселя 3 значение индуктивности резонансного контура, установлено по току, который равен 30-40% тока выпрямителя 9, установленного на выходе LC-фильтра.
Заявленная полезная модель обеспечивает решение поставленной технической задачи и достижение заявленного технического результата, позволяя адаптировать пассивный LC-фильтр к колебаниям частоты источника питания, например генератора, при падении нагрузки, что приводит оптимальным показателям амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) в широком диапазоне изменения частоты, при выполнении требований по массогабаритным показателям и коэффициенту нелинейных искажений сети.