Устройство сетевой фильтрации и ступенчатой стабилизации
DEVICE FOR NETWORK FILTRATION AND STEPPED STABILIZATION

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, общего энергосбережения активной  энергии и стабилизации подаваемого в нагрузку напряжения на заданном дискретном уровне.
В настоящее время известно большое количество сетевых фильтров с различными характеристиками. Основные виды: неадаптивные сетевые фильтры, т.е. фильтры, не имеющие адаптивных элементов, параметры которых зависят от тока в цепи нагрузки, и адаптивные сетевые фильтры. Из адаптивных сетевых фильтров наиболее востребованы  фильтры имеющие дополнительную функцию стабилизации режима электроснабжения нагрузки.
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 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 сетевой фильтр не способен обеспечить фильтрацию одновременно и высокочастотных и среднечастотных изменений тока,  не обеспечивает режим экономии активной и реактивной энергии, не имеет режима стабилизации при электроснабжении нагрузки.
Известен сетевой фильтр, описанный в патенте RU  2570351, МПК  H02M1/16, опубл.10.12.2015 г.,  содержащий включенные в разрывы линейных проводов катушки индуктивности с общим сердечником, включенные последовательно между линейными проводами катушку подмагничивания и балластные индуктивности, с сердечниками, на которые установлены управляющие обмотки, пороговое решающее устройство, электронные коммутирующие устройства, включенные между одним из линейных проводов и первыми выводами управляющих обмоток, вторые выводы которых подключены на один из линейных проводов, и электронные коммутирующие устройства, включенные параллельно балластным индуктивностям. При этом катушка подмагничивания установлена на один из общий сердечник катушек индуктивности.
Недостатком этого сетевого фильтра является то, что при достаточно эффективном уменьшении полного тока и уменьшении потребляемой электроэнергии на нагрузках различного типа, включенных по двухпроводной схеме,  при быстром изменении уровней подаваемого напряжения имеет место  несимметричное воздействие поля, создаваемого  катушкой подмагничивания, на катушки индуктивности, установленные на сердечник, что вызывает снижение точности работы фильтра при смене задаваемых контроллером порогов энергосбережения, отсутствует режим стабилизации  уровня электроэнергии, подаваемого в нагрузку через сетевой фильтр.
Известен сетевой фильтр, описанный в патенте RU  2588592, МПК  Н02J03/01, опубл.10.07.2016 г., выбранный в качестве наиболее близкого аналога, содержащий включенные в разрывы первого линейного провода катушку индуктивности с сердечником и токовую фильтрующую индуктивность с сердечником, снабженную не менее чем одной дополнительной обмоткой, и включенные в разрывы второго линейного провода токовую фильтрующую индуктивность с сердечником, снабженную не менее чем одной дополнительной обмоткой. Между линейными проводами включены конденсатор и фильтро-корректирующие цепи, вход каждой из которых подключен к выходу одной из дополнительных обмоток. Между линейными проводами включены последовательно основная катушка фильтрации и создания противотока и противотоковые индуктивности с сердечниками и управляющими обмотками, которые одним из выводов подключены к одному из линейных проводов, Сетевой фильтр также содержит измерительное устройство, включенное на входе между линейными проводами, с измерительной цепью, подключенной к выходу фильтра, электронные ключи, включенные между одним из линейных проводов и входами управляющих обмоток, электронные коммутаторы, включенные параллельно противотоковым индуктивностям. Выходы измерительного устройства соединены с электронными ключами и коммутаторами, а основная катушка фильтрации и создания противотока установлена на не менее чем один из сердечников катушек индуктивности.
Недостатком этого сетевого фильтра является то, что при эффективном уменьшении полного тока и уменьшении потребляемой электроэнергии на нагрузках различного типа, при быстром изменении уровней подаваемого напряжения на работу   катушки подмагничивания влияет инерционность катушки индуктивности, установленной на сердечник, что вызывает снижение точности работы фильтра при смене задаваемых контроллером порогов энергосбережения; режим стабилизации задается с помощью сложного алгоритма измерительного устройства, для чего введена специальная измерительная цепь, число порогов энергосбережения равно числу противотоковых индуктивностей с сердечниками, что не дает возможности увеличивать точность работы фильтра другим способом кроме экстенсивного – то есть путем увеличения числа данных индуктивностей, что снижает общую надежность фильтра при эксплуатации.
Техническая проблема, решаемая предлагаемым изобретением, – совершенствование конструкции устройства сетевой фильтрации и обеспечение в данном устройстве ступенчатой стабилизации, т.е. создание устройства сетевой фильтрации и ступенчатой стабилизации (далее УСФСС).
Технический результат от использования предлагаемого изобретения направлен на: увеличение точности работы УСФСС путем создания стабилизирующего эффекта поддержания напряжения на выходе, не зависящего от тока нагрузки; увеличение числа ступеней фильтрации, регулирования и стабилизации,  при конструктивно выбранном числе управляющих и дополняющих катушек; уменьшение полного тока в нагрузке с контролем допустимых пределов снижения напряжений в нагрузке по техническим характеристикам.
Указанный технический результат достигается тем, что устройство сетевой фильтрации и ступенчатой стабилизации, содержащее включенную в разрыв линейного провода катушку фильтрующую с сердечником, на который установлена не менее чем одна подмагничивающая катушка, включенный между линейными проводами  конденсатор,  не менее двух, например, две дополняющие катушки с сердечниками и катушками управления, электронные ключи, включенные между одним из линейных проводов и первыми выводами катушек управления, вторые выводы которых подключены на второй линейный провод, электронные ключи, подсоединенные параллельно дополняющим катушкам, дополнительно содержит не менее трех, например, три включенных между линейными проводами измерительных одноуровневых устройства, выходы которых подсоединены  к входам шифратора, выходы которого подсоединены к входам инверторов, соединенных своими выходами  с электронными ключами, включенными параллельно дополняющим катушкам, и  подсоединены к входам  устройств задержки, выходы которых соединены с электронными ключами, подсоединенными к катушкам управления, при этом дополняющие катушки соединены между собой в последовательную  цепь, которая  одним выводом подключена на один из линейных проводов, а вторым выводом подключена к первому выводу подмагничивающей катушки, которая вторым выводом подключена на второй линейный провод на выходе устройства,  при этом вся последовательная цепь, состоящая из дополняющих катушек и подмагничивающей катушки, включена параллельно цепи, состоящей из катушки фильтрующей и  нагрузки.
Блок-схема  УСФСС приведена на фиг. 1.
УСФСС включает в себя входные 1, 2, и выходные 3, 4, клеммы для подключения его в разрыв линейных проводов  А, В.  Между входной клеммой 1 и выходной клеммой 3  включена катушка фильтрующая 5 с сердечником 6, которая совместно  с конденсатором 7, включенным между выходными клеммами 3, 4, образует широкополосный фильтр. На сердечник 6 установлена подмагничивающая катушка 8, соединенная   первым  выводом с первым  выводом дополняющей катушки 9, установленной на сердечник 10, которая вторым выводом соединена с первыми выводом дополняющей катушки 11,  установленной на сердечник 12,  которая своим вторым выводом подключена на линейный провод  А.  Между входными клеммами  1, 2  и, соответственно, линейными проводами А, В  включены измерительные  одноуровневые устройства 13, 14, 15, которые  соединены на соответствующие входы шифратора 16,  первый выход которого соединен со входом первого инвертора 17 и  входом первого устройства задержки  18; второй выход которого соединен со входом второго инвертора 19 и входом второго устройства задержки 20. Выходы устройств задержки  18, 20 соединены, соответственно, с электронными ключами 21, 22, при этом первые выводы электронных ключей 21, 22 соединены вместе и подключены на линейный провод А. Вторые выводы электронных ключей 21, 22 подключены, соответственно на первые выводы катушек управления 23, 24, которые установлены, соответственно, на сердечники 10, 12. Вторые выводы катушек управления 23, 24 объединены вместе и подключены на линейный провод В. Выходы первого и второго инверторов 17, 19, подключены, соответственно,  на входы электронных ключей 25, 26,  которые, соответственно,   подключены параллельно дополняющим катушкам 9, 11, которые объединены в единую цепь с подмагничивающей катушкой 8, которая своим вторым выводом подключена к выходной клемме 4. Вся последовательная цепь, состоящая из дополняющих катушек 11, 9,  подмагничивающей катушки 8, включена параллельно цепи, состоящей из катушки фильтрующей 5 и  нагрузки.
УСФСС работает следующим образом. При подключении нагрузки к выходным клеммам 3, 4 линейных проводов А, В ток начинает протекать по замкнутой  цепи.  Ток идет через входную клемму 1, линейный провод А, катушку фильтрующую 5,  выходную клемму 3, нагрузку, выходную клемму 4, линейный провод В, входную клемму 2. Широкополосный фильтр, образованный катушкой фильтрующей 5, установленной на сердечник 6 с подмагничивающей катушкой 8, и конденсатором 7 обеспечивает сглаживание импульсов тока, при их возникновении в нагрузке. На подмагничивающей катушке  8 и включенными последовательно с ней дополняющими катушками 9, 11, установленными на сердечники 10, 12,  приложено напряжение, снимаемое с выходной клеммы 4 и входной клеммы 1, что через сердечник 6 создает на  катушке фильтрующей 5  ток подмагничивания, противоположный току в нагрузке. Соотношение параметров катушки фильтрующей  5,  подмагничивающей катушки 8, дополняющих катушек 9 и 11  выбирают так, что ток подмагничивания уменьшает ток на выходе  УСФСС на некоторую величину, например на 24 %.
При этом, если напряжение между входными клеммами 1 и 2 падает ниже величины первого заданного порога, установленного параметрами измерительного одноуровневого устройства 13, то последнее срабатывает и подает сигнал на один из входов шифратора 16. В этом случае на входах шифратора 16 образуется логическая комбинация уровней «0 – 0 – 1», которая преобразуется в двоичную комбинацию на выходе «0 – 1». Сигнал логической «1» с первого выхода шифратора 16 поступает на инвертор 17 и далее на электронный ключ 25, который выключается и включает в цепь подмагничивающей катушки 8 последовательно с ней дополняющую катушку 9. Этот же сигнал с шифратора 16 поступает на вход устройства задержки 18 и далее на электронный ключ 21, который включается и обеспечивает работу катушки управления 23. Параметры катушки управления 23 и дополняющей катушки 9 выбраны таким образом, что ток в нагрузке в этом случае уменьшается на величину одной четверти от максимального, т.е. уменьшается  на 18 %.
Если напряжение между входными клеммами 1 и 2 падает ниже величины второго заданного порога, установленного параметрами измерительного одноуровневого устройства 14, то последнее срабатывает и подает сигнал на один из входов шифратора 16. В этом случае на входах шифратора 16 образуется логическая комбинация уровней «0 – 1 – 1», которая преобразуется в двоичную комбинацию на выходе «1 – 0». Сигнал логической «1» со второго выхода шифратора 16 поступает на инвертор 19 и далее на электронный ключ 26, который выключается и включает в цепь подмагничивающей катушки 8 последовательно с ней дополняющую катушку 11. Этот же сигнал с шифратора 16 поступает на вход устройства задержки 20 и далее на электронный ключ 22, который включается и обеспечивает работу катушки управления 23. Параллельно с этим происходит выключение электронного ключа 21 и включение электронного ключа 25. Параметры катушки управления 24 и дополняющей катушки 11 выбраны таким образом, что ток в нагрузке в этом случае уменьшается на величину половины от максимального, т.е. уменьшается  на 12 %.
Если напряжение между входными клеммами 1 и 2 падает ниже величины третьего заданного порога, установленного параметрами измерительного одноуровневого устройства 15, то последнее срабатывает и подает сигнал на один из входов шифратора 16. В этом случае на входах шифратора 16 образуется логическая комбинация уровней «1 – 1 – 1», которая преобразуется в двоичную комбинацию на выходе «1 – 1». Сигнал логической «1» с  первого выхода шифратора 16 поступает на инвертор 17 и далее на электронный ключ 25, который выключается и включает в цепь подмагничивающей катушки 8 и последовательно включенной с ней дополняющей катушки 11  дополняющую катушку 9.  Параметры катушек управления 23, 24 и дополняющих катушек  9, 11 выбраны таким образом, что ток в нагрузке в этом случае уменьшается на три четверти  от максимального, т.е. уменьшается  на 6 %.
В случае увеличения напряжения на входных клеммах 1, 2  процесс порогового регулирования, шифрации и управления дополняющими катушками 9, 11 в цепи  подмагничивающей катушки 8 развивается в обратном порядке,  останавливаясь на величинах стабилизированного уровня снижения тока в 8%,12%, 16%.
Уменьшение полного тока в нагрузке,  в сочетании с повышением точности работы схемы  УСФСС, путем применения способа включения катушек в регулирующей цепи с использованием шифратора обеспечивает оптимальный экономичный режим работы оборудования.
Пример.
При испытаниях использовали комбинированную нагрузку, типичную для предприятия сферы обслуживания, включающую устройства освещения, вентиляции, обогрева, промышленное и офисное оборудование. Уровни подаваемого входного напряжения на объекте изменялись.  При включении  УСФСС он начинал отрабатывать режимы стабилизации и экономии. Если напряжение, подаваемые из сети на УСФСС, превышало значения  заданных порогов, то в выходных цепях УСФСС ток нагрузки уменьшался на максимальную величину, заданную параметрами УСФСС. Если входные напряжения снижались, и это вызывало срабатывание, величина уменьшения тока на УСФСС падала, что сохраняло токовый режим нагрузки  в сочетании с  экономией в размере 75% от максимальной. Дальнейшее понижение входного напряжения приводило к еще большему снижению доли уменьшения тока на УСФСС, что вызывало сохранение токового режима нагрузки в сочетании со средней экономией электроэнергии. Еще большее уменьшение напряжения вызывало срабатывание схемы УСФСС и обеспечивало режимы экономии около 25% от максимальной. В результате достигнуто увеличение точности работы УСФСС путем создания стабилизирующего эффекта поддержания напряжения на выходе, увеличено числа ступеней фильтрации, регулирования и стабилизации,  при конструктивно выбранном числе управляющих и дополняющих катушек, уменьшен полный ток в нагрузке с контролем допустимых пределов снижения напряжений в нагрузке по техническим характеристикам.
УСФСС может быть изготовлен с использованием стандартных конденсаторов, стандартных электронных ключей и инверторов, пороговых устройств и шифраторов; катушки могут быть изготовлены из стандартного обмоточного провода, и установлены на сердечники, изготовленные из трансформаторного железа, необходимой марки.  Готовый УСФСС может быть размещен в стандартном электротехническом щите, имеющем требуемые присоединительные и габаритные размеры и необходимый класс электротехнической защиты.
Таким образом, по сравнению с наиболее близким аналогом заявляемый УСФСС наряду с допустимым пороговым уменьшением питающего сетевого тока, подаваемого на нагрузку, при том же количестве единиц комплектующих изделий, выполненных в виде катушек, размещенных на сердечниках, обеспечивает увеличенное число ступеней сетевой фильтрации и стабилизации, и, следовательно, повышенную точность поддержания напряжения на нагрузке.