СЕТЕВОЙ ФИЛЬТР
NETWORK FILTER

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для предотвращения скачкообразных изменений тока в цепях с устройствами, питающимися от сети переменного тока.
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 не способен обеспечить фильтрацию одновременно и высокочастотных и среднечастотных изменений тока.
Известен адаптивный сетевой фильтр, описанный в первом варианте патента RU 2381614 (МПК Н02М 1/16, 10.02.2010 г.), выбранный в качестве прототипа, содержащий катушки индуктивности на ферромагнитных сердечниках, включенные в разрыв линейных проводов, и конденсаторы, связывающие линейные провода между собой и с шиной заземления, при этом катушки индуктивности зашунтированы дополнительно введенными ключевыми резистивными двухполюсниками.
Недостатком устройства является прекращение работы фильтрующих катушек индуктивности при срабатывании от повышенного напряжения шунтирующих двухполюсников, которые предназначены для защиты элементов фильтра, но не для защиты цепи нагрузки.
Задача изобретения - совершенствование конструкции сетевого фильтра.
Технический результат предлагаемой полезной модели направлен на использование энергии повышающегося в нагрузке тока для уменьшения полной составляющей питающего тока и, как следствие, экономию потребляемой нагрузкой электроэнергии.
Блок-схема сетевого фильтра приведена на фиг.1.
Указанный технический результат достигается тем, что в сетевом фильтре, содержащем катушки индуктивности с сердечниками, включенные в разрыв линейных проводов, и конденсатор, связывающий линейные провода между собой, в каждый из линейных проводов дополнительно включена токовая фильтрующая индуктивность с сердечником, снабженная не менее чем одной дополнительной обмоткой, а между линейными проводами включены не менее чем две фильтро-корректирующие цепи, вход каждой из которых подключен к выходу одной из дополнительных обмоток.
Предпочтительно выполнение фильтро-корректирующих цепей в виде последовательно включенных электронного ключевого и реактивного элемента.
Сетевой фильтр включает в себя входные 1, 2 и выходные 3, 4 выводы для подключения его в разрыв линейных проводов. Между входными и выходными выводами 1, 3 и 2, 4 включены катушки индуктивности 5 и 6 с сердечниками, образующие вычитающий фильтр высоких частот, и, последовательно с ними, токовые фильтрующие индуктивности 7 и 8, например фильтры средних частот, с сердечниками. Токовые фильтрующие индуктивности 7 и 8 снабжены дополнительными обмотками 9 и 10. 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 11 и 12, и реактивный 13 и 14 элементы. Выходы дополнительных обмоток 9 и 10 через детектирующие устройства 15 и 16 подключены соответственно к электронным ключевым элементам 11 и 12 фильтро-корректирующих цепей А и Б. Входные выводы фильтра 1 и 2 связаны между собой через конденсатор 17.
Сетевой фильтр работает следующим образом. При подключении нагрузки к выходным выводам 3, 4 ток начинает протекать по замкнутой цепи: входной вывод 1, катушка индуктивности 5 фильтра высоких частот, в которой происходит фильтрация токов высокой частоты, токовая фильтрующая индуктивность 7, в которой происходит фильтрация токов средней частоты, нагрузка, токовая фильтрующая индуктивность 8, катушка индуктивности 6, выходной вывод 2. Конденсатор 17 обеспечивает дополнительную фильтрацию высоких частот по входам 1, 2. При этом в дополнительных обмотках 9 и 10 создается напряжение, пропорциональное току в фильтрах средних частот 7 и 8 соответственно. Включение фильтро-корректирующих цепей А и Б происходит при достижении напряжением на дополнительных обмотках 9 и 10 порогов срабатывания детектирующих элементов 15 и 16. При этом данные пороги срабатывания зависят от вольт-амперных и частотно-временных характеристик детектирующих элементов 15 и 16 и могут быть выбраны, например, один больше другого. Если на дополнительной обмотке 9 создастся напряжение, при котором напряжение на детектирующем элементе 15 превысит порог срабатывания ключевого элемента 11, то ключевой элемент 11 включится и совместно с реактивным элементом 13 сделает активной фильтро-корректирующую цепь А. Если на 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. Постоянные времени детектирующих элементов 15 и 16 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.
Пример.
В качестве нагрузки использовали электрическую дрель. В этом случае ток при выключенном «курке» дрели в цепи отсутствует. В начале работы дрели в режиме без физической нагрузки возможно кратковременное стартовое увеличение потребляемого тока, которое будет скомпенсировано включением первой фильтро-корректирующей цепи А на небольшой промежуток времени.
В качестве детектирующего элемента 15 может быть использован, например, диодно-конденсаторный детектор с постоянной времени около 0,5 сек. Сигнал с него подается на ключевой элемент 11, в качестве которого используют, например, тиристорный твердотельный бесконтактный ключ, с порогом срабатывания 8 В. Срабатывание и отключение ключа может, например, иметь гистерезис около 2 В. Второй порог в фильтро-корректирующей цепи Б может быть выбран, например, на уровне 16 В, а постоянная времени диодно-конденсаторного корректора, например, 0,7 сек.
При начале работы дрелью ток, который она потребляет, и помехи в сети, которые она создает, будут зависеть от режимов работы - оборотов и физической нагрузки на режущем инструменте. Все выходящие за уровни порогов срабатывания детектирующих элементов токи, средние и импульсные, будут приводить к динамическому срабатыванию фильтро-корректирующих цепей А и Б. Это приведет к фильтрации и режиму экономии потребляемого активного тока. При отсутствии тока через нагрузку, в данном случае в дрели, фильтр немедленно отключит обе фильтро-корректирующие цепи и перейдет в режим нулевого собственного потребления энергии.
Измерения потребленной электрической энергии при разных режимах работы дрели в течение отрезков времени, равных 1 час, показали ее экономию в количестве от 7 до 35%.
Конденсатор используют емкостью, например, 1 мкФ.
Таким образом, по сравнению с прототипом заявляемый сетевой фильтр позволяет использовать энергию повышающегося и уменьшающегося в нагрузке тока для включения и отключения фильтро-корректирующих цепей и уменьшения полной составляющей питающего тока и, как следствие, экономить потребляемую нагрузкой электроэнергию.