СЕТЕВОЙ ФИЛЬТР
NETWORK FILTER

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для уменьшения и сглаживания импульсного изменения тока в цепях с устройствами, питающимися от сети переменного тока, для предотвращения долговременной подачи избыточного напряжения в цепь нагрузки и общего энергосбережения активной и реактивной энергии.
Известные в настоящее время сетевые фильтры можно разделить на два основных вида: неадаптивные фильтры, то есть фильтры, не имеющие адаптивных элементов, параметры которых зависят от тока в цепи нагрузки и подаваемого напряжения, 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 известного 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 фильтр не способен обеспечить фильтрацию одновременно и высокочастотных, и среднечастотных изменений тока и не обеспечивает режим экономии активной и реактивной энергии.
Известен адаптивный сетевой фильтр, описанный в патенте RU 2446549 (МПК Н02М 1/16, опубл. 27.03.2012 г.), выбранный в качестве прототипа, содержащий катушки индуктивности с сердечниками, включенные в разрыв линейных проводов, 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 фильтрокорректирующими цепями, вход каждой из которых подключен к выходу одной из дополнительных обмоток.
Недостатком прототипа 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.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является устранение указанного недостатка, совершенствование конструкции сетевого фильтра.
Технический результат заявляемого 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, с экономией электроэнергии, потребляемой нагрузкой.
Технический результат достигается тем, что сетевой фильтр, содержащий включенные в разрыв линейных проводов катушки индуктивности с сердечниками и токовую фильтрующую индуктивность с сердечником, снабженную не менее чем одной дополнительной обмоткой, включенные между линейными проводами конденсатор и не менее чем две фильтрокорректирующие цепи, вход каждой из которых подключен к выходу одной из дополнительных обмоток, дополнительно содержит включенные последовательно в линейный провод основную катушку фильтрации и создания противотока и не менее одной, например две, противотоковые индуктивности с сердечниками и управляющими обмотками, которые одним из выводов подключены к одному из линейных проводов, 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, вторые выводы которых подключены на один из линейных проводов, электронные коммутаторы, включенные параллельно противотоковым индуктивностям, при этом выходы измерительного устройства соединены с электронными ключами и коммутаторами, а основная катушка фильтрации и создания противотока установлена не менее чем на один из сердечников катушек индуктивности.
Изобретение поясняется блок-схемой сетевого фильтра, фиг.1.
Сетевой фильтр включает в себя входные 1, 2 и выходные 3, 4 выводы для подключения его в разрыв линейных проводов С и Д. Между входными выводами 1, 3 и 2, 4 включена катушки индуктивности 5 с сердечниками и конденсатор 7, образующие широкополосный фильтр, и последовательно с ними включенные 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 одной, например две, фильтрокорректирующие цепи А и Б. Каждая из фильтрокорректрирующих цепей А и Б содержит соответственно электронные ключевые 12 и 13 и реактивные 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 фильтрокорректирующих цепей А и Б. На сердечник катушки индуктивности 5 установлена основная катушка фильтрации и создания противотока 6, включенная одним выводом на линейный провод Д, а вторым выводом - к первому выводу противотоковой индуктивности 18, которая, в свою очередь, вторым выводом соединена с первым выводом противотоковой индуктивности 19, которая вторым выводом подключена на линейный провод С. Между входами 1, 2 и соответственно линейными проводами С и Д подключено измерительное устройство 26, соединенное своей измерительной цепью 27 на выходы фильтра 3, 4, которое подает сигналы управления, например включения или выключения, на электронные ключи 24, 25, подключенные между линейным проводом С и одним выводом управляющих обмоток 20, 21, и электронные коммутаторы 22, 23, которые подключены параллельно противотоковым индуктивностям 18, 19, при этом вторые выводы управляющих обмоток 20, 21 подключены к линейному проводу Д.
Сетевой фильтр работает следующим образом. При соединении нагрузки с выходными выводами 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, выходной вывод 2. Широкополосный фильтр, образованный катушкой индуктивности 5 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 фильтрокорректирующих 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 фильтрокорректирующую 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 фильтрокорректирующую цепь А. Постоянные времени детектирующих элементов 16 и 17 выбирают таким образом, что включение и выключение фильтрокорректирующих 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 фильтрокорректирующих цепей А и Б идет в обратном от описанного выше порядке. Подключение фильтрокорректирующих 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 фильтрокорректирующих цепей А и Б, то они дополнительной нагрузки не вносят, а работают только как компенсаторы.
На основной катушке фильтрации и создания противотока 6 и включенными последовательно с ней противотоковыми индуктивностями 18, 19 приложено входное напряжение с входных выводов 1, 2, что через общий сердечник создает на катушке индуктивности 5 ток подмагничивания, противоположный току в нагрузке. Соотношение параметров катушки индуктивности 5 и основной катушки создания противотока 6 и противотоковых индуктивностей 20, 21 выбирают так, что ток подмагничивания уменьшает ток на выходе сетевого фильтра на некоторую величину, например на 20-25%. При этом если выходное напряжение на выходных выводах 3, 4 падает ниже величины первого порогового уровня, установленного параметрами измерительного устройства 26, то последнее получает этот уровень по измерительной цепи 27, срабатывает и подает сигналы управления на электронный ключ 24 и электронный коммутатор 22, ключ 24 включается и с помощью управляющей обмотки 20 через общий сердечник подает напряжение на противотоковую индуктивность 18, при этом коммутатор 22 отключается, что создает уменьшение тока на выходах 3, 4 сетевого фильтра на уменьшенную величину, например на 10-14%. Если напряжение на выходных выводах 3, 4 падает ниже величины второго порогового уровня, установленного параметрами измерительного устройства 26, то последнее получает этот уровень по измерительной цепи 27, срабатывает и, сохраняя сигналы управления на электронном ключе 24 и электронном коммутаторе 22, подает сигналы управления на электронные ключ и коммутатор 25, 23, ключ 25 включается и с помощью управляющей обмотки 21 через общий сердечник подает напряжение на противотоковую индуктивность 19, при этом коммутатор 23 отключается, что создает уменьшение тока на выходных выводах 3, 4 сетевого фильтра на еще более уменьшенную величину, например на 3-4%.
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, сохраняя при этом гарантированное электроснабжение нагрузки в широком диапазоне входных напряжений.
Пример реализации изобретения.
В качестве нагрузки использовали газоразрядное осветительное устройство с системой запуска. При включении устройства индуктивный ток системы запуска не проходит через входные выводы 1, 2, а замыкается в фильтрокорректирующих цепях А и Б. Параметры фильтрокорректирующих цепей могут быть достаточно точно выбраны, так как соотношение реактивного и активного тока у осветительного устройства в процессе работы существенно не меняется. Если напряжение, подаваемое через сетевой фильтр на нагрузку, превышает уровень срабатывания измерительного устройства, то во входных цепях фильтра за счет создания противотока ток нагрузки уменьшается на максимальную величину, заданную параметрами фильтра. Если напряжение, подаваемое через сетевой фильтр на нагрузку, понижается, что вызывает посредством измерительной цепи срабатывание измерительного устройства, то величина уменьшения тока на сетевом фильтре падает, что вызывает сохранение токового режима осветительного устройства в сочетании со средней экономией электроэнергии. Дальнейшее понижение напряжения на нагрузке приводит к уменьшению противотока на сетевом фильтре, что вызывает сохранение токового режима осветительного устройства в сочетании с небольшой экономией электроэнергии. В совокупности уменьшение полного тока и фильтрация излишнего питающего сетевого тока путем его уменьшения до допустимого предела не нарушает работы осветительного устройства, но снижает величину потребляемой им электроэнергии. Кроме этого как дополнительное положительное свойство сетевого фильтра можно отметить сглаживание бросков сетевого напряжения и, следовательно, увеличение ресурса работы осветительного устройства.
Измерения потребленной осветительным устройством электрической энергии в течение отрезков времени, равных 8-16 часам, показали ее экономию при включении с сетевым фильтром в количестве от 18 до 20% по сравнению с работой без фильтра.
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.