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, предотвращения долговременной подачи избыточного напряжения в цепь нагрузки и энергосбережения активной и реактивной энергии.
В настоящее время известно большое количество сетевых фильтров с различными характеристиками. Основные виды фильтров: 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 и не обеспечивает режим экономии активной и реактивной энергии.
Наиболее близким по технической сущности, выбранным в качестве прототипа, является сетевой фильтр, содержащий катушки индуктивности с сердечниками, включенные в разрыв линейных проводов, и 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 (патент RU №2446549, МПК Н02М 1/16, опубл. 27.03.2012 г.).
Недостатком прототипа является то, что при весьма 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.
Задача изобретения - 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 снижения напряжения, что приводит к экономии электроэнергии, потребляемой нагрузкой.
Указанный технический результат достигается тем, что сетевой фильтр, содержащий включенные в разрывы каждого из линейных проводов катушку индуктивности с сердечником 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 линейные провода понижающие индуктивности с сердечниками и катушками создания противотока, контролирующее устройство, а также первые и вторые пары электронных ключей, при этом понижающие индуктивности своими выводами через первые и вторые пары электронных ключей подключены к линейным проводам, а контролирующее устройство включено между линейными проводами после фильтрокорректирующих цепей и его управляющие выходы соединены с первыми и вторыми парами электронных ключей.
Блок-схема сетевого фильтра приведена на фиг. 1.
Сетевой фильтр включает в себя входные 1, 2 и выходные 3, 4 выводы для подключения его в разрыв линейных проводов С, Е и Д, Ж. Между входными и выходными выводами 1, 3 и 2, 4 соответственно, включены катушки индуктивности 5 и 6, с сердечником и конденсатор 17, образующие широкополосный фильтр, 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 С и Д включены не менее двух, например две фильтрокорректирующие цепи А и Б. Каждая из фильтрокорректрирующих 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 фильтрокорректирующих цепей А и Б. В участки линейных проводов Д, Ж включены понижающие индуктивности 23, 26, на сердечники которых установлены катушки создания противотока 24, 25, соединенные через электронные ключи 19, 20 и 21, 22 с участками линейных проводов Д, Ж, и между ними включено контролирующее устройство 18, которое подает сигналы включения или выключения на электронные ключи 19, 20 и 21, 22.
Сетевой фильтр работает следующим образом. При подключении нагрузки к выходным выводам 3, 4 линейных проводов С, Е и Д, Ж ток начинает протекать по замкнутой цепи: входной вывод 1, катушка индуктивности 5, токовая фильтрующая индуктивность 7, в которой происходит фильтрация токов средней частоты, понижающая индуктивность 23, нагрузка, понижающая индуктивность 26, токовая фильтрующая индуктивность 8, катушка индуктивности 6, входной вывод 2. Широкополосный фильтр, образованный катушками индуктивности 5, 6 и конденсатором 17, обеспечивает сглаживание импульсов тока при их возникновении в нагрузке. При этом в дополнительных обмотках 9 и 10 создается напряжение, пропорциональное току в фильтрах средних частот 7 и 8, соответственно. Включение фильтрокорректирующих 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 фильтрокорректирующую 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 фильтрокорректирующую цепь Б. Постоянные времени детектирующих элементов 15 и 16 выбирают таким образом, чтобы включение и выключение фильтро-корректирующих цепей происходило плавно, т.е. в течение нескольких 10-30 периодов частоты питающего напряжения. При уменьшении тока в нагрузке, постоянном либо импульсном, процесс отключения фильтрокорректирующих цепей А и Б идет в обратном по сравнению с описанным выше порядке. Подключение фильтрокорректирующих цепей А и Б приводит к компенсации в линейных проводах С, Д токов реактивного характера, формируемых нагрузкой, что вызывает в динамике уменьшение угла сдвига фаз между током и напряжением в цепи относительно входа на входных выводах 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 катушке создания противотока 24 с включенными последовательно с ней электронными ключами 19, 20 приложено напряжение с линейных проводов Е, Ж, что через общий сердечник создает на уменьшающей индуктивности 23 ток, противоположный току в нагрузке, на катушке создания противотока 25 с включенными последовательно с ней электронными ключами 21, 22 приложено напряжение с линейных проводов Е, Ж, что через общий сердечник создает на уменьшающей индуктивности 26 ток, противоположный току в нагрузке. Соотношение параметров катушек 23, 24 и 26, 25 выбирают так, что ток подмагничивания уменьшает ток на выходе сетевого фильтра на некоторую величину, например на 23-25%. Если напряжение между линейными проводами Е, Ж установится ниже величины первого порога, заданного в контролирующем устройстве 18, то последнее подает сигналы запирания на электронные ключи 19, 20, катушка создания противотока 24 отключается, и противоток, создававшийся на уменьшающей индуктивности 23, становится близким к нулю, что создает уменьшение тока на выходах 3, 4 сетевого фильтра на уменьшенную величину, например на 12-13%. Если напряжение между линейными проводами Е, Ж установится ниже величины второго порога, установленного в контролирующем устройстве 18, то последнее подает сигналы запирания на электронные ключи 21, 22, катушка создания противотока 25 отключается, и противоток, создававшийся на уменьшающей индуктивности 26, становится близким к нулю, что создает уменьшение тока на выходах 3, 4 сетевого фильтра на еще более уменьшенную величину, например на 1%.
В совокупности с уменьшением полного тока и уменьшением потребляемой электроэнергии на нагрузках реактивно-активного типа описанный алгоритм работы сетевого фильтра с током нагрузки обеспечивает уменьшение потребляемой электроэнергии, в том числе и на нагрузках активного и активно-емкостного типа, сохраняя при этом электроснабжение нагрузки в широком диапазоне напряжений.
Пример.
В качестве нагрузки использовали прожекторное устройство на металлокерамической лампе с системой запуска. При включении устройства индуктивный ток системы запуска не проходит через входные выводы 1, 2, т.к. компенсируется током, создаваемым в фильтрокорректирующих цепях А и Б. Параметры фильтрокорректирующих цепей могут быть точно выбраны, т.к. соотношение реактивного и активного тока у прожекторного устройства при запуске и в процессе работы заранее известны. Если напряжение, подаваемое из сети на сетевой фильтр и поступающее на цепи контролирующего устройства, превышает первый порог, установленный в контролирующем устройстве, то две вычитающие индуктивности, включенные симметрично относительно нагрузки, за счет работы катушек создания противотока уменьшают ток нагрузки на максимальную величину, заданную параметрами фильтра. Если входное напряжение понижается, то это вызывает срабатывание контролирующего устройства, которое запирает одну пару электронных ключей, и величина уменьшения тока на сетевом фильтре падает, что вызывает сохранение токового режима прожекторного устройства в сочетании со средней экономией электроэнергии. Дальнейшее понижение входного напряжения вызывает срабатывание контролирующего устройства на втором пороге, при этом запирается вторая пара электронных ключей, и величина уменьшения тока на сетевом фильтре еще более падает, что вызывает сохранение токового режима прожекторного устройства в сочетании с малой экономией электроэнергии. В совокупности уменьшение полного тока и фильтрация излишнего питающего сетевого тока путем его уменьшения до допустимого предела не нарушает работы прожекторного 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 прожекторного устройства.
Измерения потребленной прожекторным устройством электрической энергии в течение отрезков времени, равных 6-8 часам, показали ее экономию при включении с сетевым фильтром в количестве от 14% до 17% по сравнению с работой без фильтра.
Таким образом, по сравнению с прототипом заявляемый сетевой фильтр совмещает уменьшение полного тока, потребляемого от сети, с пороговым уменьшением питающего сетевого напряжения, подаваемого на нагрузку, что позволяет существенно экономить потребляемую нагрузкой электроэнергию.