СЕТЕВОЙ ФИЛЬТР
LINE FILTER

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для предотвращения скачкообразных изменений тока в цепях с устройствами, питающимися от трехпроводной сети переменного тока, предотвращения долговременной подачи избыточного напряжения в цепь нагрузки, общего энергосбережения активной энергии и симметризации подаваемого в нагрузку напряжения.
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 кратковременно 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., 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, включенными между линейными проводами не менее чем двумя фильтро-корректирующими цепями, вход каждой из которых подключен к выходу одной из дополнительных обмоток.
Недостатками этого фильтра является то, что при достаточно эффективном обеспечении режима работы фильтрующих катушек индуктивности на нагрузках, имеющих индуктивно-активный характер и небольшую мощность (сотни ватт), имеет место значительно менее эффективная работа сетевого фильтра на нагрузках активного и активно-емкостного характера и малый диапазон возможных нагрузок по мощности, связанный с ростом на больших мощностях тепловых потерь в последовательно включенных в сетевые провода фильтрующих индуктивностях с сердечниками, что приводит к практической невозможности создания подобного эффективного устройства для работы на нагрузках мощностью в десятки и сотни киловатт, т.е. при больших относительно стабильных токах потребления.
Известен сетевой фильтр, описанный в патенте RU 2570351, МПК Н02М 1/16, опубл.10.12.2015 г., выбранный в качестве прототипа, 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, между линейными проводами включены конденсатор и не менее чем две фильтро-корректирующие цепи, вход каждой из которых подключен к выходу одной из дополнительных обмоток, включенные последовательно между линейными проводами катушку подмагничивания и балластные индуктивности, с сердечниками, на которые установлены управляющие обмотки, пороговое решающее устройство, включенное на входе между линейными проводами, электронные коммутирующие устройства, включенные между одним из линейных проводов и первыми выводами управляющих обмоток, вторые выводы которых подключены на один из линейных проводов, электронные коммутирующие устройства, включенные параллельно балластным индуктивностям, при этом выходы порогового решающего устройства соединены с электронными коммутирующими устройствами, а катушка подмагничивания установлена на один из сердечников катушек индуктивности.
Недостатком этого сетевого фильтра является то, что при достаточно эффективном уменьшении полного тока и уменьшении потребляемой электроэнергии на нагрузках активного и реактивно-активного типа, включенных по двухпроводной схеме, имеет место значительно менее эффективная работа сетевого фильтра на нагрузках активного и реактивно-активного типа, включенных по трехпроводной схеме, что связано с отсутствием в указанном фильтре симметризирующего эффекта при обычных рабочих токах и стабилизирующего эффекта при токах нагрузки, близких к максимальным.
Задача изобретения - совершенствование конструкции сетевого фильтра.
Технический результат предлагаемого изобретения направлен на симметризацию втекающих и вытекающих из нагрузки токов, стабилизацию работы фильтра при токах нагрузки, близких к максимальным, уменьшение полной составляющей протекающих в нагрузке токов, подаваемых в нагрузку из трехпроводной сети, с контролем допустимых пределов снижения напряжений в нагрузке по техническим характеристикам и, как следствие, к экономии электроэнергии, потребляемой нагрузкой.
Указанный технический результат достигается тем, что в сетевом фильтре, содержащем включенные в разрывы каждого из линейных проводов катушку индуктивности с сердечником, включенные между линейными проводами конденсаторы, соединенные в последовательную цепь балластные индуктивности с сердечниками, на которые установлены управляющие обмотки, при этом один вывод цепи балластных индуктивностей подключен на один из линейных проводов, электронные ключи, включенные между одним из линейных проводов и первыми выводами управляющих обмоток, вторые выводы которых подключены на один из линейных проводов, электронные коммутаторы, включенные параллельно балластным индуктивностям, пороговое управляющее устройство, подключенное своими входами на входы линейных проводов и соединенное своими выходами с электронными коммутаторами и ключами, общее число входящих и выходящих линейных проводов равно трем, катушки индуктивности, включенные в разрыв линейных проводов, попарно соединены на выходе фильтра на выходящие линейные провода, а катушки подмагничивания, установленные в цепь каждого из трех линейных проводов, установлены на общий сердечник с соответствующими катушками индуктивности и включены одним выводом на выход соответствующего линейного провода, а вторым выводом - на второй вывод соответствующей цепи балластных индуктивностей.
Блок-схема сетевого фильтра приведена на фиг. 1.
Сетевой фильтр включает в себя входные 1, 2, 3 и выходные 4, 5, 6 клеммы для подключения его в разрыв линейных проводов А, В, С. Между входной клеммой 1 и выходной клеммой 4, входной клеммой 2 и выходной клеммой 5, входной клеммой 3 и выходной клеммой 6 включены, соответственно, катушки индуктивности 7, 8, 9 и катушки индуктивности 10, 11, 12, совместно с конденсаторами 13, 14, 15, включенными между выходными клеммами 4, 5, 6, образующие широкополосные фильтры. На общие сердечники 16, 17, 18 катушек индуктивности 7, 8, 9 и катушек индуктивности 10, 11, 12 установлены катушки подмагничивания 19, 20, 21, включенные одним выводом на выходные клеммы 4, 5, 6, а вторым выводом - к первым выводам балластных индуктивностей 22, 23, 24, которые вторыми выводами соединены с первыми выводами балластных индуктивностей 25, 26, 27, которые вторыми выводами, соответственно, подключены на линейные провода В, С, А. Между входными клеммами 1, 2, 3 и, соответственно, линейными проводами А, В, С включено пороговое 1, 2, 3 и, соответственно, линейными проводами А, В, С включено пороговое управляющее устройство 28, которое: соединено своими выводами с электронными ключами 29, 30, 31, подключенными, соответственно, между линейными проводами А, В, С и одним выводом управляющих обмоток 32, 33, 34; соединено своими выводами с электронными ключами 35, 36, 37, подключенными, соответственно, между линейными проводами А, В, С и одним выводом управляющих обмоток 38, 39, 40; соединено своими выводами с электронными коммутаторами 41, 42, 43, которые подключены параллельно балластным индуктивностям 22, 23, 24; соединено своими выводами с электронными коммутаторами 44, 45, 46, которые подключены параллельно балластным индуктивностям 25, 26, 27. При этом вторые выводы управляющих обмоток 32 и 38, 33 и 39, 34 и 40 подключены, соответственно, на линейные провода А, В, С.
Сетевой фильтр функционально разделен на цепи линейных проводов А, В, С, при этом: цепь линейного провода А включает входную клемму 1, электронные ключи 35, 29, общий сердечник 16, катушку подмагничивания 19, катушки индуктивности 7, 10, конденсатор 13, выходную клемму 4, управляющие обмотки 32, 38, балластные индуктивности 22, 25, электронные коммутаторы 41, 44; цепь линейного провода В включает входную клемму 2, электронные ключи 36, 30, общий сердечник 17, катушку подмагничивания 20, катушки индуктивности 8, 11, конденсатор 14, выходную клемму 5, управляющие обмотки 33, 39, балластные индуктивности 23, 26, электронные коммутаторы 42, 45; цепь линейного провода С включает входную клемму 3, электронные ключи 37, 31, общий сердечник 18, катушку подмагничивания 21, катушки индуктивности 9, 12, конденсатор 15, выходную клемму 6, управляющие обмотки 34, 40, балластные индуктивности 24, 27, электронные коммутаторы 43, 46.
Сетевой фильтр работает следующим образом. При подключении нагрузки к выходным клеммам 4, 5, 6 линейных проводов А, В, С ток начинает протекать по замкнутым цепям. Работа сетевого фильтра по цепям линейных проводов А, В, С идентична.
Ток линейного провода А идет через входную клемму 1, катушку индуктивности 7, выходную клемму 4, нагрузку, выходные клеммы 5 и 6, катушки индуктивности 8 и 9 и катушки индуктивности 10 и 11, входные клеммы 2 и 3. Широкополосный фильтр, образованный катушками индуктивности 7, 8, 9, 10, 11 и конденсаторами 13, 14, 15, обеспечивает сглаживание импульсов тока при их возникновении в нагрузке. На катушке подмагничивания 19 и включенными последовательно с ней балластными индуктивностями 22, 25 приложено напряжение, снимаемое с входной клеммы 2 и выходной клеммы 4, что через общий сердечник 16 создает на катушках индуктивности 7 и 10 токи подмагничивания, противоположные по направлению току в нагрузке. При этом параметры катушек индуктивности 7 и 10 выбраны так, что на них за счет тока создаются напряжения равной величины - это обеспечивает симметричную работу всей схемы фильтра по цепи линейного провода А. Соотношение параметров катушек индуктивности 7 и 10, катушки подмагничивания 19 и балластных индуктивностей 22 и 25 выбирают так, что ток подмагничивания уменьшает ток на выходе сетевого фильтра на некоторую величину, например на 8-18%. При этом, если напряжение между входными клеммами 1 и 2 падает ниже величины первой пороговой уставки, установленной параметрами порогового управляющего устройства 28, то последнее срабатывает и подает сигналы управления на электронный коммутатор 41 и электронный ключ 29. Он включается и с помощью управляющей обмотки 32 через сердечник подает напряжение на балластную индуктивность 22. При этом коммутатор 41 отключается, что создает уменьшение тока через входную клемму 1 сетевого фильтра на уменьшенную величину, например на 4-9%. Если напряжение между клеммами 1 и 2 падает ниже величины второй пороговой уставки, установленной параметрами порогового управляющего устройства 28, то последнее срабатывает и, удерживая сигналы управления на электронном коммутаторе 41 и электронном ключе 29, подает сигналы управления на электронный коммутатор 44 и электронный ключ 35. Последний включается и с помощью управляющей обмотки 38 через сердечник подает напряжение на балластную индуктивность 25. При этом коммутатор 44 отключается, что создает уменьшение тока через входную клемму 1 сетевого фильтра на еще более уменьшенную величину, например на 2-5%. При этом если в ходе работы нагрузки, потребляемая ее мощность будет меняться, то при токах близких к максимальным, для выбранных параметров схемы, возможно увеличение падения напряжения на катушках индуктивности 7 и 10. Но при этом произойдет уменьшение напряжения между клеммами 2 и 4, между которыми включена катушка подмагничивания 19. Это, в свою очередь, уменьшит ток подмагничивания в катушках индуктивности 7 и 10 и восстановит расчетное падение напряжения на катушках индуктивности 7 и 10. Следовательно, схема фильтра по цепи линейного провода А обладает свойством стабилизированной работы при токах нагрузки, близких к максимальным, с симметричным ограничением тока и в цепи, подключенной на вход нагрузки и в цепи, подключенной на выход нагрузки.
Ток линейного провода В идет через входную клемму 2, катушку индуктивности 8, выходную клемму 5, нагрузку, выходные клеммы 4 и 6, катушки индуктивности 7 и 9 и катушки индуктивности 10 и 12, входные клеммы 2 и 3. Широкополосный фильтр, образованный катушками индуктивности 7, 8, 9, 10, 12 и конденсаторами 13, 14, 15, обеспечивает сглаживание импульсов тока при их возникновении в нагрузке. На катушке подмагничивания 20 и включенными последовательно с ней балластными индуктивностями 23, 26 приложено напряжение, снимаемое с входной клеммы 3 и выходной клеммы 5, что через общий сердечник 17 создает на катушках индуктивности 8 и 11 токи подмагничивания, противоположные по направлению току в нагрузке. При этом параметры катушек индуктивности 8 и 11 выбраны так, что на них за счет тока создаются напряжения равной величины - это обеспечивает симметричную работу всей схемы фильтра по цепи линейного провода В. Соотношение параметров катушек индуктивности 8 и 11, катушки подмагничивания 20 и балластных индуктивностей 23 и 26 выбирают так, что ток подмагничивания уменьшает ток на выходе сетевого фильтра на некоторую величину, например на 8-18%. При этом, если напряжение между входными клеммами 2 и 3 падает ниже величины первой пороговой уставки, установленной параметрами порогового управляющего устройства 28, то последнее срабатывает и подает сигналы управления на электронный коммутатор 42 и электронный ключ 30. Он включается и с помощью управляющей обмотки 33 через сердечник подает напряжение на балластную индуктивность 23. При этом коммутатор 42 отключается, что создает уменьшение тока через входную клемму 2 сетевого фильтра на уменьшенную величину, например на 4-9%. Если напряжение между клеммами 2 и 3 падает ниже величины второй пороговой уставки, установленной параметрами порогового управляющего устройства 28, то последнее срабатывает и, удерживая сигналы управления на электронном коммутаторе 42 и электронном ключе 30, подает сигналы управления на электронный коммутатор 45 и электронный ключ 36. Последний включается и с помощью управляющей обмотки 39 через сердечник подает напряжение на балластную индуктивность 26. При этом коммутатор 45 отключается, что создает уменьшение тока через входную клемму 2 сетевого фильтра на еще более уменьшенную величину, например на 2-5%. При этом, если в ходе работы нагрузки потребляемая ее мощность будет меняться, то при токах, близких к максимальным, для выбранных параметров схемы, возможно увеличение падения напряжения на катушках индуктивности 8 и 11. Но при этом произойдет уменьшение напряжения между клеммами 3 и 5, между которыми включена катушка подмагничивания 20. Это, в свою очередь, уменьшит ток подмагничивания в катушках индуктивности 8 и 11 и восстановит расчетное падение напряжения на катушках индуктивности 8 и 11. Следовательно, схема фильтра по цепи линейного провода В обладает свойством стабилизированной работы при токах нагрузки, близких к максимальным, с симметричным ограничением тока, и в цепи, подключенной на вход нагрузки и в цепи, подключенной на выход нагрузки.
Ток линейного провода С идет через входную клемму 3, катушку индуктивности 9, выходную клемму 6, нагрузку, выходные клеммы 4 и 5, катушки индуктивности 7 и 8, и катушки индуктивности 12 и 10, входные клеммы 1 и 2. Широкополосный фильтр, образованный катушками индуктивности 7, 8, 9, 12, 10 и конденсаторами 13, 14, 15, обеспечивает сглаживание импульсов тока при их возникновении в нагрузке. На катушке подмагничивания 21 и включенными последовательно с ней балластными индуктивностями 24, 27 приложено напряжение, снимаемое с входной клеммы 1 и выходной клеммы 6, что через общий сердечник 18 создает на катушках индуктивности 9 и 12 токи подмагничивания, противоположные по направлению току в нагрузке. При этом параметры катушек индуктивности 9 и 12 выбраны так, что на них за счет тока создаются напряжения равной величины - это обеспечивает симметричную работу всей схемы фильтра по цепи линейного провода С. Соотношение параметров катушек индуктивности 9 и 12, катушки подмагничивания 21 и балластных индуктивностей 24 и 27 выбирают так, что ток подмагничивания уменьшает ток на выходе сетевого фильтра на некоторую величину, например на 8-18%. При этом, если напряжение между входными клеммами 3 и 1 падает ниже величины первой пороговой уставки, установленной параметрами порогового управляющего устройства 28, то последнее срабатывает и подает сигналы управления на электронный коммутатор 43 и электронный ключ 31. Он включается и с помощью управляющей обмотки 34 через сердечник подает напряжение на балластную индуктивность 24. При этом коммутатор 43 отключается, что создает уменьшение тока через входную клемму 3 сетевого фильтра на уменьшенную величину, например на 4-9%. Если напряжение между клеммами 3 и 1 падает ниже величины второй пороговой уставки, установленной параметрами порогового управляющего устройства 28, то последнее срабатывает и, удерживая сигналы управления на электронном коммутаторе 43 и электронном ключе 31, подает сигналы управления на электронный коммутатор 46 и электронный ключ 37. Последний включается и с помощью управляющей обмотки 40 через сердечник подает напряжение на балластную индуктивность 27. При этом коммутатор 46 отключается, что создает уменьшение тока через входную клемму 3 сетевого фильтра на еще более уменьшенную величину, например на 2-5%. При этом, если в ходе работы нагрузки потребляемая ее мощность будет меняться, то при токах, близких к максимальным, для выбранных параметров схемы, возможно увеличение падения напряжения на катушках индуктивности 9 и 12. Но при этом произойдет уменьшение напряжения между клеммами 1 и 6, между которыми включена катушка подмагничивания 21. Это, в свою очередь, уменьшит ток подмагничивания в катушках индуктивности 9 и 12 и восстановит расчетное падение напряжения на катушках индуктивности 9 и 12. Следовательно, схема фильтра по цепи линейного провода С обладает свойством стабилизированной работы при токах нагрузки, близких к максимальным, с симметричным ограничением тока, и в цепи, подключенной на вход нагрузки и в цепи, подключенной на выход нагрузки.
Симметричное уменьшение полного тока по цепи каждого из линейных проводов в трехпроводных системах электроснабжения, в сочетании со стабилизационным эффектом на нагрузках активного и реактивно-активного типа, и описанный выше алгоритм работы сетевого фильтра с токами нагрузки приводят к уменьшению потребляемой нагрузкой электроэнергии, сохраняя при этом гарантированное электроснабжение в широком диапазоне входных напряжений и в расширенном диапазоне рабочих токов.
Пример.
При испытаниях использовали комбинированную нагрузку, типичную для бензозаправочной станции, включающую устройства освещения, обогрева, насосы, вентиляции, офисное оборудование. Уровни входного напряжения на данном объекте меняются в зависимости от времени суток и режимов работы соседних объектов, подключенных к одной подстанции. При включении фильтра он начинает отрабатывать алгоритмы заданной экономии независимо по каждому линейному току и межлинейному напряжению. Если напряжения, подаваемые из сети на сетевой фильтр, превышают уставки срабатывания порогового управляющего устройства, то в выходных цепях фильтра за счет создания подмагничивания ток нагрузки уменьшается на половину максимальной величины, заданную параметрами фильтра, вторая половина уменьшения тока нагрузки обеспечивается цепями фильтра, в которые ток нагрузки втекает в фильтр для возвращения в электросеть. Если входные напряжения понижаются, что вызывает срабатывание порогового управляющего устройства, то величина уменьшения тока на сетевом фильтре падает, что вызывает сохранение токового режима нагрузки в сочетании со средней экономией электроэнергии. Дальнейшее понижение входных напряжений приводит к уменьшению доли уменьшения тока на сетевом фильтре, что вызывает сохранение токового режима нагрузки в сочетании с небольшой экономией электроэнергии. Если при работе ток нагрузки будут меняться, приближаясь к максимально допустимым значениям, схема сетевого фильтра обеспечит за счет изменения токов подмагничивания стабилизационный эффект. Уменьшение токов нагрузки и в исходящих из фильтра цепях и во входящих в фильтр цепях обеспечивает режимы симметризации подаваемых на нагрузку токов и напряжений в широком диапазоне разности токов нагрузки по линейным проводам. В результате фильтрация излишнего питающего сетевого тока путем его уменьшения до допустимого предела не нарушает работы нагрузки, но снижает величину потребляемой ею электроэнергии. Кроме этого, как дополнительное положительное свойство сетевого фильтра можно отметить сглаживание бросков сетевого напряжения и, следовательно, увеличение ресурса работы устройств, составляющих данную комбинированную нагрузку.
Измерения потребленной комбинированной нагрузкой электрической энергии в течение отрезков времени, равных 2 часам, показали ее экономию при включении с сетевым фильтром в количестве от 11 до 19%, по сравнению с работой без фильтра.
Сетевой фильтр может быть изготовлен с использованием стандартных конденсаторов, стандартных электронных ключей и электронных коммутаторов; катушки индуктивности, катушки подмагничивания, управляющих обмоток, балластные индуктивности могут быть изготовлены из стандартного обмоточного провода, и установлены на сердечники, изготовленные из трансформаторного железа необходимой марки; контроллер может быть изготовлен для конкретного сетевого фильтра, возможно применение промышленного контроллера с соответствующей программой. Готовый сетевой фильтр может быть размещен в стандартном электротехническом щите, имеющем требуемые присоединительные и габаритные размеры и необходимый класс электротехнической защиты.
Таким образом, по сравнению с прототипом заявляемый сетевой фильтр наряду с допустимым пороговым уменьшением питающего сетевого тока, подаваемого на нагрузку, что позволяет существенно экономить потребляемую нагрузкой электроэнергию, обеспечивает работу в трехпроводной сети в режимах двухсторонней симметризации тока и обеспечивает стабилизацию работы фильтра при переменных токах нагрузки, в том числе при токах нагрузки, близких к максимальным.