ФИЛЬТР ГАРМОНИК ТОКА ПИТАНИЯ НЕЛИНЕЙНЫХ НАГРУЗОК

Полезная модель относится к электротехнике и может найти применение в системах электропитания с использованием частотного преобразователя для погружных электродвигателей в нефтедобывающей промышленности и прочих потребителей с нелинейной нагрузкой.
Нелинейная нагрузка, как известно, вызывает гармонические искажения напряжения питающей сети за счет высших гармоник тока, в трехфазных цепях, как правило, 5-ой, 7-ой, 11-ой, 13-ой, и т.д.
Высшие гармоники тока нагрузки в системах электроснабжения искажают форму напряжения на шинах питающих трансформаторов, увеличивают потери энергии в подводящих сетях, вызывают преждевременное старение изоляции, за счет чего снижается надежность и долговечность электрооборудования. Именно поэтому в развитых странах введены государственные стандарты, регламентирующие допустимые уровни гармонических искажений напряжения, вызванные током нагрузки (в России действует ГОСТ 13109-97).
Известен пассивный широкополосный фильтр (патент US №6,127,743, H02J 1/02, 2000.03.10), состоящий из многообмоточного реактора и батареи конденсаторов. Данный фильтр включает в себя блокирующую катушку индуктивности и фильтрующий элемент, содержащий индуктивные и емкостные элементы, которые образуют разветвленные цепи. Этот фильтр, эффективно уменьшает широкий диапазон высших гармоник тока, потребляемого из системы электропитания.
Недостатком указанного фильтра гармоник тока является то, что поскольку все индуктивные элементы фильтра намотаны на общем магнитном сердечнике, между ними существует магнитная связь, которая индуцирует в блокирующем элементе гармоники токов, проникающие непосредственно в систему силового электроснабжения, увеличивая общий ток высших гармоник, тем самым снижая эффективность подавления гармоник таким фильтром, и для ее восстановления приходится увеличивать и умощнять блокирующий элемент, что, помимо увеличения стоимости, приводит иногда к недопустимому снижению напряжения на нагрузке при ее номинальном значении, а при малых нагрузках, особенно в режимах, близких к холостому ходу, выходное напряжение недопустимо возрастает.
Наиболее близким техническим решением является устройство с магнитным шунтом, предназначенное для подавления гармоник токов, генерируемых нагрузкой (патент №US 2006/0197385 A1, H02J 1/02, 2006.07.09), имеющее вход, подключенный к системе силового электроснабжения, и выход, соединенный с нагрузкой, состоящее из: магнитного сердечника, имеющего три стержня, причем каждый стержень соответствует одной из трех фаз системы силового электропитания; по крайней мере одного магнитного шунта, проходящего через все стержни и магнитно связанного со стержнями в их средней части; при этом первая и вторая часть сердечника на любой из двух сторон шунта содержат для каждой фазы - первый элемент с реактивным сопротивлением, включающий в себя фазную обмотку, имеющую один конец для соединения с первой фазой и второй конец, причем эта фазная обмотка находится на первой части сердечника; для каждой фазы - второй элемент с реактивным сопротивлением, включающий в себя первую обмотку, образующую разветвленную цепь, размещенную на второй части и имеющую первый конец, соединенный со вторым концом фазной обмотки и второй конец, соединенный с конденсатором, причем этот конденсатор имеет второй вывод, соединенный с другой фазой или с соответствующим конденсатором, подключенным к другой фазе; при этом фазная блокирующая обмотка и соответствующая резонирующая обмотка, образующая разветвленную цепь, для каждой фазы магнитно связаны при помощи магнитного шунта, а сердечник имеет по крайней мере один немагнитный зазор.
Благодаря такому выполнению, во-первых, уменьшаются габариты фильтра, а, во-вторых, снижается напряжение холостого хода и тем самым повышается его надежность.
Однако данному техническому решению присущ существенный недостаток, заключающийся в резкой зависимости токов блокирующей и особенно резонирующей обмоток от емкости конденсаторной батареи. Даже при отклонениях от номинальной в 5-10%, допускаемых заводами-изготовителями конденсаторов, превышение тока через фильтр может достигать 30-40% и приводить к недопустимому перегреву обмоток. Поэтому приходится либо увеличивать сечение проводников обмоток, либо проводить тщательную отбраковку конденсаторов в процессе изготовления фильтров; и то, и другое приводит к их удорожанию. Этот недостаток особенно остро ощущается при изготовлении мощных фильтров, например, для частотно-регулируемых электроприводов мощностью 200-2000 кВт. В этом случае емкость конденсаторов велика, и в каждой фазе приходится включать параллельно несколько однотипных конденсаторов. Выход одного из них из строя может привести к аварийной ситуации из-за увеличения тока в 2-3 раза.
Технический результат, получаемый при осуществлении полезной модели, выражается в расширении функциональных возможностей за счет улучшения качества потребляемого из сети тока, улучшении массогабаритных характеристик и повышении надежности.
Указанный технический результат достигается тем, что в фильтре гармоник тока питания нелинейных нагрузок, имеющем входы для подключения к системе электропитания, и выходы, для соединения с нагрузкой, содержится магнитный сердечник с одним или несколькими немагнитными зазорами, имеющий три стержня, причем каждый стержень соответствует одной из трех фаз системы силового электропитания; для каждой фазы содержится первый элемент, включающий в себя первую фазную обмотку, имеющую один конец для соединения с входом и второй конец; для каждой фазы содержится второй элемент, включающий в себя вторую обмотку, имеющую первый конец, соединенный со вторым концом фазной обмотки и второй конец, соединенный с первым выводом конденсатора первой группы; для каждой фазы содержится третий элемент, состоящий из третьей обмотки для магнитной связи с нагрузкой; при этом на каждом стержне магнитного сердечника, соответствующего одной из трех фаз, размещены первая и намотанные встречно с ней вторая и третья обмотки, второй конец каждой фазной обмотки соединен с соответствующим фазным выходом, вторые выводы конденсаторов первой группы присоединены к вторым концам соответствующих вторых обмоток смежных фаз, образуя соединение конденсаторов в треугольник, первые концы третьих обмоток соединены между собой, образуя соединение третьих обмоток в звезду, а ко вторым концам третьих обмоток присоединены первыми выводами по два конденсатора второй группы, вторые выводы которых соединены со вторыми концами вторых обмоток двух смежных фаз.
Указанный технический результат достигается также тем, что в фильтре гармоник тока питания нелинейных нагрузок вторые выводы конденсаторов первой группы соединены между собой, образуя соединение конденсаторов в звезду.
Указанный технический результат достигается также тем, что в фильтре гармоник тока питания нелинейных нагрузок магнитный сердечник содержит две симметричные магнитные цепи, объединяющие все стержни.
Указанный технический результат достигается также тем, что в фильтре гармоник тока питания нелинейных нагрузок магнитный сердечник содержит, по крайней мере, один магнитный шунт, проходящий через все стержни, разделяющий их на две части, и магнитно связанный с этими частями; при этом на первой части стержня расположена фазная обмотка, а на второй части стержня - вторая и третья обмотки.
Указанный технический результат достигается также тем, что в фильтре гармоник тока питания нелинейных нагрузок, имеющем входы для подключения к системе электропитания, и выходы, для соединения с нагрузкой, содержится магнитный сердечник с одним или несколькими немагнитными зазорами, имеющий три стержня, причем каждый стержень соответствует одной из трех фаз системы силового электропитания; для каждой фазы содержится первый элемент, включающий в себя фазную обмотку, имеющую один конец для соединения с входом и второй конец; для каждой фазы содержится второй элемент, включающий в себя вторую обмотку, имеющую первый конец, соединенный со вторым концом фазной обмотки и второй конец, соединенный с первым выводом конденсатора; для каждой фазы содержится третий элемент, состоящий из третьей обмотки для связи с нагрузкой; при этом на каждом стержне магнитного сердечника, соответствующего одной из трех фаз, размещены первая и намотанные встречно с ней вторая и третья обмотки, первый конец каждой третьей обмотки соединен со вторым концом соответствующей фазной обмотки, а второй конец каждой третьей обмотки присоединен к соответствующему фазному выходу, вторые выводы конденсаторов первой группы подключены к смежным фазным выходам, причем, между фазными выходами также подключена вторая группа конденсаторов, образующая соединение конденсаторов в треугольник.
Указанный технический результат достигается также тем, что в фильтре гармоник тока питания нелинейных нагрузок между фазными выходами подключена вторая группа конденсаторов, образующая соединения конденсаторов в звезду.
Указанный технический результат достигается также тем, что в фильтре гармоник тока питания нелинейных нагрузок магнитный сердечник содержит две симметричные магнитные цепи, объединяющие все стержни.
Указанный технический результат достигается также тем, что в фильтре гармоник тока питания нелинейных нагрузок магнитный сердечник содержит, по крайней мере, один магнитный шунт, проходящий через все стержни, разделяющий их на две части, и магнитно связанный с этими частями; при этом на первой части стержня расположена фазная обмотка, а на второй части стержня - вторая и третья обмотки.
Указанный технический результат достигается также тем, что в фильтре гармоник тока питания нелинейных нагрузок к выводам каждой фазной обмотки параллельно подключены шунтирующие конденсаторы третьей группы.
Расширение функциональных возможностей за счет повышения качества потребляемого из сети тока и улучшение массогабаритных характеристик, а также повышение надежности фильтра, обеспечивается использованием по каждой фазе второй и третьей резонирующих обмоток, намотанных встречно с фазной обмоткой и размещенных на одном из стержней трех стержневого сердечника, на котором размещена соответствующая фазная обмотка, и подключением вторых концов третьей резонирующей обмотки по каждой фазе через соответствующие конденсаторы первой и второй групп к вторым концам вторых резонирующих обмоток двух смежных фаз, а также выполнение магнитного сердечника таким образом, что он содержит две симметричных магнитных цепи, объединяющих все стержни.
На Фиг.1 представлена схема электрическая принципиальная первого варианта исполнения фильтра, содержащего конденсаторы первой группы, образующие соединение в треугольник.
На Фиг.2 представлена схема электрическая принципиальная второго варианта исполнения фильтра, содержащего конденсаторы первой группы, образующие соединение в звезду.
На Фиг.3 представлена схема электрическая принципиальная третьего варианта исполнения фильтра, содержащего по каждой фазе третьи резонирующие обмотки, подключенные к выходу фильтра и конденсаторы второй группы, подключенные к выходу фильтра, образующие соединение в треугольник.
На Фиг.4 представлена схема электрическая принципиальная четвертого варианта исполнения фильтра, содержащего по каждой фазе третьи резонирующие обмотки, подключенные к выходу фильтра и конденсаторы второй группы, подключенные к выходу фильтра, образующие соединение в звезду.
На Фиг.5 представлена схема электрическая принципиальная пятого варианта исполнения фильтра, по каждой фазе третьи резонирующие обмотки, подключенные к выходу фильтра и конденсаторы второй группы, подключенные к выходу фильтра, образующие соединение в треугольник, и содержащего по каждой фазе конденсаторы третьей группы, шунтирующие фазную обмотку.
На Фиг.6 представлен первый вариант размещения обмоток на сердечнике фильтра, содержащем Ш-образный сердечник, ярмо и магнитный зазор на каждом стержне.
На Фиг.7 представлен второй вариант размещения обмоток на сердечнике фильтра, содержащем Ж-образный сердечник, два ярма и два магнитных зазора на каждом стержне.
На Фиг.8 представлен третий вариант размещения обмоток на сердечнике фильтра, содержащем два Ш-образных сердечника, магнитный шунт между ними и два магнитных зазора на каждом стержне.
На Фиг.9 представлен четвертый вариант размещения обмоток на сердечнике фильтра, содержащем магнитный шунт и шесть магнитных зазоров на каждом стержне.
На Фиг.10 представлен внешний вид магнитного сердечника, содержащего две симметричные магнитные цепи объединяющие все стержни и два магнитных зазора на каждом фазном стержне.
На Фиг.11 представлен разрез А-А (см. фиг.10) магнитного сердечника, содержащего две симметричные магнитные цепи, объединяющие все стержни.
На Фиг.12 представлены частотные характеристики элементов заявляемого фильтра.
Фильтр гармоник тока питания нелинейных нагрузок во всех вариантах исполнений (см. Фиг.1-5) для каждой фазы содержит: блокирующие фазные обмотки индуктивностей 1-3 (L11. L12 и L13), подключенные своими началами (помечены точками) к соответствующим входам фильтра 4-6 (А, В, С); резонирующие вторые обмотки 7-9 (L21. L22 и L23), подключенные своими концами к соответствующим концам фазных обмоток индуктивностей 1-3, а началами к первым выводам соответствующих конденсаторов 10-12 (С21, С22, С23), образующих первую группу; резонирующие третьи обмотки индуктивностей 13-15 (L31. L32 и L33).
В первом и втором вариантах исполнений фильтра гармоник тока питания нелинейных нагрузок (см. Фиг.1, 2) блокирующие фазные обмотки индуктивностей 1-3 (L11. L12 и L13) своими концами подключены к соответствующим выходам фильтра 16-18 (A1, B1, С1); резонирующие третьи обмотки индуктивностей 13-15 (L31. L32 и L33) своими концами подключены друг к другу и образуют соединение в звезду; к началам резонирующих третьих обмоток индуктивностей 13-15 присоединены своими первыми выводами по два конденсатора, образующих вторую группу, соответственно, конденсаторы 19 и 20 (С31, С32), 21 и 22 (С33, С34), 23 и 24 (С35, С36). Вторые выводы конденсаторов 19 и 20 (С31, С32) второй группы присоединены к началам смежных вторых резонирующих обмоток 7 и 8 (L21. L22), вторые выводы конденсаторов 21 и 22 (С33, С34) второй группы присоединены к началам смежных вторых резонирующих обмоток 7 и 9 (L22. L23), вторые выводы конденсаторов 23 и 24 (С35, С36) второй группы присоединены к началам смежных вторых резонирующих обмоток 8 и 9 (L22. L23).
В первом варианте исполнения фильтра гармоник тока питания нелинейных нагрузок (см. Фиг.1) вторые выводы конденсаторов первой группы 10-12 (С21, С22, С23) подключены к началам вторых резонирующих обмоток индуктивностей 8, 9 и 7, соответственно, и образуют соединение конденсаторов в треугольник.
Во втором варианте исполнения фильтра гармоник тока питания нелинейных нагрузок (см. Фиг.2) вторые выводы конденсаторов первой группы 10-12 (С21, С22, С23) соединены между собой, подключены к общему проводу и образуют соединение конденсаторов в звезду.
В третьем, четвертом и пятом вариантах исполнений фильтра гармоник тока питания нелинейных нагрузок (см. Фиг.3, 4, 5) вторые выводы конденсаторов первой группы 10-12 (С21, С22, С23) присоединены к смежным фазным выходам фильтра 16-18 (A1, B1, С1), а именно: конденсатор 10 - к выходу 18 (C1); конденсатор 11 - к выходу 16 (А1); конденсатор 12 - к выходу 17 (В1); кроме того, вторые выводы конденсаторов первой группы 10-12 соединены с первыми выводами конденсаторов второй группы 25-27 (С31, С32, С33), соответственно.
В третьем и пятом вариантах исполнений фильтра гармоник тока питания нелинейных нагрузок (см. Фиг.3 и 5) вторые выводы конденсаторов второй группы 25-27 (С31, С32, С33) присоединены ко вторым выводам конденсаторов первой группы 10-12 (С21, С22, С23) смежных фаз, а именно: второй вывод конденсатора 25 (С31) - к второму выводу конденсатора 11 (С22); второй вывод конденсатора 26 (С32) - к второму выводу конденсатора 12 (С23); второй вывод конденсатора 27 (С33) - к второму выводу конденсатора 10 (С21), и образуют соединение конденсаторов второй группы в треугольник.
В четвертом варианте исполнения фильтра гармоник тока питания нелинейных нагрузок (см. Фиг.4) вторые выводы конденсаторов второй группы 25-27 (С31, С32, С33) соединены между собой, подключены к общему проводу и образуют соединение конденсаторов в звезду.
В третьем, четвертом и пятом вариантах исполнений фильтра гармоник тока питания нелинейных нагрузок (см. Фиг.3-5) для каждой фазы третьи резонирующие обмотки индуктивностей 13-15 (L31, L32 и L33) своими концами подключены к концам фазных обмоток индуктивностей 1-3 (L11. L12 и L13), соответственно, а началами присоединены к соответствующим фазным выходам фильтра 16-18 (А1, В1, С1).
В пятом варианте исполнения фильтра гармоник тока питания нелинейных нагрузок (см. Фиг.5) параллельно блокирующим фазным обмоткам индуктивностей 1-3 (L11. L12 и L13) присоединены шунтирующие конденсаторы третьей группы 28-30 (С41-С43). Аналогично пятому варианту шунтирующие конденсаторы могут быть присоединены параллельно фазным обмоткам индуктивностей по схемам третьего и четвертого исполнений силового трехфазного фильтра гармоник тока питания нелинейных нагрузок.
В фильтре гармоник тока питания нелинейных нагрузок во всех вариантах исполнений блокирующие фазные обмотки 1-3, резонирующие вторые обмотки 7-9 и третьи резонирующие обмотки 13-15 каждой фазы размещаются на одном из трех стержней трех стержневого Ш-образного магнитного сердечника, начала обмоток помечены точками (см. Фиг.6, 8, 9), либо Ж-образного сердечника, содержащего два ярма (см. Фиг.7), либо симметричного трех стержневого магнитного сердечника (см. Фиг.10, 11), при этом магнитный сердечник на каждом из трех стержней может содержать: один зазор 33 и магнитный шунт 31, проходящий через все стержни, (см. Фиг.6); два зазора 37, 38 (см. Фиг.7), шесть зазоров 49-54 и магнитный шунт 44, проходящий через все стержни, (см. Фиг.9). Симметричный трех стержневой магнитный сердечник содержит две симметричные магнитные цепи 55 и 57, объединяющие все стержни 56 и 58, два магнитных зазора 60 и 61 на каждом фазном стержне и магнитный шунт 34, проходящий через все стержни (см. Фиг.10, 11). Магнитный шунт, разделяет все стержни на две части, и магнитно связан с этими частями; при этом на первой части стержня расположена фазная обмотка, а на второй части стержня - вторая и третья резонирующие обмотки.
Пример конструктивного исполнения магнитного сердечника, содержащего две симметричные магнитные цепи 55 и 57, объединяющие все стержни 56 и 58, и симметричный магнитный шунт 59, разделяющий каждый фазный стержень через два магнитных зазора 60 и 61 на две части, приведен на Фиг.10. Начала 1.1, 2.1, 3.1 и концы 1.2, 2.2, 3.2 блокирующих фазных обмоток 1-3, начала 7.1, 8.1, 9.1 и концы 7.2, 8.2, 9.2 вторых резонирующих обмоток 7-9, Начала 13.1, 14.1, 15.1 и концы 13.2, 14.2, 15.2 третьих резонирующих обмоток 13-15, выполнены в виде шин с отверстиями для подключения элементов фильтра.
Резонирующие вторые обмотки 7-9 и третьи резонирующие обмотки 13-15 совместно с подключенными к ним конденсаторами образуют резонансные цепи, при этом первая группа резонирующих цепей, содержащая вторые обмотки 7-9 настраивается на резонансную частоту, меньшую частоты гармоники, имеющей максимальную амплитуду, например, 5-ой гармоники частоты питающей сети (50 Гц для Фиг.12), вторая группа резонирующих цепей, содержащая третьи обмотки 13-15 - на частоту, большую частоты 5-ой гармоники, но таким образом, что результирующая резонансная частота фильтра в целом остается меньше частоты 5-ой гармоники частоты питающей сети. На Фиг.12. представлены частотные характеристики заявляемого фильтра и его элементов: 62 - частотная характеристика первого резонирующего элемента, 63 - частотная характеристика второго резонирующего элемента, 64 - частотная характеристика фильтра в целом при согласованной нагрузке; где Io - текущее значение тока через обмотку; IH - номинальное значение тока протекающего через блокирующую фазную обмотку.
При этом блокирующие фазные и резонирующие вторые и третьи обмотки через конденсаторы первой и второй групп подключены друг к другу встречно, что обеспечивает вычитание токов протекающих по этим обмоткам. В этом случае для первого и второго вариантов исполнения фильтра (см. Фиг.1, 2) удается получить в режиме номинальной нагрузки коэффициент гармоник потребляемого тока порядка 5-6% вместо 7-8% при использовании LC-фильтра, содержащего только фазные обмотки с подключенными на выходе конденсаторами. Для третьего, четвертого и пятого вариантов исполнения фильтра (см. Фиг.3, 4, 5) удается получить в диапазоне изменения токов нагрузки от 100 до 75% номинального значения коэффициент гармоник потребляемого тока порядка не более 8%, что в 1,4-1,6 раз лучше по сравнению с использованием LC-фильтра, содержащего только фазные обмотки с подключенными на выходе конденсаторами. В пятом варианте исполнения фильтра (см. Фиг.5) для улучшения фильтрации потребляемого тока на частотах 21-ой - 29-ой гармоник частоты питающей сети, что бывает необходимо при использовании в схемах преобразователей с частотой широтно-импульсной модуляции от 2 до 3 кГц, параллельно блокирующим фазным обмоткам 1-3 подключены корректирующие конденсаторы 28-30. Использование симметричных магнитных цепей и симметричного магнитного шунта (см. Фиг.10, 11) позволяет расширить диапазон изменения токов нагрузки от 100 до 50% от номинального значения при коэффициенте гармоник потребляемого тока не более 8%.
Заявляемый фильтр гармоник тока питания нелинейных нагрузок может быть изготовлен в условиях серийного производства с использованием стандартного оборудования.
Размещение в фильтре по каждой из фаз на одном стержне трехфазного магнитного сердечника фазной блокирующей обмотки, второй и третьей резонирующих обмоток и включение их встречно уменьшает гармонические составляющие фазных токов, а подключение третьих резонирующих обмоток через конденсаторы второй группы к смежным фазам и выполнение магнитного сердечника таким образом, что он содержит две симметричных магнитных цепи, объединяющие все стержни, расширяет диапазон изменения токов нагрузки фильтра при его эффективном подавлении гармонических составляющих тока до величины значений требуемых ГОСТ, тем самым уменьшаются массогабаритные размеры фильтра и повышается его надежность.