Силовой фильтр электромагнитной совместимости

Заявляемая полезная модель относится к силовым фильтрам электромагнитной совместимости (помехоподавляющим фильтрам), предназначенным для предотвращения распространения по сетям электропитания кондуктивных электромагнитных помех, которые создает мощная современная электронная аппаратура. Это такие устройства как: выходные сетевые инверторы, используемые в возобновляемой энергетике (ВИЭ); источники и агрегаты бесперебойного электропитания; частотные преобразователи для управления электродвигателями; зарядные станции для электромобилей и др.
На современном этапе развития и использования силовой электроники все острее становится проблема обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС). Благодаря высоким удельным энергетическим и массогабаритным показателям все шире используются мощные силовые высокочастотные ключевые преобразователи электроэнергии, создающие широкий спектр электромагнитных помех. Ко всем устройствам силовой электроники предъявляются требования по ЭМС, в том числе по кондуктивным помехам. Кондуктивные помехи - это помехи, распространяющиеся по проводам питания, которые идут к сети и к нагрузке. В результате действия помех могут ложно срабатывать или выходить из строя любые устройства и системы, питаемые от тех же сетевых проводов; нагрузка, которую питает силовой инвертор или преобразователь. По этой причине во всем мире введены требования по помехам, которые измеряются на входных (выходных) сетевых контактах силовых преобразователей. Любой силовой преобразователь работает на частотах единицы-сотни килогерц, т.е. прерывает токи и напряжения на высоких частотах. В результате возникают широкополосные паразитные симметричные и несимметричные электромагнитные помехи. Для их нейтрализации используются фильтры электромагнитной совместимости - фильтры радиопомех.
Известно большое количество помехоподавляющих фильтров разных типов и имеющих разнообразное схемное решение.
Известны помехоподавляющие фильтры [1], состоящие из конденсаторов, либо из конденсаторов и индуктивностей по схеме Г-образного, П-образного, Т-образного или n-звенного фильтра, в которых индуктивности включены в цепь линейных проводов, а конденсаторы соединяют выводы индуктивностей с корпусом фильтра.
Недостатком таких фильтров является наличие емкостных токов утечки, которые по условиям безопасности должны иметь предельные значения величин, определяемых в соответствии с нормативными документами, например ГОСТ Р МЭК 60990-2010.
Известен фильтр электромагнитной совместимости, имеющий по числу линий от 2 до 5-и входных зажимов, подключенных соответственно к однофазной, или трехфазной сети переменного напряжения и от 2 до 5-и выходных зажимов, входные и выходные зажимы соединены через одно или несколько последовательно включенных звеньев фильтра, каждое из которых состоит из m-проводного индуктивного элемента, где 0<m<5, являющегося либо тококомпенсирующим дросселем, либо m - проводной системой из m независимых дросселей, также звено фильтра включает в себя i конденсаторов звена, где 0<i<5, при этом первые выводы i конденсаторов звена, содержащего корпусный конденсатор, соединены с входом или выходом m проводного индуктивного элемента этого же звена, а вторые выводы конденсаторов соединены между собой в общую точку и с первым выводом корпусного конденсатора данного звена, вторым выводом корпусной конденсатор соединен с корпусом, отличающийся тем что, параллельно, по крайней мере, одному корпусному конденсатору подключен дроссель-компенсатор (Патент РФ на полезную модель №131540 «Фильтр электромагнитной совместимости», МПК Н 03 Н 7/32).
Недостатком фильтра является то, что уменьшение тока утечки происходит за счет использования пассивного элемента - дросселя, индуктивность которого при воздействии температуры изменяется, тем самым изменяется и резонансная частота контура, а, следовательно, и величина уменьшения тока утечки резко падает. Также в пассивной системе не реализована обратная связь по изменению частоты сети, а также к температурному и временному изменению емкости блока конденсаторов на корпус.
Наиболее близким аналогом является силовой фильтр электромагнитной совместимости [2]. Фильтр состоит из двух блоков дросселей, блоков конденсаторных: входного, промежуточного и выходного, а также трех блоков конденсаторов на корпус.
Недостатком фильтра является следующее. Ввиду того что данный силовой фильтр рассчитан на токи сотни ампер невозможно развить высокую индуктивность в его блоках дросселей, поэтому для обеспечения необходимого уровня подавления нужно увеличивать емкость на корпус до величин в сотни раз превышающие пределы по технике безопасности по величине тока утечки.
Задачей полезной модели является: уменьшение токов утечки в фильтре практически до нуля, повышение эффективности подавления кондуктивных помех в фильтре и снижение его массогабаритных показателей за счет увеличения емкости блоков корпусных конденсаторов при соблюдении требований электробезопасности по ограничению токов утечки.
Поставленная задача достигается тем, что предлагается силовой фильтр электромагнитной совместимости, который имеет корпусные зажимы, а также по числу линий n-входных зажима, где n - целое число, которое может быть больше или равно двум, подключенных соответственно к однофазной или многофазной сети переменного напряжения и n выходных зажимов, подключенных к нагрузке, входные и выходные зажимы соединяются через одно или несколько последовательно включенных звеньев фильтра, каждое из которых состоит из блока дросселей, включенного в цепь силовой линии, а также из входного блока конденсаторов, причем первый вывод входного блока конденсаторов соединен с входом блока дросселей, а второй с первым выводом входного блока корпусных конденсаторов, который вторым выводом соединен с корпусом, а также из выходного блока конденсаторов, причем первый вывод выходного блока конденсаторов соединен с выходом блока дросселей, а второй с первым выводом выходного блока корпусных конденсаторов, который вторым выводом соединен с корпусом фильтра, в котором к первому выводу входного блока корпусных конденсаторов подключен блок датчика напряжения, который подключен к блоку микроконтроллера, который подключен к блоку инвертора тока (напряжения), который подключен к первому выводу выходного блока корпусных конденсаторов, к которому подключен блок развязывающих дросселей, который подключен к первому выводу входного блока корпусных конденсаторов, кроме того, блок микроконтроллера и блок инвертора тока (напряжения) подключены к блоку питания, который подключен к выходным зажимам фильтра.
Также возможен вариант выполнения устройства с блоком индикации состояния фильтра, сети и защитного заземления для предоставления информации пользователю о состоянии фильтра, сети и защитного заземления.
Техническим результатом, достигаемым при использовании предложенного фильтра, является: уменьшение токов утечки в фильтре практически до нуля, повышение эффективности подавления кондуктивных помех в фильтре и снижение его массогабаритных показателей за счет увеличения суммарной емкости блоков корпусных конденсаторов при соблюдении требований электробезопасности по ограничению токов утечки.
Заявленное решение поясняется чертежом фиг. 1, на котором представлена структурная схема силового фильтра электромагнитной совместимости, где:
1 - силовой фильтр электромагнитной совместимости, состоящий из одного звена;
2 - вход фильтра;
3 - входной конденсаторный блок;
4 - блок дросселей;
5 - выходной конденсаторный блок;
6 - выход фильтра;
7 - входной блок корпусных конденсаторов;
8 - блок развязывающих дросселей;
9 - выходной блок корпусных конденсаторов;
10 - блок датчика напряжения;
11 - блок микроконтроллера;
12 - блок инвертора тока (напряжения);
13 - блок питания.
Устройство работает следующим образом.
Напряжение сети (одно или многофазное) поступает на вход фильтра (2), далее оно поступает на блок дросселей (4), после которого поступает на выход фильтра (6). Входное напряжение также поступает на входной конденсаторный блок (3), который вторым выводом соединен с входным блоком корпусных конденсаторов (7). Входное напряжение создает на входном блоке корпусных конденсаторов (7) напряжение и ток, который является первым слагаемым суммарного тока утечки фильтра (1). Выходное напряжение фильтра также поступает на выходной конденсаторный блок (5), который вторым выводом соединен с выходным блоком корпусных конденсаторов (9). Выходное напряжение создает на выходном блоке корпусных конденсаторов (9) напряжение и ток, который является вторым слагаемым суммарного тока утечки фильтра (1). Между входным и выходным блоками корпусных конденсаторов (7) и (9) включен блок развязывающих дросселей (8), который развязывает цепи по высокой частоте, но объединяет по частоте сети. При поданном напряжении сети на блоке (7) присутствует суммарное напряжение от входа и от выхода. Данное напряжение - его форму, амплитуду и гармоники, фиксирует блок датчика напряжения (10) и передает информацию в блок микроконтроллера (11). Блок микроконтроллера (11) анализирует полученную информацию и при принятии решения о необходимости уменьшить ток утечки (напряжение на блоке (7)) - формирует и посылает сигналы управления на блок инвертора тока (напряжения) (12), который создает заданное напряжение и прикладывает его к выходному блоку корпусных конденсаторов (9). В результате за счет объединения по низкой частоте блоков (7) и (9) ток утечки, складывающийся из двух слагаемых, становится равен практически нулю. Для питания блока микроконтроллера (11) и блока инвертора (12) используется малогабаритный блок питания (13), подключенный к выходу фильтра (6) в том числе с целью не наводить электромагнитные помехи от своей работы во входную цепь фильтра (1). В результате в заявленном фильтре удается увеличить эффективность подавления радиопомех и уменьшить массогабаритные характеристики фильтра, за счет многократного увеличения суммарной емкости конденсаторных блоков фильтра на корпус. При этом ток утечки остается ниже нормы по технике безопасности.
Также возможен вариант введения в фильтр блока индикации состояния фильтра, сети и защитного заземления - представленный на фиг. 2. Блок индикации состояния фильтра, сети и защитного заземления (14) соединен с блоком микроконтроллера (11) и блоком питания (13). Данный блок на основании анализа данных проводимых блоком микроконтроллера (11) предоставляет информацию пользователю о состоянии фильтра, сети и защитного заземления.
Библиографические данные:
1. Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры: Справочник/ Г.С. Найвельт, К.Б. Мазель, Ч.И. Хусаинов и др.; под ред. Г.С. Найвельта. - М.: Радиоисвязь, 1985. - 576 с., ил. 2. www.tdk-electronics.tdk.com. Power Line EMC Filters (EPCOS). Type B84143C*S250/S251. https://www.tdk-electronics.tdk.com/inf/30/db/emc_2014/B84143C.pdf.