Сетевой фильтр
LINE 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, общего энергосбережения активной энергии и оптимизации уровня 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 кратковременном повышении или понижении тока в нагрузке как по внешним, так и по внутренним причинам. Указанный фильтр не способен обеспечить фильтрацию одновременно и высокочастотных и среднечастотных изменений тока и не обеспечивает режим экономии активной и реактивной энергии.
Известен сетевой фильтр, описанный в патенте RU 2570351, МПК Н02М 1/16, опубл. 10.12.2015 г., 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 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 данного сетевого фильтра является то, что при достаточно эффективном уменьшении полного тока и уменьшении потребляемой электроэнергии на нагрузках различного типа, включенных по двухпроводной схеме, при быстром изменении уровней подаваемого напряжения: во-первых, имеет место несимметричное воздействие поля, создаваемого катушкой подмагничивания, на катушки индуктивности, установленные на сердечник, что вызывает снижение точности работы фильтра при смене задаваемых контроллером порогов энергосбережения; во-вторых, имеется влияние синхронности подачи сигналов контроллера на управляющие обмотки, что приводит к появлению кратковременной фазы тока короткого замыкания в балластных индуктивностях и, как следствие, к появлению внутренних импульсных помех в линейных проводах и снижению общей надежности устройства.
Наиболее близким к заявляемому сетевому фильтру является сетевой фильтр, описанный в патенте RU 2588592, МПК H02J 03/01, опубл. 10.07.2016 г., выбранный в качестве прототипа, и содержащий включенные в разрывы первого линейного провода катушку индуктивности с сердечником и токовую фильтрующую индуктивность с сердечником, снабженную не менее чем одной дополнительной обмоткой, и содержащий включенные в разрывы второго линейного провода токовую фильтрующую индуктивность с сердечником, снабженную не менее чем одной дополнительной обмоткой, между линейными проводами включены конденсатор и фильтро-корректирующие цепи, вход каждой из которых подключен к выходу одной из дополнительных обмоток, содержащий включенные последовательно между линейными проводами основную катушку фильтрации и создания противотока и 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, 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 на не менее чем один из сердечников катушек индуктивности.
Недостатком данного сетевого фильтра является то, что при эффективном уменьшении полного тока и уменьшении потребляемой электроэнергии на нагрузках различного типа, при быстром изменении уровней подаваемого напряжения на работу катушки подмагничивания влияет инерционность катушки индуктивности, установленной на сердечник, что вызывает снижение точности работы фильтра при смене задаваемых контроллером порогов энергосбережения; а также имеется влияние синхронности подачи сигналов измерительного устройства на управляющие обмотки, что приводит к появлению кратковременной фазы тока короткого замыкания в балластных индуктивностях и, как следствие, к появлению внутренних импульсных помех в линейных проводах и снижению общей надежности устройства.
Задача изобретения - совершенствование конструкции сетевого фильтра.
Технический результат предлагаемого изобретения направлен на увеличение точности работы сетевого фильтра путем создания стабилизирующего эффекта поддержания напряжения на выходе, не зависящего от тока нагрузки, при конструктивно выбранном числе управляемых индуктивностей балласта, на повышение надежности работы сетевого фильтра путем устранения возможности появления тока короткого замыкания в индуктивностях балласта, на уменьшение полного тока в нагрузке 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 сетевой фильтр, содержащий включенную в разрыв линейного провода фильтрующую катушку индуктивности с сердечником, на который установлена не менее чем одна катушка подмагничивания, включенный между линейными проводами конденсатор, не менее одной, например, две дополнительные катушки с сердечниками и управляющими обмотками, управляющее измерительное устройство, электронные ключи, включенные между одним из линейных проводов и первыми выводами управляющих обмоток, вторые выводы которых подключены на второй линейный провод, электронные ключи, подсоединенные параллельно дополнительным катушкам, при этом выходы управляющего измерительного устройства соединены с электронными ключами, дополнительно содержит электронные инверторы, которые соединены с управляющим измерительным устройством, выходы которого соединены с электронными ключами, включенными последовательно в цепи электронных ключей, включенных в цепи управляющих обмоток, выходы которого соединены с электронными ключами, включенными параллельно дополнительным катушкам, при этом дополнительные катушки соединены между собой в общую цепь и одним выводом подключены на один из линейных проводов, а вторым выводом соединены с выводом катушки подмагничивания, которая вторым выводом подключена на второй линейный провод на выходе фильтра.
Блок-схема сетевого фильтра приведена на фиг. 1.
Сетевой фильтр включает в себя входные 1, 2, и выходные 3, 4, клеммы для подключения его в разрыв линейных проводов А, В. Между входной клеммой 1 и выходной клеммой 3 включена фильтрующая катушка индуктивности 5 с сердечником 6, которая совместно с конденсатором 7, включенным между выходными клеммами 3, 4, образует широкополосный фильтр. На сердечник 6 установлена катушка подмагничивания 8, соединенная первым выводом с выходной клеммой 3, соединенная вторым выводом с первым выводом дополнительной катушки 9, установленной на сердечник 10, которая вторым выводом соединена с первыми выводом дополнительной катушки 11, установленной на сердечник 12, которая своим вторым выводом подключена на линейный провод В. Между входными клеммами 1, 2 и, соответственно, линейными проводами А, В включено управляющее измерительное устройство 13, которое соединено с электронными ключами 14, 15, подключенными, своими первыми выводами к линейному проводу А и вторыми выводами, соответственно, к первым выводам электронных ключей 16, 17, которые своими вторыми выводами соединены, соответственно, с первыми выводами управляющих обмоток 18, 19, установленными, соответственно, на сердечники 10, 12, при этом вторые выводы управляющих обмоток 18, 19 подключены к линейному проводу В. Электронные ключи 20, 21 соединены с управляющим измерительным устройством 13 и подключены своими первыми выводами, соответственно, на первые выводы дополнительных катушек 9, 11, и подключены своими вторыми выводами, соответственно, на первые выводы электронных ключей 22, 23, которые своими вторыми выводами подключены, соответственно, на вторые выводы дополнительных катушек 11, 9. Электронные инверторы 24, 25 соединены своими входами с управляющим измерительным устройством 13 и соединены своими выходами, соответственно, с электронными ключами 22, 23. Электронные инверторы 26, 27 соединены своими входами с управляющим измерительным устройством 13 и соединены своими выходами, соответственно, с электронными ключами 16, 17. При этом дополнительная катушка 9, дополнительная катушка 11 и катушка подмагничивания 8 соединены в общую цепь, соединенную с выходной клеммой 3 и линейным проводом В, соответственно.
Сетевой фильтр работает следующим образом.
При подключении нагрузки к выходным клеммам 3, 4 линейных проводов А, В ток начинает протекать по замкнутой цепи. Ток идет через входную клемму 1, линейный провод А, фильтрующую катушку индуктивности 5, выходную клемму 3, нагрузку, выходную клемму 4, линейный провод В, входную клемму 2. Широкополосный фильтр, образованный фильтрующей катушкой индуктивности 5, установленной на сердечник 6 с катушкой подмагничивания 8, и конденсатором 7, обеспечивает сглаживание импульсов тока, при их возникновении в нагрузке. На катушке подмагничивания 8 и соединенными с ней в общую цепь дополнительными катушками 9, 11, установленными на сердечники 10, 12, приложено напряжение, снимаемое с выходной клеммы 3 и выходной клеммы 4, что через сердечник 6 создает на фильтрующей катушке индуктивности 5 ток подмагничивания, противоположный току в нагрузке. Соотношение параметров фильтрующей катушки индуктивности 5, катушки подмагничивания 8, дополнительных катушек 9 и 11 выбирают так, что ток подмагничивания уменьшает ток на выходе сетевого фильтра на некоторую величину, например на 10-15%. При этом, если напряжение между входными клеммами 1 и 2 падает ниже величины первого заданного порога, установленного параметрами управляющего измерительного устройства 13, то последнее срабатывает и подает сигналы управления на электронный ключ 20 и электронный ключ 14. Эти же сигналы управления через электронные инверторы 24, 26, соответственно, подаются на электронные ключи 16, 22. Электронные ключи 20, 22 запираются, в результате дополнительная катушка 11, установленная на сердечник 12, включается последовательно с катушкой подмагничивания 8. Электронные ключи 14, 16 отпираются, и управляющая обмотка 19 подключается между линейными проводами А, В. Электронные инверторы 24, 26 обеспечивают гарантированное отсутствие режима короткого замыкания в цепи дополнительной катушки 11. Ток подмагничивания в катушке подмагничивания 8 уменьшается, например, до величины, уменьшающей ток в нагрузке на 6-9%. При этом создается частично стабилизирующий эффект напряжения, подаваемого в нагрузку, так как напряжение в цепи тока подмагничивания не зависит от тока нагрузки, влияющего на собственное падение напряжения на фильтрующей катушке индуктивности 5.
Если напряжение между входными клеммами 1 и 2 падает ниже величины второго заданного порога, установленного параметрами управляющего измерительного устройства 13, то последнее срабатывает и подает сигналы управления на электронный ключ 21 и электронный ключ 15. Эти же сигналы управления через электронные инверторы 25, 27, соответственно, подаются на электронные ключи 17, 23. Электронные ключи 21, 23 запираются, в результате дополнительная катушка 9, установленная на сердечник 10, включается последовательно в общую цепь с катушкой подмагничивания 8 и дополнительной катушкой 11. Электронные ключи 15, 17 отпираются, и управляющая обмотка 18 подключается между линейными проводами А, В. Электронные инверторы 25, 27 обеспечивают гарантированное отсутствие режима короткого замыкания в цепи дополнительной катушки 9. Ток подмагничивания в катушке подмагничивания 8 еще более уменьшается, например, до величины, уменьшающей ток в нагрузке на 2-4%. При этом создается частично стабилизирующий эффект напряжения, подаваемого в нагрузку, так как напряжение в цепи тока подмагничивания не зависит от тока нагрузки, влияющего на собственное падение напряжения на фильтрующей катушке индуктивности 5.
Уменьшение полного тока в нагрузке, в сочетании с созданием стабилизирующего эффекта поддержания напряжения на выходе, независимого от тока нагрузки и, как следствие, с повышением точности работы схемы сетевого фильтра приводит к уменьшению потребляемой нагрузкой электроэнергии, с одновременным повышением надежности работы сетевого фильтра путем гарантированного исключения режима кратковременно короткого замыкания во внутренних цепях.
Пример
При испытаниях использовали комбинированную нагрузку, типичную для предприятия торговли, включающую устройства обогрева, освещения, вентиляции, витринное и офисное оборудование. Уровни подаваемого входного напряжения на объекте изменялись в зависимости от времени суток, дня недели и режимов работы снабжающей подстанции. При включении сетевого фильтра он начинал отрабатывать режимы заданной экономии. Если напряжение, подаваемое из сети на сетевой фильтр, превышало значения порогов управляющего измерительного устройства, то в выходных цепях фильтра за счет создания подмагничивания ток нагрузки уменьшался на максимальную величину, заданную параметрами фильтра. Если входные напряжения снижались, и это вызывало срабатывание управляющего измерительного устройства, то величина уменьшения тока на фильтре падала, что сохраняло токовый режим нагрузки в сочетании со средней экономией электроэнергии. Дальнейшее понижение входного напряжения приводило к еще большему снижению доли уменьшения тока на сетевом фильтре, что вызывало сохранение токового режима нагрузки в сочетании с небольшой экономией электроэнергии. Если при работе ток нагрузки менялся, приближаясь к максимально допустимым значениям, схема сетевого фильтра обеспечивала за счет изменения токов подмагничивания стабилизационный эффект. В результате фильтрация излишнего питающего сетевого тока путем его уменьшения до допустимого предела не нарушала работы нагрузки, но снижала 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 нагрузкой на объекте типа предприятия питания электрической энергии в течение отрезков времени, равных 12 часам, показали ее экономию при включении с сетевым фильтром в количестве от 14 до 16%, по сравнению с работой без фильтра.
Сетевой фильтр может быть изготовлен с использованием стандартных конденсаторов, стандартных электронных ключей и электронных инверторов; фильтрующие катушки индуктивности, катушки подмагничивания, управляющие обмотки, дополнительные индуктивности могут быть изготовлены из стандартного обмоточного провода и установлены на сердечники, изготовленные из трансформаторного железа, необходимой марки; управляющее измерительное устройство может быть изготовлено 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 повышенную точность поддержания напряжения на нагрузке, стабилизацию работы фильтра при переменных токах нагрузки, в том числе при токах нагрузки, близких к максимальным, повышение надежности работы управляющей схемы устройства путем гарантированного исключения кратковременных тяжелых токовых режимов, создающихся в момент смены уровней экономии в устройстве.