Фільтр вищих гармонік напруги мережі та струму приймача

1. Фільтр вищих гармонік напруги мережі та струму приймача, який містить вхідні та вихідні затискачі, дросель та конденсаторну батарею, причому обмотка дроселя має два крайніх виводи та щонайменше один проміжний вивід, перший із вхідних затискачів приєднаний до першого виводу конденсаторної батареї та першого вихідного затискача, перший крайній вивід одмотки дроселя приєднаний до другого виводу конденсаторної батареї, а другий із вихідних затискачів приєднаний до проміжного виводу обмотки дроселя, який відрізняється тим, що до фільтра введено автотрансформатор, проміжний вивід обмотки якого приєднаний до другого крайнього виводу обмотки дроселя, перший крайній вивід обмотки автотрансформатора приєднаний до першого вхідного затискача, а другий крайній вивід обмотки автотрансформатора з'єднаний із другим вхідним затискачем фільтра. 2. Фільтр за п. 1, який відрізняється тим, що до фільтра введено перший додатковий дросель, C2 2 (19) 1 3 між собою з'єднані послідовно і настроєні в резонанс з частотою тієї гармоніки, яку необхідно подавити. У фільтрі пропускання конденсаторна батарея та котушка індуктивності між собою з'єднані послідовно і настроєні в резонанс з частотою напруги мережі. Недоліки фільтрів подавлення полягають в наступному: - велика кількість окремих фільтрів; кількість послідовно з'єднаних конденсаторних батарей та котушок індуктивності дорівнює кількості гармонік, які необхідно подавити, помножених на три (на кількість фаз); вузька смуга частотного діапазону фільтрації. Недоліки фільтрів пропускання - принципова неможливість фільтрації гармонік 150Гц - 450 Гц напруги мережі 50 Гц. Відомий фільтр вищих гармонік напруги мережі та струму приймача [5, 6], який містить блок вимірювання вищих гармонік напруг та/або струмів живильної мережі і силовий блок. Силовий блок формує струми вищих гармонік у протифазі до вищих гармонік трифазної мережі або приймача. Струми вищих гармонік силового блоку перетікають у живильну мережу і компенсують вищі гармоніки мережі або приймача. Недолік фільтра - мала надійність напівпровідникових елементів. Відомий фільтр вищих гармонік напруги мережі та струму приймача [7], який містить дросель, обмотка якого виконана з проміжним виводом, та конденсаторну батарею, причому згаданий проміжний вивід обмотки дроселя приєднано до одного із виводів конденсаторної батареї. Фільтр придатний для згладжування пульсацій випрямленої напруги. Його недолік - непридатність для фільтрації гармонік напруги у діапазоні 150-2500Гц при живленні від мережі 50 Гц. Відомий фільтр вищих гармонік напруги мережі та струму приймача [8-10], кожна фаза якого містить дросель із двома обмотками та конденсаторну батарею, причому кожні дві обмотки, що належать до дроселів різнойменних фаз, з'єднані між собою однойменними виводами, наприклад, кінцевий вивід одмотки дроселя фази А з’єднаний з кінцевим виводом обмотки дроселя фази В. У фільтрі використані міжфазні електромагнітні зв'язки. У фільтрі [8] заявлене також з'єднання однойменних виводів обмоток однойменних фаз дроселів. Фільтр задовільно фільтрує гармоніки напруг та струмів у діапазоні частот 350-2500 Гц. Недолік фільтра - 10-15 кратне перевищення встановленої потужності елементів фільтра над прохідною потужністю, в результаті чого фільтр має завищені масо-габаритні характеристики. Відомий фільтр вищих гармонік напруги мережі та струму приймача [11-13], який містить дросель з однією обмоткою, спорядженою проміжним виводом, та конденсатор. У фільтрі один із крайніх виводів обмотки дроселя приєднаний до виводу конденсаторної батареї, а проміжний вивід приєднаний до виводу приймача. Недолік фільтра - неузгодженість величини напруги виходу фільтра з номінальним значенням напруги приймача. Найближчим аналогом (прототипом) до фільтра вищих гармонік напруги мережі та струму приймача, який заявляється, є фільтр [14], який містить вхідні та вихідні затискачі фільтра, дросель та конденсаторну батарею, причому обмотка 92089 4 дроселя облаштована двома крайніми виводами та одним або декількома проміжними виводами, перший із вхідних затискачів приєднаний до першого виводу конденсаторної батареї та першого із вихідних затискачів, перший крайній вивід одмотки дроселя приєднаний до другого виводу конденсаторної батареї, другий із вихідних затискачів приєднаний до проміжного виводу обмотки дроселя, а другий із вхідних затискачів приєднаний до другого крайнього виводу одмотки дроселя. Недоліки прототипу: - недостатній коефіцієнт фільтрації, який на частоті 150 Гц не перевищує 812 при встановленій потужності 600-800% від прохідної потужності фільтра; - вихідна напруга фільтра на 20-70% вища від вхідної напруги фільтра, що утруднює застосування фільтра для приймачів, розрахованих на приєднання до мережі загального призначення; - порівняно висока напруга конденсаторної батареї, що приводить до виходу її з ладу. У зв'язку з цим була поставлена задача: - підвищити коефіцієнт фільтрації удвічі і більше разів; - зменшити на 20-70% величину вихідної напруги фільтра до рівня величини напруги мережі; - зменшити на 20-70% напругу конденсаторної батареї. Поставлена мета досягнута шляхом зниження напруги на L-C контурі фільтра, а саме тим, що: до фільтра вищих гармонік напруги мережі та струму приймача, який містить вхідні та вихідні затискачі фільтра, дросель та конденсаторну батарею, причому обмотка дроселя облаштована двома крайніми виводами та одним або декількома проміжними виводами, перший із вхідних затискачів приєднаний до першого виводу конденсаторної батареї та першого із вихідних затискачів, перший крайній вивід одмотки дроселя приєднаний до другого виводу конденсаторної батареї, а другий із вихідних затискачів приєднаний до проміжного виводу обмотки дроселя, додано автотрансформатор, проміжний вивід обмотки якого приєднаний до другого крайнього виводу обмотки дроселя, перший крайній вивід обмотки автотрансформатора приєднаний до першого вхідного затискача, а другий крайній вивід обмотки автотрансформатора з'єднаний із другим вхідним затискачем фільтра. До фільтра додано перший додатковий дросель, виводи якого по одному приєднані до крайніх виводів обмотки автотрансформатора. Автотрансформатор конструктивно суміщений із першим додатковим дроселем, через що у магнітопровід автотрансформатора введений повітряний прозір. До фільтра додано другий додатковий дросель та перша додаткова конденсаторна батарея, які між собою ввімкнені послідовно, причому перший вивід утвореного послідовного з'єднання приєднаний до одного із проміжних виводів дроселя, а другий вивід утвореного послідовного з'єднання приєднаний до першого вихідного затискача. До фільтра додано третій додатковий дросель та друга додаткова конденсаторна батарея, які між собою ввімкнені послідовно, причому перший вивід утвореного послідовного з'єднання приєднаний 5 до одного із проміжних виводів дроселя, а другий вивід утвореного послідовного з'єднання приєднаний до першого вихідного затискача. До фільтра додано перший резистор, перший вивід якого приєднаний до першого вихідного затискача, а другий вивід резистора приєднаний до одного із проміжних виводів обмотки дроселя. До фільтра додано другий резистор, один вивід якого приєднаний до другого вхідного затискача, а його другий вивід приєднаний до одного із проміжних виводів обмотки дроселя. Для кращого пояснення суті фільтра розглянемо графічні матеріали. На Фіг.1 показана принципова схема фільтра вищих гармонік напруги мережі та струму приймача в основному варіанті. На Фіг.2 показана принципова схема фільтра з першим додатковим дроселем. На Фіг.3 показана принципова схема фільтра, у якого перший додатковий дросель конструктивно суміщений із автотрансформатором. На Фіг.4 показана принципова схема фільтра з першим додатковим коливним контуром, утвореним другим додатковим дроселем та першою додатковою конденсаторною батареєю. На Фіг.5 показана принципова схема фільтра з першим додатковим резистором. На Фіг.6 показана принципова схема фільтра з другим додатковим резистором. На Фіг.1 позначено: 1 - другий вхідний затискач; 2 - дросель, магнітопровід якого має повітряний прозір; 3 - друга частина обмотки дроселя; 4 - другий вихідний затискач; 5 - перша обмотка автотрансформатора; 6 - автотрансформатор; 7 - вивід точки з'єднання першої та другої обмоток автотрансформатора; - 8 - перша частина обмотки дроселя 2; 9 - проміжний вивід обмотки дроселя; 10 - друга обмотка автотрансформатора; 11 - конденсаторна батарея; 12 перший вхідний затискач; 13 - перший вихідний затискач. На Фіг.2 позначено: 14 - перший додатковий дросель; 15 - обмотка першого додаткового дроселя; решта позначень співпадає із позначеннями Фіг.1. На Фіг.3 позначено: 16 - дросель-автотрансформатор із прозіром у магнітопроводі; решта позначень співпадає із позначеннями Фіг.1. На Фіг.4 позначено: 17 - обмотка другого додаткового дроселя; 18 - другий додатковий дросель; 19 - перша додаткова конденсаторна батарея; решта позначень співпадає із позначеннями Фіг.1. На Фіг.5 позначено: 20 - перший додатковий резистор; 21 - проміжний вивід обмотки дроселя, приєднаний до першого додаткового резистора; решта позначень співпадає із позначеннями Фіг.1 та Фіг.4. На Фіг.6 позначено: 22 - другий додатковий резистор; 23 - проміжний вивід обмотки дроселя, приєднаний до другого додаткового резистора; решта позначень співпадає із позначеннями Фіг.1. Склад та влаштування фільтра. Фільтр складається (Фіг.1): із вхідних 1 і 12 та вихідних 4 і 13 затискачів, автотрансформатора 6, дроселя 2 та конденсаторної батареї 11. Обмотка дроселя 2 92089 6 має крайні та проміжні, наприклад, 9 виводи, першу 8 та другу 3 частини обмотки. Автотрансформатор 6 містить першу 5 та другу 10 обмотки, спільний вивід 7 першої та другої обмоток. Перший із вхідних затискачів 12 приєднаний до першого виводу конденсаторної батареї 11 та першого вихідного затискача 13. Перший крайній вивід другої частини 3 одмотки дроселя 2 приєднаний до другого виводу конденсаторної батареї 11. Другий із вихідних затискачів 4 приєднаний до проміжного виводу 9 обмотки дроселя. Проміжній вивід 7 обмотки автотрансформатора 6 приєднаний до другого крайнього виводу першої частини 8 обмотки дроселя 2. Перший крайній вивід обмотки 10 автотрансформатора 6 приєднаний до першого вхідного затискача 12. Другий крайній вивід обмотки 5 автотрансформатора 6 з'єднаний із другим вхідним затискачем 1 фільтра. У першому додатковому варіанті виконання фільтра (Фіг.2) до нього додано перший додатковий дросель 14, який містить обмотку 15. Крайні виводи обмотки 15 першого додаткового дроселя приєднані до вхідних затискачів 1 та 12. У другому додатковому варіанті виконання фільтра (Фіг.3) функції автотрансформатора та дроселя конструктивно суміщені у одному елементі 16, який називають дроселемавтотрансформатором. Через це його магнітопровід виконано з повітряним прозіром. У третьому додатковому варіанті виконання фільтра (Фіг.4) до фільтра додано послідовне з'єднання другого додаткового дроселя 18 з першою додатковою конденсаторною батареєю 19. Це послідовне з'єднання ввімкнене між першим вихідним затискачем 13 та проміжним виводом 9 обмотки дроселя 2. У четвертому додатковому варіанті виконання фільтра (на фігурах не показано)) до фільтра додано друге послідовне з'єднання третього додаткового дроселя з другою додатковою конденсаторною батареєю. Це послідовне з'єднання також ввімкнене між першим вихідним затискачем та проміжним виводом обмотки дроселя 2, який не співпадає з виводом 9. У п'ятому додатковому варіанті виконання фільтра (Фіг.5) до нього додано перший резистор 20, перший вивід якого приєднаний до першого вихідного затискача 13, а другий вивід першого резистора приєднаний до одного із проміжних виводів 21 обмотки дроселя 2. У шостому додатковому варіанті виконання фільтра (Фіг.6) до фільтра додано другий резистор 22, один вивід якого приєднаний до другого вхідного затискача 1, а його другий вивід приєднаний до одного із проміжних виводів 23 обмотки дроселя 2. Робота фільтра. При подачі напруги живлення (Фіг.1) на вхідні затискачі фільтра (1, 12) автотрансформатор 6 зменшує напругу живильної Uм до величини, пропорційної кількості витків W5 та W10 першої та другої обмоток автотрансформатора 6 відповідно до виразу (1): U7,12 = Uм * W10/ (W5+ W10). (1) У режимі пропускання низькочастотних гармонік напруг у діапазоні 25-75 Гц від джерела до приймача величина напруги на вихідних затиска 7 чах 4 та 13 дорівнює приблизно величині напруги мережі, оскільки між опором обмотки XL дроселя 2 та опором ХС конденсаторної батареї 11 має залежність ХL(50Гц)/ХC(50Гц) < 1,0, (2) При умові (2) вектор напруги U7,12, визначений з (1), та вектор напруги U7,9 на частині 8 обмотки дроселя 2 між собою майже паралельні і направлені однобічно. Останнє є більш справедливим при холостому ході фільтра. До вихідних затискачів 4 та 13 прикладена сума напруг U7,12 та U7,9. Оскільки добротність дроселя 2 може знаходитися у межах від 20... до 50, то сумарна напруга U4,13, прикладена до вихідних затискачів, приблизно рівна напрузі мережі Um. Отже на частоті 50 Гц має місце рівність: U7,12 + U7,9 Uм, (3) У напрузі мережі можуть бути присутні вищі гармоніки, наприклад, третя гармоніка (150 Гц), п'ята (250 Гц), сьома (350 Гц) і т. і. Оскільки фільтр призначений для пропускання лише гармонік напруги, частота яких близька до 50 Гц, то резонансна частота L-C контура, що складається із дроселя 2 та конденсаторної батареї 11, обирається близькою до 100±25 Гц. Це означає, що для частот гармонік 150 Гц і вище L-C контур працює у режимі фільтрації за межею резонансної частоти. Тобто у випадку подачі на вхід фільтра лише гармоніки 150 Гц потенціал проміжного виводу 9 обмотки дроселя буде знаходитися поблизу потенціалу затискача 13. На частотах 150 Гц і вище напруга на обкладинках конденсаторної батареї UC близька також до нульового значення. Коефіцієнт фільтрації К на частоті вищої гармоніки -τοϊ напруги оцінюється відношенням К( ) = Uм( )/U4,13( ), (4) де: Um( ) - -та гармоніка напруги мережі; U4,13( ) - -та гармоніка напруги на вихідних затискачах 4 та 13. За допомогою даного фільтра можуть фільтруватися вищі гармоніки частотою від 150 Гц до 10 кГц і вище. Тому цей фільтр належить до класу смугових фільтрів. Коефіцієнт фільтрації вищих гармонік (4) може досягати 12-100 для вимірювальних фільтрів і 12-60 для силових фільтрів. Зниження коефіцієнту фільтрації вищих гармонік силових фільтрів пояснюється квадратичною залежністю їх установленої потужності елементів фільтра від величини коефіцієнту фільтрації. Ступінь фільтрації оцінюють також за коефіцієнтом загасання завад К( , дБ) на -тій гармоніці. К( , дБ) = 20 Log (Uм( )/U4,13( )), (5) Величина коефіцієнту загасання завад К( , дБ) на -тій гармоніці при використанні даного фільтра може досягати 40 дБ і вище. У першому додатковому варіанті виконання фільтра (Фіг.2) до нього додано перший додатковий дросель 14, що містить обмотку 15. Необхідність застосування першого додаткового дроселя виникає у силових фільтрах, які є значними генераторами реактивної потужності, яка збільшує втрати енергії у мережі та відхилення напруги від номінального значення у мережі. Приєднання першого додаткового дроселя компенсує ємнісну реактивну енергію і цим дозволяє зменшити втра 92089 8 ти енергії у мережі та відхилення напруги мережі від номінального значення. У другому додатковому варіанті виконання фільтра (Фіг.3) функції автотрансформатора 6 та першого додаткового дроселя 14 конструктивно суміщені у одному елементі 16 - дроселіавтотрансформаторі. Уведення повітряного прозіру у магнітопровід дроселя-авто-трансформатора 16 компенсує ємнісну реактивну потужність, джерелом якої є конденсаторна батарея 11. У третьому додатковому варіанті виконання фільтра (Фіг.4) до фільтра додано послідовне з'єднання другого додаткового дроселя 18 з першою додатковою конденсаторною батареєю 19. Це з'єднання являє собою резонансний контур, який має опір, близький до нульового на одній вибраній частоті, наприклад, 150 Гц - найнижчій частоті фільтрованого діапазону частот. При виконанні силового варіанту фільтра введення додаткового резонансного контуру знижує установлену потужність фільтра на 30-50%, оскільки частота L-C контура, що складається із дроселя 2 та конденсаторної батареї 11, може бути при цьому збільшена на 60%. У четвертому додатковому варіанті виконання фільтра (на фігурах не показано)) до фільтра додано друге послідовне з'єднання третього додаткового дроселя з другою додатковою конденсаторною батареєю. Друге послідовне з'єднання третього додаткового дроселя з другою додатковою конденсаторною батареєю налаштоване на другу найнижчу гармоніку, наприклад, на 250 Гц. Це забезпечує подальше зниження установленої потужності фільтра на 15-20%, оскільки частоту настройки L-C контура, що складається із дроселя 2 та конденсаторної батареї 11, можна при цьому збільшити на 40%. У п'ятому варіанті виконання фільтра (Фіг.5) до фільтра додано перший резистор 20. Змінюючи величину опору першого резистора 20 можемо на окремій частоті режекції (повного подавлення гармоніки завади) досягти збільшення коефіцієнту фільтрації до 200-800, а коефіцієнту загасання завади - до 46-58 дБ. У шостому додатковому варіанті виконання фільтра (Фіг.6) до фільтра додано другий резистор 22. З його допомогою подавляються інфранизькі коливання вихідної напруги фільтра на затискачах 4 та 13 при комутаціях у живильній мережі, різкій зміні опору навантаження фільтра та при переключеннях живлення фільтра від мережі до пристроїв гарантійного живлення. Без резистора 22 перехідний процес вихідних напруг відбувається за 20-50 періодів основної частоти з інфранизькою частотою 1-3 Гц. При приєднанні резистора 22 при проходженні перехідного процесу поглинається зайва енергія, а сам процес відбувається плавно за експоненціальним законом, без стрибків та низькочастотних коливань. В основному та додаткових варіантах виготовлення фільтра коефіцієнти фільтрації вищих гармонік практично незмінні на частотах від 150-350 Гц до 2500 Гц. Фільтр не вимагає точної підстройки параметрів елементів фільтра. Коефіцієнти фільтрації цього смугового фільтра можуть станови 9 ти від 12 до 100 у колах вимірювання та від 12 до 60 у силових фільтрах 5-25 кВА.У порівнянні з відомими фільтрами заявлений дає змогу підвищити коефіцієнт фільтрації не менше ніж удвічі. У такому фільтрі вихідна напруга зменшена на 20-70%. На таку ж величину зменшена напруга конденсаторної батареї. Застосування. Назва фільтра - «Фільтр вищих гармонік напруги мережі та струму приймача» свідчить про те, що даний фільтр може використовуватись за двома призначеннями. По перше, фільтр пропускає лише низькочастотні гармоніки напруги від джерела до приймача, тобто фільтрує (не пропускає) вищі гармоніки напруги до приймача. По друге, фільтр пропускає лише низькочастотні гармоніки струму від приймача до джерела, тобто фільтрує (не пропускає) вищі гармоніки струму приймача у живильну мережу. Це твердження справедливе для всіх лінійних пасивних фільтрів і доводиться за допомогою теорем взаємності та компенсації теоретичної електротехніки. Фільтр доцільно застосовувати як у силовій техніці, так і у засобах вимірювання для виділення першої (основної) гармоніки (синусоїди) із спотвореної напруги, наприклад, прямокутної, або струму - у низьковольтній мережі з напругою 220-240В. Фільтр може бути використаний також для живлення інверторів та перетворювачів частоти у пристроях частотного приводу. Крім того, за допомогою такого фільтра можуть бути створені джерела напруг з практично чистою синусоїдою для використання при спеціальних випробуваннях промислового та побутового устаткування. Експериментальні випробування підтвердили високі технічні характеристики фільтра. Список посилань. 1. Электротехнический справочник. Под общей ред. Грудинского П.Г. и др. Изд.5. М., «Энергия», 1975. Табл. 2-7. 2. Добрусин Л.А., Павлович А.Г. Влияние конденсаторов в составе фильтро-компенсирующего устройства на несинусоидальность напряжения сети. -Электричество. - 1975. - No 12. - С.71-74. 92089 10 3. Яценко A.A., Вахнина В.В. и др. Устройство для регулирования мощности трехфазных фильтров. Авт. свид. СССР No 1381650, МПК H02S3/18, Опубл. Бюл. изобр. 1988, No 10. 4. Garza F.D. Mitigation of harmonic currents and conservation of power in non-linear load system. Патент США № 7309973, МПК H02P27/16, G05F1/70, ACC 318/729, Публ. 18.12.2007. 5. Kawahira Η., Nakamura Т., Nakasawa S., Nomura M. Active power filter //"Inter. Power Electron. Conf., Tokyo, 27-31 March, 1983, Vol. 2", 1983, с 981 - 992. 6. Davis W. F. High frequency line ripple cancellation circuit. Патент США No 4341990, МПК G05F1/56, Публ. 27.07.1982. 7. Suzuki Mitsunari. Noise suppressor. Патент США No 7193869, МПК Н02М1/12, 1/14, вид. 20.03.2007. 8. Levin Μ.I., Hoevenaars A.H., Volkov I.V., Kuznetsov V.G. Universal harmonic mitigating system. Патент США № 6127743, МПК H02J1/00 (307/105). Опубліковано 3.10.2000. 9. Shudarek T.A. Three-phase harmonic reduction filter for bidirectional power converters. Патент США No 7378754, МПК H02J3/00, Публ. 27.05.2008. 10. Levin Μ.I., Hoevenaars A.H., Volkov I.V. Harmonic mitigating device with magnetic shunt.. Патент США № 7449799, МПК H02J1/02, H01F27/24 (307/105). Опубліковано 11.11.2008. 11. Шидловский А.К., Музыченко А.Д., Трофименко А.П., Долгинцев A.B., Бульбанюк А.Ф., Фильтр. Авт. свид. СССР № 930521, МПК H02J3/01, Бюл. Изобр. 1982, Бюл. 2. 12. Музыченко А.Д., Трофименко А.П. Фильтр. Авторское свидетельство СРСР № 1488918, МПК H02J3/01, Опубл. 23.06.1989. 13. Moran Gunter, Richter Walter, Fitscher Gerchard, Filteranordnung. Патент Австрії No 393765, МПК Н03Н1/02, Опубл. 10.12.1991. 14. Lauri P.M. Harmonic mitigation filter. Патент США No 6844794, МПК Н03Н7/01, Опубл. 18.01.2005. 11 Комп’ютерна верстка Л.Литвиненко 92089 Підписне 12 Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601