Фильтр для подавления помех в сетях электроснабжения

 

Фильтр используется в электротехнике, в частности, для подавления помех в проводах сетевого питания зданий, крупных вычислительных центров и других электронных устройств большой мощности. Фильтр содержит металлический корпус, разделенный на отсеки экранирующими перегородками, проходные конденсаторы, катушки индуктивности, а также блок высокочастотных дросселей и длинных линий, последовательно соединенные блоки режекторных дросселей, блоки сильноточных резисторов и низкочастотных дросселей. Подключены блоки подключения энергии одиночных импульсов. Технический результат: фильтр позволяет повысить качество подавления помех, расширить диапазон подавления помех, снизить массо-габаритные показатели фильтра. 3 з.п.ф-лы, 9 ил.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для подавления помех в проводах сетевого питания зданий, крупных вычислительных центров, больших ЭВМ, других электронных устройств большой мощности.

Известно устройство для подавления помех, содержащее двухобмоточный трансформатор с обмотками, состоящими из последовательно соединенных секций и магнитопровода [1].

Недостатками указанного устройства являются его недостаточная мощность, так как оно не позволяет подавлять помехи в широком частотном диапазоне, не защищает устройство от кратковременных импульсных помех.

Наиболее близким по технической сущности и решаемой задаче является устройство для подавления помех в проводах сетевого питания, содержащее металлический корпус, разделенный на несколько отсеков, проходные конденсаторы, катушки индуктивности и блоки для подключения кабелей [2].

Недостатками указанного устройства являются низкая надежность и невысокое качество подавления помех при использовании в сетях трехфазного тока с тремя или четырьмя проводами, большие массо-габаритные показатели. Устройство не защищает от помех, возникающих, например, при мощных импульсах перенапряжения (удары молнии). Кроме того, не защищаются сети в области частот "звукового" диапазона, а также ограничиваются помехоподавляющие свойства, вызванные ударным возбуждением паразитных контуров фильтра. Устройство не подавляет помехи в самом широком спектре частот - от низких до сверхвысоких. Оно не позволяет ослаблять сигналы за пределами радиочастотного диапазона в области от 1 до 150 кГц.

Технической задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является устранение указанных недостатков, расширение области применения за счет подавления помех в самом широком диапазоне частот, повышение качества подавления помех, улучшение помехоподавляющих качеств фильтра, снижение массо-габаритных показателей.

Указанная задача решается тем, что фильтр для подавления помех в сетях электроснабжения, содержащий металлический корпус, разделенный на несколько отсеков экранирующими перегородками, проходные конденсаторы, катушки индуктивности и блоки для подключения кабелей, дополнительно снабжен блоком высокочастотных дросселей и длинных линий, симметричные выходы которого соединены через свои последовательно соединенные блоки режекторных дросселей, блоки сильноточных резисторов и низкочастотных дросселей, а также проходные конденсаторы, соответственно с входными и выходными блоками для подключения кабелей, к которым подключены свои нелинейные ограничители напряжения, при этом к симметричным выходам блока высокочастотных дросселей и длинных линий подключены блоки поглощения энергии одиночных импульсов. Задача решается также тем, что блок высокочастотных дросселей и длинных линий выполнен в виде многозвенного цепочечного фильтра, в котором дроссели зашунтированы резисторами, а также конденсаторами в соответствующих цепях "фаза- корпус" и между фазами, при этом проводник дросселя выполнен в виде плоского контактного проводника с отверстиями по всей площади, между которыми расположены обуженные участки, сплошные участки и контактные площадки для подключения резисторов и конденсаторов, а обойма дросселя выполнена в виде полости для заливки проводника феррокомпаундом. Задача решается также тем, что блоки нелинейных сильноточных резисторов и низкочастотных дросселей выполнены из последовательно соединенных в соответствующих фазах совмещенных нелинейных сопротивлений и дросселей, низкочастотных слабонасыщающихся дросселей и экранов. Задача решается также тем, что блок поглощения энергии одиночных импульсов выполнен в виде диодного моста, на входе которого включены ограничительные резисторы, а параллельно выходу подключен резистор и конденсаторная батарея.

На фиг. 1 представлена принципиальная электрическая схема устройства.

На фиг. 2 представлена схема блока поглощения энергии одиночных импульсов.

На фиг. 3 представлена схема блока сильноточных резисторов и низкочастотных дросселей.

На фиг. 4 представлено конструктивное выполнение блока сильноточных резисторов и низкочастотных дросселей.

На фиг. 5 представлена схема блока высокочастотных дросселей и длинных линий.

На фиг. 6 представлено конструктивное выполнение блока высокочастотных дросселей и длинных линий.

На фиг. 7 представлено конструктивное выполнение дросселя блока высокочастотных дросселей и длинных линий.

На фиг. 8 представлено конструктивное выполнение проводника дросселя.

На фиг. 9 представлена амплитудно-частотная характеристика блока.

Фильтр для подавления помех на фиг .1 содержит блоки для подключения кабелей 1, металлический корпус 2, разделенный на отсеки для блоков экранирующими перегородками 3. Блоки 1 содержат проходные конденсаторы 4 или их конструктивные аналоги (например, проходные фильтры, малоиндуктивные наборы из параллельно соединенных конденсаторов и т.п.). Ко входам блоков 1 подключены нелинейные ограничители напряжения 5, например, варисторы, ограничивающие амплитуду наиболее мощных импульсов с тем, чтобы на допустимом уровне ограничить рабочее напряжение элементов фильтра. Экранирующие кожуха 6 блоков 7 сильноточных резисторов и низкочастотных дросселей заземлены. Блоки 7 соединены с блоками 1 и подключены к своим блокам 8 режекторных дросселей, образованных ферритовыми кольцами 9 и проходящими через них изолированными друг от друга проводниками 10. Блоки 8 подключены к симметричным выводам блока 11 высокочастотных дросселей и длинных линий, кожух 12 которого заземлен. К этим же выводам блока 11 подключены соответствующие входы блоков 13 поглощения энергии одиночных импульсов.

Блок поглощения энергии одиночных импульсов на фиг. 2 содержит диодный мост, состоящий из диодов 14-21 и ограничительных резисторов 22-25 для подключения к блоку 11. Указанные резисторы ограничивают броски тока через выпрямитель при воздействии импульсов и включении фильтра на допустимом для диодов выпрямителя уровне. Резистор 26 обеспечивает разряд конденсаторной батареи 27 после отключения устройства с целью обеспечения безопасности. Ограничительные резисторы 22-25 рассчитываются только на импульсную мощность и имеют положительный температурный коэффициент сопротивления (вплоть до использования позисторов), поэтому при возникновении аварий в схеме они выполняют роль предохранителей, не приводя при сгорании к нарушению работоспособности фильтра в целом. Кроме того, при их сгорании не происходит резких бросов тока/напряжения, т.е. этот узел при выходе из строя сам помехи не генерирует. Резистор 26 имеет сопротивление, позволяющее конденсаторной батарее приходить в исходное состояние после воздействия однократного импульса за время, не превышающее десятых долей секунды.

Блок сильноточных резисторов и низкочастотных дросселей на фиг. 3 содержит в каждой фазе цепочку, состоящую из последовательно соединенных совмещенных нелинейных сопротивлений 28 и дросселей 29, а также низкочастотных слабонасыщающихся дросселей 30.

Конструктивно слабонасыщающийся дроссель 30 (фиг. 4) состоит из шины 31, окруженной первым магнитопроводом из листов электротехнической стали 32, причем часть листов пронизывается магнитным потоком в продольном направлении (низкое магнитное сопротивление), а часть листов пронизывается магнитным потоком в поперечном направлении (т.к. листы покрыты лаком или окалиной, то образуются естественные зазоры, препятствующие насыщению первого магнитопровода). Первый магнитопровод работает в области номинальных токов нагрузки. При бросках тока, вызванных воздействием перенапряжений, импульсным потреблением тока выпрямителями компьютеров (третьей гармоникой тока), воздействием мощных импульсных помех миллисекундного диапазона токи через дроссель могут превосходить номинальные, магнитопровод 32 насыщается (т.к. естественные зазоры из лака/окалины малы), магнитный поток выходит за его пределы в магнитопровод 33 из листов электротехнической стали, собранный аналогично 32, но с дополнительным одним или более калиброванным зазором из листа немагнитного (например диэлектрического) материала 34, благодаря которому второй магнитопровод насыщается слабее.

Дроссель 29, объединенный с нелинейным резистором 28 и длинной линией, состоит из широкой и тонкой шины 37, которая выполнена ступенчатой с участком 38 много тоньше шины 37 (возможна наборная конструкция из медной/алюминиевой шины 37 и тонкой медной фольги 38, наложенной на шину 37, фольга 38 может быть из материала с большим удельным сопротивлением). Шины с широких сторон окружены магнитопроводом 39 из листов электротехнической стали. С экраном 36 через диэлектрик 40 образуется конструктивный распределенный конденсатор и длинная линия, описанная выше.

Блок высокочастотных дросселей и длинных линий (фиг. 5,6) состоит из многозвенного фильтра, выполненного по цепочечной схеме и содержащего дроссели 41 (L₁-L₄₀), зашунтированные резисторами 42 (R₁-R₄₀), а также конденсаторы 43 в цепи "фаза-корпус", (C₁₁-C₂₀, C₃₁-C₄₀, C₅₁-C₆₀, C₇₁-C₈₀), конденсаторы 44 между фазами (C₁-C₁₀, C₂₁-C₃₀), C₄₁-C₅₀, C₆₁-C₇₀) и клеммы 45 для подключения блока.

Дроссель блока высокочастотных дросселей и длинных линий (фиг. 7) содержит проводник дросселя 46, резистор 47, проводники для подключения конденсатора 48, обойму дросселя 49 (одновременно служит полостью для заливки проводника феррокомпаундом), контактные штыри 50 для цепи рабочего тока, обуженные участки проводника дросселя 51, ферритовые" пластины магнитопровода 52 (могут быть заменены компаундом с ферромагнитным наполнителем и т.п. ), отверстия в проводнике дросселя 53, заполненные феррокомпаундом.

Проводник дросселя 46 (фиг. 8) содержит выводы для включения в цепь рабочего тока 54, сплошные участки проводника 5,5, контактные площадки для подключения резисторов и конденсаторов 56, обуженные участки проводника 51, отверстия в проводнике 53.

Фильтр для подавления помех в сетях электроснабжения работает следующим образом.

При возникновении низкочастотных помех (от единиц до десятков кГц), элементы блока 7 сильноточных резисторов и низкочастотных дросселей совместно с конденсаторами C₁-C₈₀ блока 11 высокочастотных дросселей и длинных линий образуют Г-образный однозвенный фильтр, который подавляет указанную помеху. Все остальные элементы, например, R₁-R₄₀, L₁-L₄₀ и высокочастотный дроссель 9 оказывают на подавление помех в низкочастотном диапазоне пренебрежительно малое влияние, так как они предназначены для работы в спектре существенно более высоких частот. Часть конденсаторов схемы (например, C₁₁-C₂₀, C₃₁-C₄₀, C₅₁-C₆₀, C₇₁-C₈₀) обеспечивают совместно с элементами блока 7 подавление несимметричных помех по отношению к корпусу. Аналогичную роль выполняет конденсатор 4, а конденсаторы C₁-C₁₀, C₂₁-C₃₀, C₄₁-C₅₀, C₆₁-C₇₀ обеспечивают подавление симметричных (между фазами) помех. В области более высоких частот дополнительное сопротивление прохождению помех начинают оказывать дроссели L₁-L₄₀, дроссель 8.

При возникновении высокочастотных помех (от единиц мГц до 100 МГц) элементы блока 11 дополнительно начинает выполнят роль многозвенного фильтра. Благодаря конструкции дросселя 29, описанной выше, ток низкой частоты протекает по всему сечению проводников 37, 38, которые совместно с магнитопроводом 39 образуют слабонасыщающийся дроссель. Для токов высокой частоты индуктивное сопротивление участков шины 37, 38, граничащих с магнитопроводом 39 существенно выше, чем для участков шины 38, расположенных в воздухе, поэтому высокочастотный ток перераспределяется на участки шины (ленты) 38, расположенные вне магнитопровода 39, т.е. на участки, сечение которых существенно меньше участка 37, а активная составляющая сопротивления существенно выше (она может быть увеличена при выполнении ленты 38 из материала с высоким удельным сопротивлением, например из никелевых сплавов). Таким образом, реализуется частотно зависимое нелинейное сопротивление, которое совместно с конденсаторами фильтра образует RC-фильтр, позволяющий за счет снижения добротности всей схемы в области высоких частот избегать выбросов на амплитудно-частотной характеристике.

При возникновении помех в диапазонах сверхвысоких частот (сотни и тысячи МГц), основной вклад в подавление помех вносят проходные конденсаторы 4. Кроме того, для высокочастотных токов электромагнитные связи между шиной 31 и листами магнитопровода 32 и 33 велики, так как помимо гальванической связи через обойму магнитопроводов существуют сильные емкостные связи между отдельными пластинами магнитопровода и шиной (малы зазоры между пластинами), поэтому можно условно считать шину + магнитопровод эквипотенциальной поверхностью, которая образует с корпусной конструкцией (экраном) 35 конденсатор с диэлектриком 36. Образованная индуктивностью шины и конструктивным распределенным конденсатором длинная линия обеспечивает дополнительное подавление помех в области сверхвысокой частоты.

На частоте рабочего тока все обуженные места проводника охватываются одинаковым числом линий магнитного потока и ток распределен по сечению проводника равномерно. По мере повышения частоты (область весьма высоких частот в десятки и сотни МГц) тока помех нижние обуженные участки проводника охватываются большим, а верхние меньшим числом линий магнитного потока, т.е. у нижних участков индуктивное сопротивление возрастает. Возникает своего рода поверхностный эффект у проводника, утопленного в ферромагнитную среду, и высокочастотные составляющие тока помех вытесняются к участкам проводника, свободным от ферромагнитной среды. Т.к. эти участки через контактные площадки 56 (фиг. 8) соединены резисторами 47 (фиг. 7), то на высоких частотах возникает нерезонирующий многозвенный RC-фильтр, а на более низких частотах дроссель совместно с конденсаторами работает как многозвенный LC-фильтр, у которого индуктивности задемпфированы резисторами с тем, чтобы предотвратить ударное возбуждение контуров при воздействии мощных коротких импульсов. Для регулирования степени демпфирования (т.е. добротности) можно часть резисторов 47 (фиг. 7) удалить. Наличие отверстий в проводнике позволяет уменьшить магнитное сопротивление ферромагнитной среды, окружающей обуженные участки, увеличить их индуктивность и тем самым сместить вниз по частоте границу возникновения поверхностного эффекта.

При возникновении импульсных помех подавление их происходит всеми элементами фильтра, так как они имеют определенный спектр токов и напряжений и энергия их сосредоточена в определенном частотном спектре, каждая составляющая подавляется в соответствии с ранее описанным механизмом.

Наиболее мощные одиночные импульсы, в особенности импульсы большой длительности, (например, разряд молнии длительностью порядка 10 - 100 мкс), импульсы напряжения при сгорании предохранителя (порядка 1 мкс) смогут проходить через фильтр без существенного уменьшения амплитуды, т.к. емкость конденсаторов C₁-C₈₀ и конденсаторов блока 4 не могут быть выбраны большими, так как они не должны оказывать существенного влияния на параметры питающей сети.

Для поглощения энергии мощных импульсных помех предусмотрены блоки 13, содержащие батареи конденсаторов большой емкости (с большой энергопоглощающей способностью), отделенные от остальной конструкции выпрямительным диодным мостом.

Для того, чтобы устройство подавляло импульсные помехи с амплитудой в тысячи Вольт (реально), но чтобы чрезмерно не увеличивать рабочее напряжение фильтра (массо-габаритные показатели), в схему введены ограничители пиковых напряжений 5.

Источники информации 1. Авт. свид. СССР N 1683080 H 04 B 15/00.1988.

2. Патент СССР N 504524 H 04 B 15/02, 1973.

Формула изобретения

1. Фильтр для подавления помех в сетях электроснабжения, содержащий металлический корпус, разделенный на отсеки для блоков экранирующими перегородками, блоки для подключения кабелей и блок высокочастотных дросселей и длинных линий, дроссели в котором зашунтированы конденсаторами в соответствующих цепях фаза-корпус и между фазами, при этом симметричные выходы блока высокочастотных дросселей и длинных линий соединены соответственно с блоками подключения кабелей, отличающийся тем, что симметричные выходы блока высокочастотных дросселей и длинных линий соединены с соответствующими блоками для подключения кабелей через введенные соответствующие последовательно соединенные блоки режекторных дросселей, образованных ферритовыми кольцами и проходящих через них изолированными друг от друга проводниками, блок сильноточных резисторов и низкочастотных дросселей, содержащих в каждой фазе цепочку, состоящую из последовательно соединенных совмещенных нелинейных сопротивлений и дросселей и низкочастотных слабонасыщающихся дросселей, при этом блоки для подключения кабелей содержат проходные конденсаторы, а ко входам блоков подключения кабелей подключены нелинейные ограничители напряжения, ограничивающие амплитуду наиболее мощных импульсов, причем к симметричным входам высокочастотных дросселей и длинных линий подключены блоки поглощения энергии одиночных импульсов, а элементы блока сильноточных резисторов и низкочастотных дросселей совместно с конденсаторами блока высокочастотных дросселей и длинных линий образуют Г-образный фильтр, подавляющий низкочастотную помеху.

2. Фильтр для подавления помех в сетях электроснабжения по п.1, отличающийся тем, что блок высокочастотных дросселей и длинных линий выполнен в виде многозвенного цепочечного фильтра, в котором дроссели зашунтированы резисторами, при этом проводник дросселя выполнен в виде плоского контактного проводника с отверстиями по всей площади, между которыми расположены обуженные участки проводника, сплошные участки проводника и контактные площадки для подключения резисторов и конденсаторов, а обойма дросселя выполнена в виде полости для заливки проводника феррокомпаундом так, что отверстия в проводнике дросселя заполнены феррокомпаундом.

3. Фильтр для подавления помех в сетях электроснабжения по п.1, отличающийся тем, что слабонасыщающийся дроссель блоков сильноточных резисторов и низкочастотных дросселей состоит из шины, окруженной первым магнитопроводом из листов электротехнической стали, зазоры между которыми препятствуют насыщению магнитопровода, а дроссель, объединенный с нелинейным резистором и длинной линией, блоков сильноточных резисторов и низкочастотных дросселей состоит из широкой и тонкой шины, которая выполнена ступенчатой с участком много тоньше этой шины, причем шина с широких сторон также окружена магнитопроводом из листов электротехнической стали.

4. Фильтр для подавления помех в сетях электроснабжения по п.1, отличающийся тем, что блоки поглощения энергии одиночных импульсов выполнены в виде диодного моста, на входе которого включены ограничительные резисторы, а параллельно выходу диодного моста подключены конденсаторная батарея и обеспечивающий разряд этой батареи резистор.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9