Схема для уменьшения токов гармоник

 

Схема для уменьшения токов гармоник содержит источник питания переменного тока, нагрузку, приводимую в действие этим источником, симистор, управляющий включением источника, и средство уменьшения токов гармоник, элементы которого соединены с источником переменного тока и ослабляют токи гармоник, создаваемые нагрузкой. Устройство для уменьшения токов гармоник содержит первый фильтр, включенный между источником переменного тока и нагрузкой, и второй фильтр, включенный между источником переменного тока и симистором. Первый фильтр содержит первый сердечник, первую и вторую катушки, намотанные вокруг первого сердечника и расположенные одна поверх другой, а второй фильтр содержит второй сердечник, третью и четвертую катушки, намотанные вокруг второго сердечника и расположенные одна поверх другой. Кроме того, первая и третья катушки намотаны по правилу правой руки в направлении от источника переменного тока к нагрузке, а вторая и четвертая катушки намотаны по правилу правой руки в направлении от нагрузки к источнику переменного тока. Технический результат - дешевизна. 23 з.п.ф-лы, 2 табл., 26 ил.

Изобретение относится к схеме для уменьшения токов гармоник. Более конкретно, настоящее изобретение относится к схеме для уменьшения токов гармоник, генерируемых в нагрузке при управлении включением переменного тока с использованием симистора.

Токи гармоник генерируются во всех нагрузках, использующих сеть переменного тока, от бытовых приборов до промышленных машин. Однако из-за токов гармоник в сети переменного тока происходят флуктуации, укорачивающие срок службы электрических приборов. Известные электрические схемы, в которых для управления включением переменного тока используется симистор, не обеспечивают эффективного подавления токов гармоник, в результате чего разработка высококачественных электрических приборов представляет серьезные трудности.

В частности, бытовые электроприборы обычно генерируют токи гармоник. Эта проблема становится еще сложнее по мере того, как происходит подключение все большего количества электроприборов к электрической системе. Соответственно, в сети переменного тока имеют место серьезные помехи.

Ниже описаны известные управляющие схемы, использующие для переключения переменного тока симистор.

Симистор является симметричным (двунаправленным) триодным тиристором, используемым в цепях переменного тока. Поскольку симистор может проводить ток в обоих направлениях, то есть в положительном и отрицательном направлении относительно источника переменного тока при подаче положительного или отрицательного сигнала на его затвор, симистор используется для управления в электрических сетях переменного тока обычных частот.

Переменное напряжение имеет в каждом периоде две нулевые точки. Поэтому если симистор однажды включен, он самостоятельно выключится приблизительно вблизи нулевых точек. Следовательно, в управляющих схемах переменного тока, даже если симистор не выключен принудительно, как это происходит в цепях постоянного тока, симистор и вся электрическая цепь переменного тока автоматически перейдет в состояние, в котором новая операция включения не инициирована. Однако для поддержания выключенного состояния электрической цепи переменного тока каждую половину периода переменного напряжения в схему должны подаваться пусковые импульсы.

Кроме того, поскольку симистор является полупроводниковым прибором, во включенном состоянии неизбежно имеются небольшие потери напряжения. Однако поскольку симистор может быть включен в обоих направлениях подачей небольшого тока на затвор, он широко используется в качестве устройства для управления потреблением мощности в цепях переменного тока обычной частоты в пылесосах, стиральных машинах, холодильниках, микроволновых печах, электрических инструментах, небольших электродвигателях и многих других электрических устройствах, используемых дома, в офисе и на производстве.

Кроме того, с развитием электронной промышленности симистор все шире используется в качестве устройства для включения питания от сети переменного тока в таких приборах, как микрокомпьютеры и устройства со сверхвысокой степенью интеграции. В связи с этой тенденцией ужесточаются ограничения на наличие токов гармоник в изделиях электроники. Именно этому посвящены нормативы Европейского Союза, действующие с 1 января 1996 года и ограничивающие гармоники тока от второй до четвертой.

Хотя существуют другие устройства, которые уменьшают генерацию токов гармоник в цепях переменного тока, симисторы продолжают широко использоваться, поскольку они значительно дешевле других устройств.

В связи с различными причинами, описанными выше, очень важным вопросом в электротехнике и электронике стало создание устройства для уменьшения токов гармоник.

На фиг.1 показана известная схема управления, использующая для включения переменного тока симистор. Эта известная схема управления, использующая для включения переменного тока симистор, содержит источник 102 переменного тока, нагрузку 104, приводимую в действие источником 102 переменного тока, и симистор 106, включаемый и выключаемый в двух направлениях входными сигналами, подаваемыми на затвор, для управления включением источника 102 переменного тока.

Ниже описана работа вышеупомянутой известной схемы управления источника переменного тока.

Если на схему управления от источника 102 переменного тока подан ток для приведения в действие нагрузки 104, симистор 106 под действием сигнала затвора периодически открывается и закрывается. Так, например, схема управления, которая приводит в действие двигатель, включается/выключается подачей сигнала на затвор симистора 106. Здесь, если сигнал затвора подан на затвор симистора 106, последний открывается и ток подается на нагрузку 104 и приводит в действие двигатель. Когда двигатель приведен в действие, за счет взаимной индуктивности и обратной электродвижущей силы двигателя генерируются токи гармоник.

На фиг.2A-2D показаны графики формы тока и напряжения, используемые для описания работы известной цепи управления. А именно, на фиг.2A показана форма напряжения, поданного на схему управления переменным током, изображенную на фиг.1, на фиг.2B показана форма тока затвора симистора 106, на фиг.2C показана форма тока, текущего через нагрузку 104, и на фиг.2D показана форма напряжения, приложенного к симистору 106 между точками T2 и T1 на фиг.1.

Сигнал на затворе симистора 106 обеспечивает периодическое включение и выключение тока через нагрузку в соответствии с формой напряжения в сети переменного тока.

Однако в схеме, изображенной на фиг. 1, когда двигатель (т.е. нагрузка 104) приведен в действие описанным выше способом, генерируются токи гармоник. В частности, если мощность двигателя равна или превышает 1200 Вт, уровень токов гармоник, создаваемых двигателем, превышает допустимый уровень, установленный нормативами Международной электротехнической комиссии (МЭК). Симистор 106 может легко регулировать ток за счет тока через затвор. Однако если симистор 106 включен в момент, когда фаза равна приблизительно 90^o, в нагрузке 104 резко начинает течь максимальный ток, так что генерируется максимальный уровень токов гармоник.

На фиг. 3 и 4 показаны соответственно таблица тестовых данных гармонического тока, полученных при измерениях в схеме, изображенной на фиг.1, и график, иллюстрирующий входное напряжение и ток через нагрузку, соответствующие тестовым данным, приведенным на фиг.3. В табл. 1 показаны предельные допустимые значения тока гармоник для аппаратуры класса А в соответствии с нормативами Международной электротехнической комиссии. То есть, табл. 1 иллюстрирует максимальные допустимые значения тока для гармоник тока от второй до четвертой в соответствии с нормативами Международной электротехнической комиссии.

Как отмечено выше, на фиг.1 представлена таблица тестовых данных гармонического тока, полученных при измерениях в схеме, изображенной на фиг.1, то есть в этой таблице помещены данные и сравнительные результаты, полученные с помощью анализатора гармоник. На фиг.3 "Номер" обозначает номер гармоники, а "Предел МЭК" - максимально допустимый ток в соответствии с нормативами Международной электротехнической комиссии, "Величина" - измеренную величину гармоники тока, а отметка "Проходит/Нет" показывает, лежит ли измеренное значение ниже максимально допустимого уровня тока.

Кроме того, на фиг.3 "K1" обозначает канал, в котором проводилось испытание, "Стационарное измерение гармоник" означает, что измерение гармоник проводилось в стационарном режиме, и приводится дата проведения этого испытания. "Вольты" обозначают входное напряжение, при котором проводилось испытание, а "Амперы" - входной ток. Подпись под таблицей "Не соответствует требованиям по гармоникам в стационарном режиме" означает, что нормативы Международной электротехнической комиссии не удовлетворяются только в том случае, когда написано "Нет". Следовательно, в этом испытании нормативам Международной электротехнической комиссии не соответствовали только значения третьей и пятой гармоник.

На фиг.4 показана форма входного напряжения и тока в нагрузке, соответствующая тестовым данным, приведенным на фиг.3. Ток нагрузки на этом чертеже был получен сложением входного тока и токов гармоник, приведенных на фиг.3. Обозначение "Класс D" на фиг.4 относится к выходным параметрам электротехнического оборудования, имеющего данную форму входного тока.

Система, которая управляет переключением источников переменного тока с использованием известного симистора, часто используется для управления скоростью двигателя, а фазой переменного тока управляют, периодически включая и выключая симиcтор.

Обычно для управления фазой гармоник могут использоваться резонансные RC (резистивно-емкостные) или RL (резистивно-индуктивные) цепи. Однако эти цепи могут удалять только фиксированные гармоники, а резонансные цепи влияют на другие гармоники, если фаза резонансной цепи не совпадает с фазой гармоники. Следовательно, использование таких цепей затруднительно.

Поскольку известные схемы неэффективно уменьшают гармоники тока, их применение в изделиях электротехники и электроники также неэффективно.

Целью настоящего изобретения является создание схемы с использованием симистора для уменьшения токов гармоник, генерируемых при управлении фазой двигателя или нагрузки в устройстве, которое управляет включением переменного тока, тем самым стабилизируя питание переменного тока и повышая срок службы двигателей.

Для достижения вышеуказанной цели настоящее изобретение предлагает схему для уменьшения токов гармоник, содержащую источник питания переменного тока, нагрузку, питаемую этим источником переменного тока, симистор, который управляет включением источника переменного тока и средство для уменьшения токов гармоник, элементы которого соединены с источником переменного тока и которое уменьшает гармонические токи, создаваемые нагрузкой.

Средство для уменьшения токов гармоник содержит первый фильтр, расположенный между источником переменного тока и нагрузкой, и второй фильтр, расположенный между источником переменного тока и симистором. Первый фильтр содержит первый сердечник и первую и вторую катушки, намотанные вокруг первого сердечника и установленные одна поверх другой, а второй фильтр содержит второй сердечник и третью и четвертую катушки, намотанные вокруг второго сердечника и установленные одна поверх другой. Кроме того, первая и третья катушки намотаны по правилу правой руки в направлении от источника переменного тока к нагрузке, а вторая и четвертая катушки намотаны по правилу правой руки в направлении от нагрузки к источнику переменного тока.

Согласно одному аспекту настоящего изобретения, схема управления для включения переменного тока содержит единое средство уменьшения токов гармоник. Средство содержит сердечник, первую катушку, установленную между источником переменного тока и нагрузкой, и вторую катушку, установленную между источником переменного тока и симистором. Первая катушка намотана по правилу правой руки в направлении от источника переменного тока к нагрузке, причем вывод первой катушки, ближайший к источнику переменного тока, соединен с нагрузкой, а вывод этой катушки, ближайший к нагрузке, соединен с источником переменного тока. Вторая катушка намотана по правилу правой руки в направлении от нагрузки к источнику переменного тока.

Согласно другому аспекту настоящего изобретения, управляющая схема для включения переменного тока содержит фильтр. Фильтр содержит сердечник, а также первую и вторую катушки, намотанные вокруг сердечника и установленные одна поверх другой.

На прилагаемых чертежах: на фиг.1 изображена известная схема управления, использующая для включения переменного тока симистор; на фиг.2A показана форма напряжения источника, подаваемого на схему управления, изображенную на фиг.1, на фиг.2B - форма тока затвора, подаваемого на затвор симистора, изображенного на фиг.1; на фиг. 2C - форма тока нагрузки, текущего через нагрузку, изображенную на фиг.1; на фиг.2D - форма напряжения, приложенного к симистору между точками T1 и T2, показанными на фиг.1; на фиг.3 представлена таблица тестовых данных для токов гармоник, полученных при измерениях в схеме, изображенной на фиг.1; на фиг.4 представлен график, иллюстрирующий входное напряжение и ток через нагрузку, соответствующие тестовым данным, приведенным на фиг.3; на фиг. 5 показана схема для уменьшения токов гармоник в соответствии с первым вариантом выполнения настоящего изобретения; на фиг. 6 - таблица тестовых данных для токов гармоник, полученных при измерениях в схеме, изображенной на фиг. 5;
на фиг.7 показан график, иллюстрирующий ток через нагрузку согласно тестовым данным, приведенным на фиг.6;
на фиг. 8 - схема для уменьшения токов гармоник в соответствии со вторым вариантом выполнения настоящего изобретения;
на фиг. 9 представлена таблица тестовых данных для токов гармоник, полученных при измерениях в схеме, изображенной на фиг. 8;
на фиг. 10 показан график, иллюстрирующий ток через нагрузку согласно тестовым данным, приведенным на фиг.9;
на фиг. 11 - схема для уменьшения токов гармоник в соответствии с третьим вариантом выполнения настоящего изобретения;
на фиг. 12 - схема для уменьшения токов гармоник в соответствии с четвертым вариантом выполнения настоящего изобретения;
на фиг. 13 представлена таблица тестовых данных для токов гармоник, полученных при измерениях в схеме, изображенной на фиг. 12;
на фиг. 14 - график, иллюстрирующий ток через нагрузку согласно тестовым данным, приведенным на фиг. 13;
на фиг. 15 показана блок-схема измерительной системы для изменения второй-четвертой гармоник тока, генерируемых в нагрузке схемы управления включением питания переменного тока;
на фиг.16 показана схема для уменьшения токов гармоник в соответствии с пятым вариантом выполнения настоящего изобретения;
на фиг. 17 показана схема для уменьшения токов гармоник в соответствии с шестым вариантом выполнения настоящего изобретения;
на фиг. 18 представлена таблица тестовых данных для гармонического тока, полученных при измерениях в схеме, изображенной на фиг. 17;
на фиг. 19 показан график, иллюстрирующий ток через нагрузку согласно тестовым данным, приведенным на фиг. 18;
на фиг. 20 - схема для уменьшения токов гармоник в соответствии с седьмым вариантом выполнения настоящего изобретения;
на фиг. 21 - схема для уменьшения токов гармоник в соответствии с восьмым вариантом выполнения настоящего изобретения;
на фиг. 22 - схема для уменьшения токов гармоник в соответствии с девятым вариантом выполнения настоящего изобретения;
на фиг. 23 - схема для уменьшения токов гармоник в соответствии с десятым вариантом выполнения настоящего изобретения;
на фиг. 24 - схема для уменьшения токов гармоник в соответствии с одиннадцатым вариантом выполнения настоящего изобретения;
на фиг. 25 - схема для уменьшения токов гармоник в соответствии с двенадцатым вариантом выполнения настоящего изобретения;
на фиг. 26 представлена таблица тестовых данных для сравнения вариантов выполнения настоящего изобретения с известной схемой.

Предпочтительные варианты выполнения изобретения будут подробно описаны со ссылками на прилагаемые чертежи.

На фиг. 5 показана схема для уменьшения токов гармоник согласно первому варианту выполнения настоящего изобретения. Предлагаемая схема содержит источник 112 питания переменного тока, нагрузку 114, питаемую источником 112 питания переменного тока, симистор 116 для управления включением переменного тока под действием сигнала затвора и средство уменьшения токов гармоник, элементы которого присоединены к противоположным сторонам источника 112 питания переменного тока.

Вышеупомянутое средство уменьшения токов гармоник содержит первый фильтр 118 и второй фильтр 120. Первый фильтр 118 содержит первую катушку L11 и вторую катушку L12, намотанные вокруг первого сердечника (не показан) и расположенные одна поверх другой, а второй фильтр 120 содержит третью катушку L13 и четвертую катушку L14, намотанные вокруг второго сердечника (не показан) и расположенные одна поверх другой.

Хотя обычно для управления фазой гармоник используются резонансные RC- или RL- цепи, в реальных приложениях их трудно использовать, поскольку эти цепи влияют на другие токи гармоник, если их фаза не совпадает с фазой фиксированных гармоник тока. Поэтому согласно настоящему изобретению схема выполнена с использованием стальных катушек и сердечников. В этих элементах применено железо, чтобы воспользоваться параметрами, которые этот материал имеет на низких частотах, так что разность фаз токов гармоник, индуцированных в катушках L11, L12, L13 и L14 для каждой гармоники тока, равна 180^o.

Благодаря наличию реактивных элементов импеданса в схеме имеется разность фаз между входным и выходным сигналом. В настоящем изобретении полное сопротивление схемы регулируется с использованием катушек L11, L12, L13 и L14 так, что основное колебание на выходе может иметь фазовый сдвиг 30^o. Здесь фазовый сдвиг включает 1) фазовый сдвиг основного колебания, 2) фазовый сдвиг гармоники, 3) фазовый сдвиг относительного основного колебания. То есть, фазовый сдвиг основного колебания устанавливают равным 30^o, регулируя полное сопротивление схемы переменного тока, а фазовый сдвиг каждой гармоники равен произведению фазового сдвига основного колебания на номер гармоники.

Следовательно, если фазовый сдвиг основной гармоники равен 30^o, то фазовый сдвиг пятой гармоники равен 150^o, и если дополнительно добавить фазовый сдвиг основной гармоники к пятой гармонике, то получим фазовый сдвиг, находящийся в противофазе с фазовым сдвигом основной гармоники. Этот фазовый сдвиг является относительным фазовым сдвигом. В результате, поскольку разность фаз между сигналами пятой гармоники в одной и другой катушке равна 180^o, двунаправленные токи уравновешиваются за счет сил, направленных навстречу друг другу. Эти фазовые сдвиги гармоник осуществляются в катушках.

Фазовые сдвиги гармоник других порядков приведены в табл. 2.

Поэтому в схеме для управления включением переменного тока, использующей симистор 116, с помощью катушек L11, L12, L13 и L14, выполненных из материала, имеющего хорошие характеристики на низких частотах, фазу каждой гармоники настраивают так, чтобы она была кратна 180^o, тем самым ослабляя токи гармоник, генерируемые в нагрузке.

Например, для пятой гармоники, если первая и вторая катушки L11, L12 содержат разное количество витков, через них протекает различный ток. А именно, при фазовом сдвиге основного колебания, равном 30^o, и фазах первой и второй катушек L11, L12, отрегулированных на 150^o с помощью фазового сдвига гармоник, между первой и второй катушками L11, L12 может быть установлена разность фаз 180^o. Таким образом, ток гармоники в схеме ослабляется за счет уменьшения токов гармоник описанным выше способом.

С помощью вышеописанного испытания фаза тока гармоники может регулироваться выбором индуктивности катушек L11, L12, L13 и L14, а также видом и емкостью нагрузки 114. Кроме того, фазу тока гармоники можно изменять за счет направления намотки катушек L11, L12, L13 и L14.

На практике, когда первая и третья катушки L11, L13 намотаны по правилу правой руки в направлении от источника 112 питания переменного тока к нагрузке 114, а вторая и четвертая катушки L12, L14 также намотаны по правилу правой руки, но в направлении от нагрузки 114 к источнику 112 питания переменного тока, достигается более эффективное ослабление токов гармоник. Те же эффекты могут быть достигнуты намоткой катушек L11, L12, L13 и L14 в направлении, противоположном вышеописанному, то есть, когда первая и третья катушки L11, L13 намотаны по правилу правой руки в направлении от нагрузки 114 к источнику 112 питания переменного тока, а вторая и четвертая катушки L12, L14 также намотаны по правилу правой руки, но в направлении от источника 112 питания переменного тока к нагрузке 114.

На фиг.5 иллюстрируется пример первого варианта выполнения схемы для управления включением переменного тока, приводящей в действие 1500-Ваттный двигатель, обеспечивая уменьшение токов гармоник. В этой схеме первый фильтр 118 и второй фильтр 120 присоединены к противоположным выводам источника 112 питания переменного тока. Фазы первой и второй катушек L11, L12 первого фильтра 118 различаются, также различаются фазы третьей и четвертой катушек L13, L14.

Обычно полное сопротивление катушек изменяется в зависимости от напряжения и частоты поданного питания, а также активного сопротивления потерь для меди в катушке. Следовательно, при различных уровнях тока, текущего через первую и вторую катушки L11, L12, а также третью и четвертую катушки L13, L14, основная гармоника может пройти через первый 118 и второй 120 фильтры без ослабления, в то время как другие гармоники будут ослаблены.

Cхема для ослабления токов гармоник подробно описана согласно различным вариантам выполнения изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи.

Первый вариант выполнения изобретения.

На фиг. 5, 6 и 7 показаны соответственно схема для уменьшения токов гармоник в соответствии с первым вариантом выполнения настоящего изобретения, таблица тестовых данных для токов гармоник, полученных при измерениях в схеме, изображенной на фиг. 5, и график, иллюстрирующий ток через нагрузку согласно тестовым данным, приведенным на фиг. 6.

Как показано на фиг.5, согласно первому варианту выполнения изобретения схема содержит источник 112 питания переменного тока, нагрузку 114, питаемую источником 112, и симистор 116 для управления включением переменного тока посредством сигнала затвора, а также средство уменьшения токов гармоник, элементы которого соединены с противоположными выводами источника 112 питания переменного тока.

Вышеупомянутое средство уменьшения токов гармоник содержит первый фильтр 118 и второй фильтр 120. Первый фильтр 118 содержит первую катушку L11 и вторую катушку L12, намотанные вокруг первого сердечника (не показан) и размещенные одна поверх другой, а второй фильтр 120 содержит третью катушку L13 и четвертую катушку L12, намотанные вокруг второго сердечника (не показан) и размещенные одна поверх другой. Первая катушка L11 соединена параллельно со второй катушкой, а третья катушка L13 соединена параллельно с четвертой катушкой L14. Кроме того, для изоляции катушек между первой и второй катушками L11, L12, а также между третьей и четвертой катушками L13, L14 помещена изолирующая прослойка (не показана).

Первый фильтр 118 установлен между источником 112 питания переменного тока и нагрузкой, а второй фильтр 120 установлен между источником 112 питания переменного тока и симистором.

Кроме того, первая и третья катушки L11, L13 намотаны по правилу правой руки в направлении от источника 112 питания переменного тока к нагрузке 114, а вторая и четвертая катушки L12, L14 намотаны по правилу правой руки, но в направлении от нагрузки 114 к источнику 112 питания переменного тока, в результате чего достигается более эффективное ослабление токов гармоник. Эти направления намотки были определены путем тестирования.

Нагрузка, используемая в вышеупомянутой цепи, а также электрические емкости и параметры катушек следующие.

Выходная мощность двигателя равна 1400 Вт, индуктивности первой, второй, третьей и четвертой катушек L11, L12, L13, L14 равны 1,450 мГн, 4,90 мГн, 1,71 мГн и 6,24 мГн соответственно. Кроме того, добротность каждой катушки L11, L12, L13 и L14 составляет Q1=4,3, Q2=5,8, Q3=6,2, Q4=6,2 соответственно, а их сопротивления LR1=2,22 Ом, LR2=5,5 Ом, LR3=2,89 Ом, LR4=6,6 Ом соответственно. Наконец, коэффициент искажений каждой катушки L11, L12, L13 и L14 составляет LD1=0,242, LD2=0,177, LD3=0,161, LD4=0,161 соответственно.

Для вышеприведенных величин, чем ниже коэффициент искажений, тем лучше, и чем выше добротность, тем лучше. Наиболее предпочтительно, чтобы сопротивление катушек L11, L12, L13 и L14 было как можно меньше, а различия в индуктивности катушек зависят от параметров материалов, из которых выполнена каждая катушка и сердечник.

Значения индуктивности, добротности, сопротивления и коэффициента искажений для каждой катушки были измерены с использованием LCR-измерителя AF-4305, изготовленного японской компанией Ando Company, при среднеквадратичном напряжении 1 В и частоте 1 кГц.

Тестовые данные для токов гармоник, приведенные на фиг. 6, были получены при вышеупомянутых условиях. Тестовые данные показывают, что схема согласно первому варианту выполнения изобретения, удовлетворяет нормативам Международной электротехнической комиссии и обеспечивает уменьшение токов гармоник на 50% эффективнее, чем известная схема для управления включением переменного тока, изображенная на фиг. 1.

Второй вариант выполнения изобретения.

На фиг. 8, 9 и 10 показаны, соответственно, схема для уменьшения токов гармоник в соответствии со вторым вариантом выполнения настоящего изобретения, таблица тестовых данных для токов гармоник, полученных при измерениях в схеме, изображенной на фиг. 8, и график, иллюстрирующий ток через нагрузку согласно тестовым данным, приведенным на фиг. 9.

Как показано на фиг. 8, второй вариант выполнения изобретения идентичен первому, за исключением конструкции первого и второго фильтров 128 и 130. Однако соединение фильтров 128 и 130 с источником 112 питания переменного тока такое же, как в первом варианте выполнения изобретения. То есть, первый и второй фильтры 128, 130, состоящие из катушек, для ослабления токов гармоник во втором варианте выполнения изобретения присоединены к противоположным выводам источника 112 питания.

Первый фильтр 128 содержит первый сердечник (не показан) и первую катушку L21, а второй фильтр 130 содержит второй сердечник (не показан) и вторую катушку L22. Кроме того, как и в первом варианте выполнения изобретения, первый фильтр 128 установлен между источником 112 питания переменного тока и нагрузкой 114, а второй фильтр 130 установлен между источником 112.питания переменного тока и симистором 116.

Первая катушка L21 намотана по правилу правой руки в направлении от источника 112 питания переменного тока к нагрузке 114, а вторая катушка L22 намотана по правилу правой руки, в направлении от нагрузки 114 к источнику 112 питания переменного тока, в результате чего достигается более эффективное ослабление токов гармоник.

Тестовые данные, представленные на фиг. 9, получены в схеме для уменьшения токов гармоник, выполненной согласно второму варианту выполнения изобретения. Как демонстрируют эти данные, результаты измерения удовлетворяют нормативам Международной электротехнической комиссии.

Третий вариант выполнения изобретения.

На фиг. 11 показана схема для уменьшения токов гармоник в соответствии с третьим вариантом выполнения настоящего изобретения. Третий вариант выполнения изобретения идентичен первому, за исключением конструкции первого и второго фильтров 138 и 140.

А именно, первый фильтр 138 содержит первый сердечник (не показан) и первую, вторую и третью катушки L31, L32, L33, соединенные параллельно друг другу, а второй фильтр 140 содержит второй сердечник (не показан) и четвертую, пятую и шестую катушки L34. L35, L36, соединенные параллельно друг другу. Первый фильтр включен между источником 112 питания переменного тока и нагрузкой 114, а второй фильтр 140 включен между источником 112 питания переменного тока и симистором.

В третьем варианте выполнения изобретения первая, вторая и третья катушки L31, L32, L33 намотаны по правилу правой руки в направлении от источника 112 питания переменного тока к нагрузке 114, а четвертая, пятая и шестая катушки L34, L35, L36 намотаны по правилу правой руки, но в направлении от нагрузки 114 к источнику 112 питания переменного тока, в результате чего достигается более эффективное ослабление токов гармоник.

Четвертый вариант выполнения изобретения.

На фиг. 12 показана схема для уменьшения токов гармоник в соответствии с четвертым вариантом выполнения настоящего изобретения. Четвертый вариант выполнения изобретения идентичен первому, за исключением конструкции первого и второго фильтров 148 и 150.

А именно, первый фильтр 148 содержит первую и вторую катушки L41, L42, соединенные параллельно друг другу, и первый резистор R41, установленный параллельно первой и второй катушкам L41, L42. Кроме того, второй фильтр 150 содержит третью и четвертую катушки L43, L43, соединенные параллельно друг другу, и второй резистор R42, установленный параллельно третьей и четвертой катушкам L43, L44. Индуктивности катушек L41, L42, L43, L44 и оборудование для измерения токов гармоник те же, что и в первом варианте выполнения изобретения.

Тестовые данные, представленные на фиг. 13, получены в схеме для уменьшения токов гармоник, выполненной согласно четвертому варианту выполнения изобретения. Как демонстрируют эти данные, результаты измерения удовлетворяют нормативам Международной электротехнической комиссии. На фиг. 14 показан график, иллюстрирующий ток через нагрузку согласно тестовым данным, приведенным на фиг. 13.

Тестовая система для измерения токов гармоник.

На фиг. 15 изображена блок-схема тестовой системы для измерения второй и четвертой гармоник тока, генерируемых нагрузкой схемы для управления включением переменного тока. Когда система запитана от трехфазной сети, магнитный модуль 152 и источник 154 переменного тока, изготовленные американской компанией Pacific Company, осуществляют стабильную подачу переменного питания на систему. Кроме того, для измерения напряжения и тока использована схема 156 с эталонным импедансом, выполненная согласно Стандарту 555 Международной электротехнической комиссии и изготовленная английской компанией VOLTech Company, а для измерения параметров переменного питания использован универсальный анализатор 158 типа РМ300, изготовленный этой же компанией. Нагрузкой 162 является 1400-ваттный двигатель, используемый в пылесосе корейской компании Samsung Electronics Co., Ltd. При испытаниях на систему 160 для уменьшения токов гармоник было подано однофазное напряжение 230 В/50 Гц.

Пятый вариант выполнения изобретения.

На фиг. 16 показана схема для уменьшения токов гармоник в соответствии с пятым вариантом выполнения настоящего изобретения. Пятый вариант выполнения изобретения идентичен первому, за исключением конструкции первого и второго фильтров 178 и 180. Пятый вариант выполнения изобретения является модификацией второго варианта выполнения изобретения.

А именно, первый фильтр 178 содержит первую катушку L51 и первый резистор R51, установленный параллельно первой катушке L51, а второй фильтр 180 содержит вторую катушку L52 и второй резистор R52, установленный параллельно второй катушке L52. Хотя ослабление токов гармоник в схеме, выполненной согласно пятому варианту выполнения изобретения, ниже, чем в схеме согласно второму варианту выполнения изобретения, она более эффективна для использования с низкоемкостными нагрузками.

Шестой вариант выполнения изобретения.

На фиг. 17, 18 и 19 показаны, соответственно, схема для уменьшения токов гармоник в соответствии с шестым вариантом выполнения настоящего изобретения, таблица тестовых данных для токов гармоник, полученных при измерениях в схеме, изображенной на фиг. 17, и график, иллюстрирующий ток через нагрузку согласно тестовым данным, приведенным на фиг. 18.

Как показано на фиг. 17, схема для уменьшения токов гармоник согласно шестому варианту выполнения изобретения идентична схеме согласно первому варианту выполнения изобретения, за исключением того, что имеется единый фильтр 188. Фильтр 188 соединен с двумя выводами источника 112 питания переменного тока.

Фильтр 188 содержит сердечник (не показан), первую катушку L61, расположенную между источником 112 питания переменного тока и нагрузкой 114, и вторую катушку L62, расположенную между источником 112 питания переменного тока и симистором 114. Между первой и второй катушками L61, L62 помещена изолирующая прослойка (не показана).

Первая и вторая катушки L61, L62 намотаны в противоположных направлениях. А именно, первая катушка намотана в направлении от источника 112 питания переменного тока к нагрузке 114 на одну треть сердечника (не показан). Кроме того, число витков первой катушки L61 составляет одну треть от числа витков второй катушки L62.

Один вывод или конец первой катушки L61, где начинается намотка, соединен с нагрузкой 114, а другой вывод первой катушки L61, где кончается ее намотка, соединен с источником 112 питания переменного тока. Выводы катушки L62 соединены в соответствии с направлением ее намотки.

Электрические параметры катушек L61, L62, используемых в шестом варианте выполнения изобретения, следующие.

Индуктивность первой и второй катушек L61, L62 равна 2,40 мГн и 4,00 мГн соответственно, добротность равна Q61=5,5 и Q62=5,4 соответственно. Сопротивление первой и второй катушек L61, L62 равно 0,8 Ом и 1,65 Ом соответственно, а коэффициент искажений 0,186 и 0,190 соответственно. За исключением этого условия измерения и используемое оборудование такие же, как в первом варианте выполнения изобретения.

Приведенные на фиг. 19 данные для токов гармоник получены при измерениях в схеме согласно шестому варианту выполнения изобретения. Как свидетельствуют эти данные, результаты измерений в схеме согласно шестому варианту выполнения изобретения удовлетворяют нормативам МЭК.

Поскольку в шестом варианте выполнения изобретения используется только один фильтр, этот вариант экономически выгоднее первого варианта выполнения изобретения.

Седьмой вариант выполнения изобретения.

На фиг. 20 показана схема для уменьшения токов гармоник в соответствии с седьмым вариантом выполнения настоящего изобретения. Как показано на чертеже, схема согласно седьмому варианту выполнения изобретения идентична схеме согласно первому варианту выполнения изобретения, за исключением того, что имеется единственный фильтр 198, поэтому этот вариант является модификацией шестого варианта выполнения изобретения. Фильтр 198 соединен с обоими выводами источника 112 питания переменного тока.

Как видно на чертеже, фильтр 198 содержит первую катушку L71, включенную между источником 112 питания переменного тока и нагрузкой 114, и вторую катушку L72, включенную между источником 112 питания переменного тока и симистором 116. Первая катушка L71 и вторая катушка L72 намотаны в одном направлении.

Эффективность уменьшения токов гармоник в седьмом варианте выполнения изобретения несколько ниже, чем в шестом варианте выполнения изобретения.

Восьмой вариант выполнения изобретения.

На фиг. 21 показана схема для уменьшения токов гармоник в соответствии с восьмым вариантом выполнения настоящего изобретения. Как показано на чертеже, схема согласно восьмому варианту выполнения изобретения идентична схеме согласно первому варианту выполнения изобретения, за исключением того, что имеется единственный фильтр 208, поэтому этот вариант является модификацией шестого варианта выполнения изобретения. В отличие от первого варианта выполнения изобретения фильтр 208 включен между источником 112 питания переменного тока и нагрузкой 114.

Фильтр 208 содержит первую и вторую катушки L81, L82, которые намотаны на сердечник (не показан) и расположены одна поверх другой параллельно друг другу.

Условия измерения токов гармоник такие же, как в первом варианте выполнения изобретения, и удовлетворяют нормативам Международной электротехнической комиссии.

Девятый вариант выполнения изобретения.

На фиг. 22 показана схема для уменьшения токов гармоник в соответствии с девятым вариантом выполнения настоящего изобретения. Как показано на чертеже, схема согласно девятому варианту выполнения изобретения идентична схеме, выполненной согласно первому варианту выполнения изобретения, за исключением того, что имеется единственный фильтр 218, поэтому этот вариант является модификацией шестого варианта выполнения изобретения. Как и в случае восьмого варианта выполнения изобретения, фильтр 218 включен между источником 112 питания переменного тока и нагрузкой 114. Фильтр 218 содержит сердечник (не показан) и катушку L91.

Десятый вариант выполнения изобретения.

На фиг. 23 показана схема для уменьшения токов гармоник в соответствии с десятым вариантом выполнения настоящего изобретения. Как показано на чертеже, схема согласно десятому варианту выполнения изобретения идентична схеме, выполненной согласно первому варианту выполнения изобретения, за исключением, того, что имеется единственный фильтр 228, поэтому этот вариант является модификацией шестого варианта выполнения изобретения. Как и в случае восьмого варианта выполнения изобретения, фильтр 228 включен между источником 112 питания переменного тока и нагрузкой 114. Фильтр 228 содержит сердечник (не показан), а также первую, вторую и третью катушки L101, L102, L103, которые намотаны на сердечник и размещены одна поверх другой. Первая, вторая и третья катушки L101, L102, L103, соединены параллельно друг другу. Между первой, второй и третьей катушками L101, L102, L103 помещена изолирующая прослойка (не показана).

Одиннадцатый вариант выполнения изобретения.

На фиг. 24 показана схема для уменьшения токов гармоник в соответствии с одиннадцатым вариантом выполнения настоящего изобретения. Как показано на чертеже, схема согласно одиннадцатому варианту выполнения изобретения идентична схеме, выполненной согласно первому варианту выполнения изобретения, за исключением того, что имеется единственный фильтр 238, поэтому этот вариант является модификацией шестого варианта выполнения изобретения. Как и в случае восьмого варианта выполнения изобретения, фильтр 238 включен между источником 112 питания переменного тока и нагрузкой 114. Фильтр 238 содержит сердечник (не показан), катушку L111, намотанную вокруг сердечника, и резистор R111, соединенный с катушкой L111.

Двенадцатый вариант выполнения изобретения.

На фиг. 25 показана схема для уменьшения токов гармоник в соответствии с двенадцатым вариантом выполнения настоящего изобретения. Как показано на чертеже, схема согласно двенадцатому варианту выполнения изобретения идентична схеме согласно первому варианту выполнения изобретения, за исключением того, что имеется единственный фильтр 248, поэтому этот вариант является модификацией шестого варианта выполнения изобретения. Как и в случае восьмого варианта выполнения изобретения, фильтр 248 включен между источником 112 питания переменного тока и нагрузкой 114. Фильтр 248 содержит сердечник (не показан), первую и вторую катушки L121, L122 питания и резистор R121, включенный параллельно катушкам L121, L122 питания. Схема согласно двенадцатому варианту выполнения изобретения может быть использована для уменьшения токов гармоник, формируемых нагрузкой с малой электрической емкостью.

На фиг. 26 показаны тестовые данные, позволяющие сравнить различные варианты выполнения изобретения и структурированные так же, как при описании известной схемы.

Как показано на фиг. 26, эффективность новой схемы для уменьшения токов гармоник меняется в соответствии с подключением фильтров и катушек.

В настоящем изобретении новая схема для управления включением переменного тока с использованием симистора эффективно стабилизирует входное питание переменного тока и ослабляет несинусоидальные колебания, то есть токи гармоник, генерируемые, когда фаза нагрузки управляется электрическими или электронными устройствами, содержащими двигатели, используемые в нагрузке, за счет включения катушки или катушек в непосредственной близости от нагрузки, используя повторение соответствующей индуктивности катушки.

Формула изобретения

1. Схема для уменьшения токов гармоник в схеме управления включением питания переменного тока, содержащая источник питания переменного тока, нагрузку, питаемую источником питания переменного тока, симистор, управляющий включением питания переменного тока с помощью сигнала, подаваемого на затвор симистора, и средство уменьшения токов гармоник, отличающаяся тем, что средство уменьшения токов гармоник включает первый фильтр, соединенный с первым выводом источника питания переменного тока, и второй фильтр, соединенный с вторым выводом источника питания переменного тока.

2. Схема по п. 1, отличающаяся тем, что первый фильтр содержит первый сердечник, а также первую и вторую катушки, намотанные вокруг первого сердечника и расположенные одна поверх другой, а второй фильтр содержит второй сердечник, а также третью и четвертую катушки, намотанные вокруг второго сердечника и расположенные одна поверх другой.

3. Схема по п.2, отличающаяся тем, что первая и вторая катушки первого фильтра включены параллельно друг другу и третья и четвертая катушки второго фильтра включены параллельно друг другу.

4. Схема по п.2, отличающаяся тем, что первая и третья катушки намотаны по правилу правой руки в направлении от источника питания переменного тока к нагрузке, а вторая и четвертая катушки намотаны по правилу правой руки в направлении от нагрузки к источнику питания переменного тока.

5. Схема по п. 1, отличающаяся тем, что первый фильтр содержит первый сердечник и первую катушку, намотанную вокруг первого сердечника, а второй фильтр содержит второй сердечник и вторую катушку, намотанную вокруг второго сердечника.

6. Схема по п.5, отличающаяся тем, что первая катушка намотана по правилу правой руки в направлении от источника питания переменного тока к нагрузке, а вторая катушка намотана по правилу правой руки в направлении от нагрузки к источнику питания переменного тока.

7. Схема по п. 1, отличающаяся тем, что первый фильтр содержит первый сердечник, а также первую, вторую и третью катушки, которые намотаны вокруг первого сердечника и расположены одна поверх другой, а второй фильтр содержит второй сердечник, а также четвертую, пятую и шестую катушки, которые намотаны вокруг второго сердечника и расположены одна поверх другой.

8. Схема по п.7, отличающаяся тем, что первая, вторая и третья катушки намотаны по правилу правой руки в направлении от источника питания переменного тока к нагрузке, а четвертая, пятая и шестая катушки намотаны по правилу правой руки в направлении от нагрузки к источнику питания переменного тока.

9. Схема по п.7, отличающаяся тем, что первая, вторая и третья катушки первого фильтра включены параллельно друг другу и четвертая, пятая и шестая катушки второго фильтра включены параллельно друг другу.

10. Схема по п.1, отличающаяся тем, что первый фильтр содержит первый сердечник, первую и вторую катушки, намотанные вокруг первого сердечника, расположенные одна поверх другой и включенные параллельно друг другу, и первый резистор, включенный параллельно первой и второй катушкам, а второй фильтр содержит второй сердечник, третью и четвертую катушки, намотанные вокруг второго сердечника, расположенные одна поверх другой и включенные параллельно друг другу, и второй резистор, включенный параллельно третьей и четвертой катушкам.

11. Схема по п.10, отличающаяся тем, что первая и вторая катушки намотаны в направлении от источника питания переменного тока к нагрузке, а третья и четвертая катушки - в направлении от нагрузки к источнику питания переменного тока.

12. Схема по п.1, отличающаяся тем, что первый фильтр содержит первый сердечник, первую катушку, намотанную вокруг первого сердечника, и первый резистор, включенный параллельно первой катушке, а второй фильтр содержит второй сердечник, вторую катушку, намотанную вокруг второго сердечника, и второй резистор, включенный параллельно второй катушке.

13. Схема по п.12, отличающаяся тем, что первая катушка намотана в направлении от источника питания переменного тока к нагрузке, а вторая катушка - в направлении от нагрузки к источнику питания переменного тока.

14. Схема по п.1, отличающаяся тем, что средство уменьшения токов гармоник содержит фильтр, соединенный с противоположными выводами источника питания переменного тока, причем фильтр содержит сердечник, первую катушку, включенную между источником питания переменного тока и нагрузкой, и вторую катушку, включенную между источником питания переменного тока и симистором.

15. Схема по п. 14, отличающаяся тем, что первая катушка намотана по правилу правой руки в направлении от источника питания переменного тока к нагрузке, вторая катушка - по правилу правой руки в направлении от нагрузки к источнику питания переменного тока и один вывод первой катушки, соответствующий началу ее намотки, соединен с нагрузкой, в то время как другой вывод первой катушки соединен с источником питания переменного тока.

16. Схема по п.15, отличающаяся тем, что число витков первой катушки равно 1/3 числа витков второй катушки.

17. Схема по п.14, отличающаяся тем, что первая и вторая катушки намотаны в одном направлении.

18. Схема по п.17, отличающаяся тем, что первая и вторая катушки намотаны по правилу правой руки в направлении от источника питания переменного тока к нагрузке.

19. Схема по п.1, отличающаяся тем, что фильтр содержит сердечник, а также первую и вторую катушки, намотанные вокруг сердечника и расположенные одна поверх другой.

20. Схема по п.1, отличающаяся тем, что фильтр содержит сердечник и катушку, намотанную вокруг сердечника.

21. Схема по п.1, отличающаяся тем, что фильтр содержит сердечник, а также первую, вторую и третью катушки, намотанные вокруг сердечника и расположенные одна поверх другой.

22. Схема по п.1, отличающаяся тем, что фильтр содержит сердечник, катушку, намотанную вокруг сердечника, и резистор, соединенный с катушкой.

23. Схема по п.1, отличающаяся тем, что фильтр содержит сердечник, первую и вторую катушки, намотанные вокруг сердечника, и резистор, подключенный параллельно первой и второй катушкам.

24. Схема по одному из пп.19 - 23, отличающаяся тем, что каждая катушка фильтра намотана по правилу правой руки в направлении от источника питания переменного тока к нагрузке.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14, Рисунок 15, Рисунок 16, Рисунок 17, Рисунок 18, Рисунок 19, Рисунок 20, Рисунок 21, Рисунок 22, Рисунок 23, Рисунок 24, Рисунок 25, Рисунок 26, Рисунок 27, Рисунок 28