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Filtre homopolaire. L'invention concerne un filtre homopolaire permettant de réduire considérablement l'amplitude des courants homopolaires sur les lignes de distribution électriques.
A l'heure actuelle, les réseaux d'alimentation en énergie électrique sont confrontés à une augmentation importante de charges non linéaires telles que l'alimentation à découpage d'ordinateurs, variateurs de vitesses électroniques pour moteurs asynchrones, redresseurs électroniques de puissance, éclairages par tube fluorescents, fours à induction et charges déséquilibrées.
Ces charges non linéaires génèrent des courants harmoniques de grande amplitude, parmi lesquels les harmoniques homopolaires (H3, H9. H (6K + 3)) tiennent une place particulière.
En effet, dans les alimentations triphasées à neutres distribués, les harmoniques homopolaires s'additionnent dans le conducteur de neutre lequel est alors traversé par des courants importants à fréquences élevées.
Il n'est pas exceptionnel de trouver des installations où le courant circulant dans le neutre est plus de deux fois supérieur au courant de phase.
Cette situation a pour conséquence que les pertes de distribution augmentent considérablement et que la puissance de distribution est limitée.
En effet, ces courants traversent le conducteur de neutre qui n'est pas prévu pour de tels courants élévés et dont
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l'effet thermique est encore aggravé par l'effet"skin". De plus, ces courants traversent également le transformateur de ligne dans lequel des pertes supplémentaires importantes sont générées.
Par ailleurs, en cas de charge fortement déséquilibrée, par exemple une seule phase chargée à 100%, le courant dans le conducteur atteint également une valeur égale au courant de phase.
La puissance de distribution est tributaire du courant maximum toléré par le neutre distribué ou par le courant maximum que peut supporter le conducteur de neutre interne au transformateur de ligne, par l'alternateur ou par l'UPS d'alimentation.
Des filtres homopolaires existent sur le marché mais ces filtres connus présentent l'inconvénient d'entraîner une déformation importante de l'onde de tension des charges perturbatrices.
On connaît des systèmes qui utilisent un transformateur Dyn. Ces systèmes permettent de court-circuiter les harmoniques dans l'enroulement triangle. La totalité de l'énergie passe cependant au travers du transformateur en accroissant les pertes joules et en augmentant les impédances offertes aux harmoniques élevées de courant. Ces augmentations d'impédances entraînent alors une déformation de l'onde de tension de sortie du transformateur.
D'autres systèmes utilisent un transformateur placé en parrallèle pour constituer une faible impédance homopolaire. Cependant, en cas de creux de tension sur une
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phase du réseau d'alimentation, le courant dans le neutre peut atteindre des valeurs exagérées.
La présente invention a pour but de pallier ces désavantages et de fournir un filtre homopolaire permettant de réduire drastiquement les courants homopolaires dans les phases et dans le neutre d'une installation électrique sans entraîner une détérioration de la forme d'onde de tension des charges perturbatrices et en restant indépendant de la puissance de court-circuit du réseau en amont ce filtre étant en plus relativement bon marché.
Ce but est atteint, conformément à l'invention, par un filtre homopolaire, comprenant, d'une part, un générateur homopolaire placé en dérivation entre les phases et le neutre de la ligne, le neutre du générateur étant connecté au neutre de la ligne, ce générateur étant formé par des bobinages zig-zag sur un noyau de transformateur à trois colonnes, les bobinages sur chaque colonne étant imbriquées et d'autre part, une inductance ou self formée par un noyau monophasé sur lequel sont bobinés trois bobinages correspondant aux trois phases de manière à ce que leurs flux soient concordants.
De préférence, le générateur homopolaire présente vis-à-vis des systèmes de tensions indirectes et inverses une impédance de magnétisation élevée de telle sorte qu'il ne génère pas lui-même des harmoniques de courant de magnétisation, et qu'il présente vis-à-vis des systèmes de tensions homopolaires une impédance aussi faible que possible.
L'inductance est de préférence réalisée de telle sorte qu'elle présente vis-à-vis des systèmes de courants directs
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et inverses une impédance aussi faible que possible et vis-à-vis des systèmes de courants homopolaires une impédance correspondant à une fraction de l'impédance unitaire de la charge que l'on souhaite filtrer.
De préférence les bobinages de l'inductance sont imbriquées.
Pour plus de clarté, un exemple de réalisation d'un filtre homopolaire selon l'invention est décrit ci-après à titre illustratif et non restrictif, référence étant faite aux dessins annexés dans lesquels : la figure 1 représente un schéma d'un réseau d'alimentation triphasé, dans lequel sont montés deux filtres homopolaires selon l'invention ; la figure 2 représente schématiquement un filtre homopolaire selon l'invention de la figure 1 ; la figure 3 représente très schématiquement un générateur homopolaire du filtre selon la figure 2 ; la figure 4 représente une coupe d'une partie du générateur de la figure 3 montrant en détail les bobinages sur une colonne du noyau ; la figure 5 représente une coupe similaire à celle de la figure 4 mais se rapportant à une autre forme de réalisation du générateur ;
la figure 6 représente une coupe selon la ligne VI-VI de la figure 5 ; la figure 7 représente schématiquement l'inductance du filtre selon la figure 2 ; la figure 8 représente à échelle agrandie une coupe de l'inductance de la figure 7 montrant en détail les bobinages sur le noyau ; les figures 9 et 10 représentent une coupe similaire à celle de la figure 8, mais se rapportant à d'autre formes de réalisation de l'inductance ;
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les figures il et 12 sont des représentations schématiques analogues à celle de la figure 7, mais se rapportant à d'autres formes de réalisation de l'inductance ; la figure 13 est une vue en perspective d'encore une autre forme de réalisation de l'inductance du filtre homopolaire selon l'invention ; la figure 14 est le schéma électrique d'une phase pour les composants homopolaires ;
la figure 15 est une partie du schéma de la figure 14 mais détaillé pour les trois phases.
La figure 1 représente un réseau d'alimentation triphasé à neutre distribué et constitué de sa source l, par exemple un transformateur ou un alternateur, un UPS, trois conducteurs de phase 2 et le neutre 3 liant la source 1 au tableau de dérivation 4 et de charges déformantes 5.
Dans le tableau de dérivation 4 est monté devant chaque charge 5 un filtre homopolaire 6 constitué essentiellement d'un générateur homopolaire particulier 7 monté en dérivation et d'une inductance particulière 8 tel que représenté schématiquement à la figure 2.
Comme représenté à la figure 3, le générateur homopolaire 7 est constitué de bobinages zig-zag 9 placés en dérivation et montés sur un noyau 10 à trois colonnes. En plus, chaque colonne comporte deux bobinages 9 imbriquées.
Les bobinages 9 sur chaque colonne peuvent être imbriqués de plusieures façons.
Dans la forme de réalisation représentée à la figure 4, les bobinages 9 sont composés de fil et leurs spires sont
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bobinées en couches successives isolées entre elles, une couche d'un bobinage 9 alternant avec une couche de l'autre bobinage 9.
Aux figures 3 et 4 l'entrée et la sortie de chacun des bobinages 9 imbriqués sont désignées par El et SI, respectivement E'l et S'l pour la premier colonne, E2 et S2 respectivement E'2 et S'2 pour la deuxième colonne et E3 et S2 respectivement E'3 et S'3 pour la troisième colonne.
Les entrées E'l, E'2 et E'3 sont respectivement connectées au trois conducteurs de phase 2, tandis que les entrées E1, E2 et E3 sont connectées au neutre 3.
Dans la forme de réalisation représenté aux figures 5 et 6, chaque bobinage est constitué d'une seule spire de feuillard et les couches de fils sont donc remplacés par des couches de feuillard. Les couches successives des deux bobinages 9 sur une colonne appartiennent altérnativement aux deux bobinages 9.
Cette dernière forme de réalisation est préférée pour les filtres 6 de grande puissance, lorsque le courant du neutre 3 peut être supérieur à 300 A.
Outre le fait que les ampère-tours homopolaire totaux d'une colonne du noyau 10 sont nuls, comme dans tout bobinage zig-zag, le fait d'imbriquer les bobinages 9 réduit de manière très significative le flux de dispersion des courants homopolaires.
L'induction maximale est volontairement réduite afin d'éviter la génération de courants harmoniques.
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Cette particularité permet également la réduction du courant d'appel à l'enclenchement et une réduction des pertes magnétiques.
Le générateur 7 est donc réalisé de telle sorte qu'il présente vis-à-vis des systèmes de tensions directes et inverses une impédance de magnétisation élevée afin qu'il ne génère pas lui-même des harmoniques de courant de magnétisation et qu'il présente vis-à-vis des systèmes de tension homopolaire une impédance aussi faible que possible.
L'inductance particulière 8 est constituée d'un noyau monophasé 11 et de trois bobinages 12 sur celui-ci pour les trois phases comme représenté à la figure 7.
Les trois bobinages 12 sont bobinés de manière à ce que leurs flux soient concordants. A la figure 7 l'entrée et la sortie des trois bobinages 12 ont été indiquées par El et 51 pour la première phase, E2 et S2 pour la deuxième phase et E3 et S3 pour la troisième phase.
Ces bobinages 12 sont réalisés de telle sorte que l'inductance 8 présente vis-à-vis des systèmes de courants directs et inverses une impédance aussi faible que possible et vis-à-vis des systèmes de courants homopolaires une impédance correspondant à une fraction, par exemple 10% de l'impédance unitaire de la charge que l'on souhaite filtrer.
A cet effet, les trois bobinages 12 sont imbriqués par exemple comme représenté en détail aux figures 8 à 11.
Particulièrement pour les filtres de faible puissance dans lesquels le courant dans le neutre 3 est inférieur à 300 A, les bobinages 12 peuvent s'imbriquer par exemple comme représenté à la figure 8 où les bobinages autour de la
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colonne monophasée sont constitués par des fils. Les fils des trois bobinages 12 sont enroulés l'un à côté de l'autre et ensemble. L'appartenance de fils au trois bobinages respectives a été indiquée par A, B et C.
Dans la forme de réalisation représentée à la figure 9, chaque bobinage comprend une seule spire formée par un feuillard ou méplat.
En fait trois méplats superposés, une pour chaque phase, sont enroulés en même temps.
L'appartenance au trois bobinages 12 des feuillards a également été désignée à la figure 9 par A, B et C. Cette forme de réalisation est préférée pour des filtres de grande puissance.
Dans une variante les bobinages 12 peuvent être formés par un câble avec trois filss, un pour chaque phase. En bobinant le câble on bobine en même temps les fils et ons crée donc trois bobinages imbriquées tel que représenté à la figure 10.
L'entrefer 13, si un noyau 11 ferromagnétique est utilisé, est calculé pour éviter toute saturation lors d'appels de courant monophasés importants.
L'inductance 8 peut comprendre deux colonnes comme représenté aux figures 11 et 12. Les bobinages 12 peuvent entourer seule une des collones comme représenté à la figure 11 ou être dédoublé et comprendre une partie 12a et 12b sur chaque colonne comme représenté à la figure 12.
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Dans le cas de courants importants supérieurs à 1000A dans le neutre, une seule spire peut suffire.
Cette spire unique peut même être formée par un jeu de trois barres A, B, C qui traverse le noyau tel que représenté à la figure 13.
Le filtre homopolaire 6 décrit ci-devant fonctionne comme suit.
Les systèmes de courants peuvent être décomposés en leurs composantes directes (Id), inverses (Ii) et homopolaires (Io).
Les courants direct Id et inverse Ii traverseront l'impédance ou la self 8 sans provoquer des chutes de tension aux bornes de celle-ci, puisque la somme des ampère-tours est nulle et l'impédance est négligeable en raison du faible flux de dispersion.
Le générateur homopolaire 7 ne sera pas influencé par l'effet de ces courants et gardera une très grande impédance (impédance de magnétisation).
Les courants homopolaires quant à eux, rencontreront une impédance non négligeable v. w. Lo, où Lo est l'inductance homopolaire d'une phase de l'inductance 8, w est la pulsation fondamentale et v est le nombre de l'harmonique monopolaire, les ampère-tours homopolaires s'additionnant en effet et selon l'invention dans l'impédance.
L'impédance homopolaire de la source est considérée comme négligeable.
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Le schéma d'une phase pour les composantes homopolaires peut se réduire à la figure 10.
La charge d'une phase pour les composantes homopolaires se verra partager le courant qu'elle génère entre l'impédance v. w. Lo et l'impédance du générateur homopolaire v. w. Lzo (Lzo est l'inductance du générateur monopolaire 7).
Vu de la charge c'est-à-dire du générateur homopolaire 7, l'impédance homopolaire Zo de l'amont est égale pour la première phase à : Zo= (v. w. Lo. v. w. Lzo)/ (v. w. Lo + v. w. Lzo) Zo=v. w. Lo. Lzo. (Lo+Lzo) Ucov= (v. w. Lo. Lzo/ (Lo+Lzo)). Icov (où Uco est la tension sur la charge 5 et Ico est le courant à travers cette charge 5) et Izo. v=Uco. v/v. w. Lzo (Izo est le courant à travers l'inductance 8). donc Izo. v= ( (Lo//Lzo)/ ( (Lo/Lzo) +l)). Ico. v Le filtre homopolaire 6 sera d'autant plus efficace que le rapport Lo/Lzo sera important.
Si Lo/Lzo=5, le courant homopolaire circulant dans le neutre 3 initialement égal à 3. Icov sera réduit par six.
Ces valeurs sont approximatives, car elles négligent les arguments des impédances. Par ailleurs l'efficacité du filtre sera augmentée si l'inductance homopolaire de la source n'est pas négligeable devant Lo.
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Le raisonnement tenu ci-dessus pour les courants harmoniques peut bien évidemment être transposé aux courants déséquilibrés à fréquence fondamentale (v=l), lesquels peuvent également être décomposés en leurs composantes directes, inverses, et homopolaires Id, Ii, Io.
Ainsi une charge monophasée (Ph, neutre) de courant nominal In entraînera dans le conducteur neutre un courant égal à In (le courant nominal).
L'application du filtre 6 réduira le courant harmonique homopolaire résultant de la charge monophasée (Io=In/3).
Si par exemple qu'une seule charge monophasée est appliquée à la phase 1 (indiqué sur la fig. 15) et en négligeant les résistances du filtre, les équations suivantes : les différentes tensions ci courants et impédances L sont indiquées à la figure 15 et sont les valeurs instantanées.
EMI11.1
U1-L1ld/dt i1-L12d/dt i2-L13d/dt i3-UCl=0 U2-L21d/dt il-L22d/dt i2-L23d/dt i3-UC2=0 U-L-.d/dti.-Ld/dti-L-. d/dt i--UC. =0 Selon l'invention, l'inductance L globale de l'impédance 8 est parfaitement couplée, il en résulte que : Lll=L12=L13=L22=". =L Par ailleurs, dans l'inductance de neutre à trois colonnes, Zo bobiné en zig-zag, la somme des flux des trois colonnes est nulle.
EMI11.2
Donc, uc1 + uc2 + uc3 = 0 à tout instant. Si les tensions d'entrée sont équilibrées :
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u1+u2+u3=0 En réalisant la somme des 3 équations, le système se réduit
EMI12.1
à 0 + 3L d/dt (il + i2 + i3) + 0 = 0 donc il + i2 + i3 = 0 car il n'y a pas de composante continue.
Or, il + in1 = tic i + iz = 0 i + iz = 0 et donc, iC1 = iZ1 + iZ2 + iz puisque iz=iz1 + riz2 + iz3 et ic, = iz + iN iN = ic1 - ic1 = 0 (A) Par ailleurs, l'équation (1) devient U1 - L d/dt (il + i2 + i3)-ucl = 0
EMI12.2
ul = ucl donc, de la même façon--- > u2 = uc2 (B) u3 = uc3 On obtient le résultat remarquable que le courant dans le neutre est nul en amont du filtre et que les tensions à l'entrée du filtre sont identiques à celle de la sortie (il n'y a pas de chute de tension dans L) Ceci est vrai pour toute configuration de courants déséquilibrés et quelque soit la fréquence de ces courants.
Il ressort de ce qui précède qu'en raison de la construction de l'impédance ZO, seule les composantes homopolaires la traverseront, en raison de la symétrie iz. = iz2 = iz3
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EMI13.1
donc iZ1 = icl/3 = iz.-= iz Les courants en amont du filtre seront dans le cas d'un déséquilibre de 100% égaux à il = 2/3 iC1 2 =-1/3 ic2 i =-1/3 ic3 Dans ce cas la puissance absorbée sur une phase se répartit sensiblement sur l'ensemble des phases de la source.
Supposant qu'à un instant donné, une des phases de la source 1 soit le siège d'un creux de tension transitoire de par exemple 30%, les tensions V1, V2 et V3 dans les phases sont : V1=0, 7. V ln, V2=V2n, V3=V3n Vd= (V1+aV2+a2V3)/3 Vi= (Vl+a2V2+aV3)/3 Vo= (Vl+V2+V3)/3 Vo=0, 1. Vln Comme indiqué précédemment, les composantes directes et inverses de tension n'auront pas d'influence sur le filtre.
La tension homopolaire provoquera la circulation d'un courant homopolaire transitoire dont l'amplitude dans chaque phase peut être estimée à +/- 0,1. Vl/w. (Lo+Lzo).
Ce courant aura pour effet de répartir la chute de tension de 30% d'une phase à +/-10% sur l'ensemble des phases.
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Cet exemple montre également l'intérêt et la nécessité de l'introduction de l'impédance ou de la self 8 selon l'invention.
En effet, dans le cas d'une source 1 de Pcc infinie, le courant homopolaire ne serait limité que par l'impédance w. Lo qui selon l'invention est réduite à une valeur extrêmement faible.
Le courant de court-circuit monophasé sera partiellement réparti en amont du filtre sur les trois phases. Cette propriété permettra le fonctionnement rapide des protections individuelles de la charge en court-circuit en facilitant ainsi la sélectivité des protections.
Comme le filtre 6 est transparent aux harmoniques non homopolaires pour lesquelles son impédance est pratiquement négligeable, il n'affectera en rien les filtres accordés sur les harmoniques H5, H7, Hll, H13 éventuellement présents sur le réseau qu'ils soient situés en amont ou en aval du filtre 6.
Le filtre homopolaire 6 décrit ci-dessus peut réduire drastiquement les courants homopolaires dans les phases 2 et dans le neutre 3 d'une installation électrique sans entrainer une détérioration de la forme d'onde de tension des charges perturbatrices 5.
Le filtre 6 permet également de réduire pour la charge 5 l'amplitude des creux de tensions transitoires monophasées survenant sur le réseau d'alimentation et permet de rééquilibrer sur les trois phases les courants d'une charge fortement déséquilibrée.
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Le filtre 6 permet de faciliter considérablement la sélectivité en cas de court-circuit sur une des charges monophasées situées en aval du filtre 6 et permet de réduire l'ensemble des pertes joules de l'installation.
Il permet également de réduire le rayonnement électromagnétique à haute fréquence de cet ensemble.
Le ou les filtres 6 selon l'invention peuvent être placés en n'importe quel point perturbateur sans se préoccuper des impédances de la source 1.
Plusieurs filtres 6 peuvent être placés en parallèle devant une même charge 5 permettant ainsi un évolution des filtres 6 en fonction d'une croissance de la charge déformante 5.
Il est évident que de nombreuses modifications peuvent être apportées aux exemples susdécrits, sans pour autant sortir du cadre de l'invention.
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Homopolar filter. The invention relates to a zero sequence filter for considerably reducing the amplitude of zero sequence currents on electrical distribution lines.
At present, electrical power supply networks are facing a significant increase in non-linear loads such as switching power supply for computers, electronic speed controllers for asynchronous motors, electronic power rectifiers, lighting by fluorescent tubes, induction furnaces and unbalanced charges.
These nonlinear charges generate harmonic currents of great amplitude, among which the homopolar harmonics (H3, H9. H (6K + 3)) hold a special place.
Indeed, in three-phase power supplies with distributed neutrals, zero sequence harmonics add up in the neutral conductor which is then crossed by large currents at high frequencies.
It is not exceptional to find installations where the current flowing in the neutral is more than twice the phase current.
This situation has the consequence that distribution losses increase considerably and that distribution power is limited.
Indeed, these currents cross the neutral conductor which is not intended for such high currents and whose
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the thermal effect is further aggravated by the "skin" effect. In addition, these currents also pass through the line transformer in which significant additional losses are generated.
Furthermore, in the event of a highly unbalanced load, for example a single phase charged to 100%, the current in the conductor also reaches a value equal to the phase current.
The distribution power is dependent on the maximum current tolerated by the distributed neutral or by the maximum current that can carry the neutral conductor internal to the line transformer, by the alternator or by the supply UPS.
Homopolar filters exist on the market but these known filters have the drawback of causing a significant deformation of the voltage wave of the disturbing loads.
Systems are known which use a Dyn transformer. These systems make it possible to short-circuit the harmonics in the triangle winding. However, all of the energy passes through the transformer, increasing joule losses and increasing the impedances offered at high current harmonics. These increases in impedances then cause a deformation of the output voltage wave of the transformer.
Other systems use a transformer placed in parallel to constitute a low zero sequence impedance. However, in the event of a voltage dip on a
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phase of the supply network, the current in the neutral can reach exaggerated values.
The object of the present invention is to overcome these disadvantages and to provide a zero sequence filter making it possible to drastically reduce the zero sequence currents in the phases and in the neutral of an electrical installation without causing a deterioration of the voltage waveform of the disturbing loads. and while remaining independent of the short circuit power of the upstream network, this filter is also relatively inexpensive.
This object is achieved, in accordance with the invention, by a zero sequence filter, comprising, on the one hand, a zero sequence generator placed in shunt between the phases and the line neutral, the generator neutral being connected to the line neutral , this generator being formed by zig-zag windings on a transformer core with three columns, the windings on each column being nested and on the other hand, an inductance or self formed by a single-phase core on which are wound three windings corresponding to three phases so that their flows are consistent.
Preferably, the zero sequence generator has a high magnetization impedance with respect to indirect and reverse voltage systems such that it does not itself generate harmonics of magnetization current, and that it has vis- with respect to zero sequence voltage systems, an impedance as low as possible.
The inductance is preferably made in such a way that it presents opposite direct current systems.
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and inverses an impedance as low as possible and with respect to homopolar current systems an impedance corresponding to a fraction of the unit impedance of the load which it is desired to filter.
Preferably the inductor windings are nested.
For greater clarity, an exemplary embodiment of a zero sequence filter according to the invention is described below by way of illustration and without limitation, reference being made to the appended drawings in which: FIG. 1 represents a diagram of a network d 'three-phase power supply, in which are mounted two zero sequence filters according to the invention; FIG. 2 schematically represents a zero sequence filter according to the invention of FIG. 1; FIG. 3 very schematically represents a zero sequence generator of the filter according to FIG. 2; 4 shows a section of a part of the generator of Figure 3 showing in detail the windings on a column of the core; Figure 5 shows a section similar to that of Figure 4 but relating to another embodiment of the generator;
Figure 6 shows a section along line VI-VI of Figure 5; FIG. 7 schematically represents the inductance of the filter according to FIG. 2; Figure 8 shows on an enlarged scale a section of the inductor of Figure 7 showing in detail the windings on the core; Figures 9 and 10 show a section similar to that of Figure 8, but relating to other embodiments of the inductor;
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Figures 11 and 12 are schematic representations similar to that of Figure 7, but relating to other embodiments of the inductor; Figure 13 is a perspective view of yet another embodiment of the inductance of the zero sequence filter according to the invention; FIG. 14 is the electrical diagram of a phase for the zero sequence components;
Figure 15 is a part of the diagram of Figure 14 but detailed for the three phases.
FIG. 1 represents a three-phase supply network with neutral distributed and consisting of its source l, for example a transformer or an alternator, a UPS, three phase conductors 2 and the neutral 3 linking the source 1 to the derivation table 4 and deforming loads 5.
In the derivation table 4 is mounted in front of each load 5 a zero sequence filter 6 essentially consisting of a particular zero sequence generator 7 mounted as a derivation and a particular inductance 8 as shown diagrammatically in FIG. 2.
As shown in Figure 3, the zero sequence generator 7 consists of zigzag windings 9 placed in shunt and mounted on a core 10 with three columns. In addition, each column has two nested windings 9.
The windings 9 on each column can be nested in several ways.
In the embodiment shown in Figure 4, the coils 9 are composed of wire and their turns are
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wound in successive layers isolated from each other, a layer of a winding 9 alternating with a layer of the other winding 9.
In FIGS. 3 and 4, the input and the output of each of the nested windings 9 are designated by El and SI, respectively E'l and S'l for the first column, E2 and S2 respectively E'2 and S'2 for the second column and E3 and S2 respectively E'3 and S'3 for the third column.
The inputs E'l, E'2 and E'3 are respectively connected to the three phase conductors 2, while the inputs E1, E2 and E3 are connected to the neutral 3.
In the embodiment shown in FIGS. 5 and 6, each winding consists of a single strip turn and the layers of wires are therefore replaced by layers of strip. The successive layers of the two windings 9 on a column belong alternately to the two windings 9.
This latter embodiment is preferred for high-power filters 6, when the current of the neutral 3 can be greater than 300 A.
Besides the fact that the total homopolar ampere-turns of a column of the core 10 are zero, as in any zig-zag winding, the fact of nesting the windings 9 very significantly reduces the dispersion flux of the homopolar currents.
The maximum induction is deliberately reduced in order to avoid the generation of harmonic currents.
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This feature also allows the reduction of the inrush inrush current and a reduction in magnetic losses.
The generator 7 is therefore constructed in such a way that it has a high magnetization impedance with respect to direct and reverse voltage systems so that it does not itself generate harmonics of magnetization current and that it has as low an impedance as possible with zero sequence voltage systems.
The particular inductance 8 consists of a single-phase core 11 and three windings 12 thereon for the three phases as shown in FIG. 7.
The three windings 12 are wound so that their fluxes are consistent. In Figure 7 the input and output of the three windings 12 have been indicated by E1 and 51 for the first phase, E2 and S2 for the second phase and E3 and S3 for the third phase.
These windings 12 are produced in such a way that the inductance 8 has, as regards direct and reverse current systems, an impedance as low as possible and with respect to homopolar current systems an impedance corresponding to a fraction, for example 10% of the unit impedance of the load that one wishes to filter.
To this end, the three windings 12 are nested, for example as shown in detail in FIGS. 8 to 11.
Particularly for low power filters in which the current in the neutral 3 is less than 300 A, the windings 12 can be nested for example as shown in FIG. 8 where the windings around the
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single-phase column consist of wires. The wires of the three windings 12 are wound one next to the other and together. The belonging of wires to the three respective windings has been indicated by A, B and C.
In the embodiment shown in Figure 9, each winding comprises a single turn formed by a strip or flat.
In fact three superimposed flats, one for each phase, are wound at the same time.
The membership of the three windings 12 of the strips has also been designated in FIG. 9 by A, B and C. This embodiment is preferred for high power filters.
In a variant, the windings 12 can be formed by a cable with three wires, one for each phase. By winding the cable, the wires are spooled at the same time and therefore three nested windings are created as shown in FIG. 10.
The air gap 13, if a ferromagnetic core 11 is used, is calculated to avoid saturation during large single-phase current calls.
The inductance 8 can comprise two columns as shown in FIGS. 11 and 12. The windings 12 can surround only one of the collones as shown in FIG. 11 or be split and include a part 12a and 12b on each column as shown in FIG. 12 .
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In the case of large currents greater than 1000A in the neutral, a single turn may be sufficient.
This single turn can even be formed by a set of three bars A, B, C which crosses the core as shown in FIG. 13.
The zero sequence filter 6 described above operates as follows.
Current systems can be broken down into their direct (Id), inverse (Ii) and zero sequence (Io) components.
The direct currents Id and reverse Ii will cross the impedance or the inductor 8 without causing voltage drops across its terminals, since the sum of the ampere-turns is zero and the impedance is negligible due to the low flux of dispersion .
The zero sequence generator 7 will not be influenced by the effect of these currents and will keep a very high impedance (magnetization impedance).
Homopolar currents, on the other hand, will meet a non-negligible impedance v. w. Lo, where Lo is the homopolar inductance of a phase of inductance 8, w is the fundamental pulsation and v is the number of the monopolar harmonic, the homopolar ampere-turns adding indeed and according to the invention in impedance.
The zero sequence impedance of the source is considered negligible.
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The diagram of a phase for the zero sequence components can be reduced in Figure 10.
The charge of a phase for the zero sequence components will share the current it generates between the impedance v. w. Lo and the impedance of the zero sequence generator v. w. Lzo (Lzo is the inductance of the monopolar generator 7).
Seen from the load, i.e. from the zero sequence generator 7, the zero sequence impedance Zo upstream is equal for the first phase to: Zo = (vw Lo. Vw Lzo) / (vw Lo + vw Lzo) Zo = v. w. Lo. Lzo. (Lo + Lzo) Ucov = (v. W. Lo. Lzo / (Lo + Lzo)). Icov (where Uco is the voltage on load 5 and Ico is the current through this load 5) and Izo. v = Uco. v / v. w. Lzo (Izo is the current through inductance 8). so Izo. v = ((Lo // Lzo) / ((Lo / Lzo) + l)). Ico. v The zero sequence filter 6 will be all the more effective the higher the Lo / Lzo ratio.
If Lo / Lzo = 5, the zero sequence current flowing in the neutral 3 initially equal to 3. Icov will be reduced by six.
These values are approximate because they neglect the arguments of impedances. Furthermore, the efficiency of the filter will be increased if the zero sequence inductance of the source is not negligible in front of Lo.
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The reasoning held above for the harmonic currents can obviously be transposed to the unbalanced currents at fundamental frequency (v = l), which can also be decomposed into their direct, inverse, and zero sequence components Id, Ii, Io.
Thus a single-phase load (Ph, neutral) of nominal current In will draw in the neutral conductor a current equal to In (the nominal current).
Applying filter 6 will reduce the zero sequence harmonic current resulting from the single-phase load (Io = In / 3).
If, for example, only one single-phase load is applied to phase 1 (indicated in fig. 15) and neglecting the filter resistances, the following equations: the different voltages ci currents and impedances L are indicated in figure 15 and are the instantaneous values.
EMI11.1
U1-L1ld / dt i1-L12d / dt i2-L13d / dt i3-UCl = 0 U2-L21d / dt il-L22d / dt i2-L23d / dt i3-UC2 = 0 UL-.d / dti.-Ld / dti-L-. d / dt i - UC. = 0 According to the invention, the overall inductance L of impedance 8 is perfectly coupled, it follows that: Lll = L12 = L13 = L22 = ". = L Furthermore, in the three-column neutral inductance , Zo wound in a zig-zag, the sum of the flows of the three columns is zero.
EMI11.2
So uc1 + uc2 + uc3 = 0 at all times. If the input voltages are balanced:
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u1 + u2 + u3 = 0 By realizing the sum of the 3 equations, the system is reduced
EMI12.1
at 0 + 3L d / dt (il + i2 + i3) + 0 = 0 therefore il + i2 + i3 = 0 because there is no continuous component.
However, il + in1 = tic i + iz = 0 i + iz = 0 and therefore, iC1 = iZ1 + iZ2 + iz since iz = iz1 + riz2 + iz3 and ic, = iz + iN iN = ic1 - ic1 = 0 ( A) Furthermore, equation (1) becomes U1 - L d / dt (il + i2 + i3) -ucl = 0
EMI12.2
ul = ucl therefore, in the same way ---> u2 = uc2 (B) u3 = uc3 We obtain the remarkable result that the current in the neutral is zero upstream of the filter and that the voltages at the input of the filter are identical to that of the output (there is no voltage drop in L) This is true for any configuration of unbalanced currents and whatever the frequency of these currents.
It follows from the above that due to the construction of the impedance ZO, only the zero sequence components will cross it, due to the symmetry iz. = iz2 = iz3
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EMI13.1
therefore iZ1 = icl / 3 = iz .- = iz The currents upstream of the filter will be in the case of an imbalance of 100% equal to it = 2/3 iC1 2 = -1 / 3 ic2 i = -1 / 3 ic3 In this case, the power absorbed over a phase is distributed appreciably over all of the phases of the source.
Supposing that at a given instant, one of the phases of the source 1 is the seat of a trough of transient voltage of for example 30%, the voltages V1, V2 and V3 in the phases are: V1 = 0, 7. V ln, V2 = V2n, V3 = V3n Vd = (V1 + aV2 + a2V3) / 3 Vi = (Vl + a2V2 + aV3) / 3 Vo = (Vl + V2 + V3) / 3 Vo = 0, 1. Vln As indicated previously, the direct and reverse voltage components will not have any influence on the filter.
The homopolar voltage will cause the circulation of a transient homopolar current whose amplitude in each phase can be estimated at +/- 0.1. Vl / w. (Lo + Lzo).
This current will have the effect of distributing the voltage drop from 30% of a phase to +/- 10% over all the phases.
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This example also shows the advantage and the necessity of introducing the impedance or the self 8 according to the invention.
Indeed, in the case of an infinite source 1 of Pcc, the zero sequence current would only be limited by the impedance w. Lo which according to the invention is reduced to an extremely low value.
The single-phase short-circuit current will be partially distributed upstream of the filter over the three phases. This property will allow the rapid operation of the individual protections of the load in short-circuit, thus facilitating the selectivity of the protections.
As the filter 6 is transparent to non-homopolar harmonics for which its impedance is practically negligible, it will in no way affect the filters tuned on the harmonics H5, H7, Hll, H13 possibly present on the network whether they are located upstream or downstream of the filter 6.
The zero sequence filter 6 described above can drastically reduce the zero sequence currents in phases 2 and in the neutral 3 of an electrical installation without causing a deterioration of the voltage waveform of the disturbing loads 5.
The filter 6 also makes it possible to reduce for the load 5 the amplitude of the dips of single-phase transient voltages occurring on the supply network and makes it possible to rebalance on the three phases the currents of a highly unbalanced load.
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The filter 6 considerably facilitates the selectivity in the event of a short circuit on one of the single-phase loads located downstream of the filter 6 and makes it possible to reduce all the joule losses of the installation.
It also makes it possible to reduce the high frequency electromagnetic radiation from this assembly.
The filter or filters 6 according to the invention can be placed at any disturbing point without worrying about the impedances of the source 1.
Several filters 6 can be placed in parallel in front of the same load 5, thus allowing the filters 6 to evolve as a function of growth in the deforming load 5.
It is obvious that many modifications can be made to the examples described above, without going beyond the ambit of the invention.