CS265114B1 - Elektrotechnický prvek určený pro filtraci vyšších harmonických složek - Google Patents

Abstract

Elektrotechnický prvek slouží filtraci vyšších harmonických složek v sítích, zej ­ ména v energetických sítích libovolného napětí, který je umístěn v elektromagnetic ­ kém poli indukčnosti filtru pro vyšší harmonickou, přičemž filtr pracuje na prin ­ cipu sériové rezonance mezi indukčnosti a kapacitou. Prvek je z hlediska svých materiálových a geometrických parametrů zvo ­ len tak, aby v něm při filtrované vyšší harmonické vznikaly ztráty vířivými proudy v rozsahu potřebném pro úpravu frekvenční charakteristiky filtru obdobně, jako se toho dosahuje odpory, zapojenými paralelně k indukčnosti. Tento prvek je na rozdíl od odporů levný, lehce měnitelný a nestavi- telný, nemusí být galvanicky spojen se žád ­ ným bodem sítě, indukované proudy jsou v něm automaticky zkratovány. Vhodným tvarem takového elektromagnetického prvku je např. hranol o jedné hraně několikanásobně menší, než jsou zbývající dvě hrany, nebo tenkostěnná trubka apod.

Description

Vynález se týká elektrotechnického prvku, určeného pro filtraci vyšších harmonických složek v sítích, především v běžných trojfázových energetických sítích průmyslové frekvence libovolného napětí.

Filtrační efekt pro filtrovanou vyšší harmonickou vzniká sériovou rezonancí pro filtrovanou frekvenci mezi indukčností filtru a kapacitou filtru. Sériová rezonance mezi indukčností a kapacitou tak vlastně vytvoří v energetické síti zkrat pro příslušnou vyšší harmonickou složku, jejíž proud do sítě pronikl. Díky tomu zkratu nemůže proud filtrované vyšší harmonické vytvořit na impedancích sítě žádné napětí filtrované vyšší harmonické, napětová křivka základní harmonické (sinusovka) pak není deformována napětím vyšší harmonické, nastává filtrační efekt pro danou harmonickou. Filtrace tedy neodstraňuje existenci proudů vyšších harmonických v sítích, pouze zamezuje deformaci napětové křivky sítě napětím filtrované vyšší harmonické. Filtr je vždy vytvořen sériovou rezonancí mezi indukčností a kapacitou filtru, změnou hodnoty kapacity nebo indukčností je vyladěn do stavu sériové rezonance(amplitudové nebo fázové) tak, aby zkratové,čili filtrační působení bylo co nejvyšší. Přitom se sleduje nejenom působení filtru při jeho přesném vyladění na přesnou frekvenci vyšší harmonické, ale i chováni filtru v okolí rezonance. Důvodem je možnost změn frekvence sítě, změn nastavení hodnoty indukčností či kapacity filtru, apod. U filtrů pro nejvyšší filtrovanou harmonickou (například u šestipulznlch usměrňovačů se filtruje 5.,7.,11.a 13. harmonická, tedy pro 13.harmonickou) se chování filtru v okolí rezonance, a zejména směrem k ještě vyšším frekvencím sleduje obzvláště pečlivě. Přitom je nutno vzít v úvahu, že chování filtru v okolí rezonance, tedy frekvenční charakteristika filtru, je určena hlavně hodnotou činných ztrát filtru nebo vzájemnou indukčností mezi filtry různých harmonických.

Dosud známé filtry mají frekvenční charakteristiku určenu bud pouze přirozenými činnými ztrátami prvků filtru, tedy indukčností a kapacity filtru,nebo jsou tyto přirozené ztráty zvětšovány pomocí přídavného činného odporu, zapojeného paralelně k indukčností filtru.Tento přídavný činný odpor je používán zejména u filtru pro nejvyšší filtrovanou harmonickou. Nevýhodou tohoto uspořádání je nutnost instalace odporu, který musí být navržen na předem určenou konkrétní hodnotu činného odporu, který je nutno zpravidla plně izolovat vůči zemi (indukčností a tedy i odpory se zpravidla připojují k fázovým vodičům, kondenzátory ke středu hvězdy, tedy k nule), a který je při rezonanci namáhán plným napětím této vyšší harmonické. Tento odpor často představuje nejméně spolehlivý prvek celého zařízení, proto je někdy připojován paralelně pouze k části indukčností, apod. Jeho hodnotu zpravidla nelze podle skutečných poměrů při filtraci sítě měnit jinak , než dodávkou jiného odporu. Jiným známým řešením je úprava frekvenční charakteristiky zavedením vzájemné indukčností mezi indukčností dvou filtrů na různé harmonické. Toto sice nevyžaduje ani instalaci dodatečných prvků - odporů a ani nečiní potíže snadné přizpůsobení skutečným poměrům při filtraci, upravuje však frekvenční charakteristiku jednoho filtru na úkor druhého. Není tedy absolutně univerzální.

Výše uvedené nedostatky odstraňuje elektrotechnický prvek pro filtraci vyšších harmonických složek v sítích, především v běžných trojfázových energetických sítích průmyslové frekvence libovolného napětí, kde filtrační efekt pro filtrovanou vyšší harmonickou složku vzniká sériovou rezonancí pro filtrovanou frekvenci mezi indukčností filtru a kapacitou filtru, přičemž elektrotechnický prvek je umístěn v proměnném elektromagnetickém poli indukčností filtru, podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že rozměry elektrotechnického prvku kolmé k elektromagnetickému poli jsou alespoň rovny rozměrům, které odpovídají 30* hodnoty skinefektu pro nekonečně vysokou frekvenci, přičemž jejich maximální hodnota je omezena rozsahem elektromagnetického pole indukčností filtru.

Elektrotechnický prvek dle vynálezu má v porovnání s odporem, zapojeným paralelně k indukčností nebo k části indukčností, řadu výhod. Především nemusí být galvanicky propojen se žádným dalším prvkem sítě, může být na potenciálu země či na potenciálu některého bodu indukčností či kapacity. Není namáhán žádným rezonančním napětím, nebot vířivé proudy, které se v něm indukují,jsou automaticky zkratovány. Výrobně je velmi jednoduchý a tedy i levný. Jako vhodného elektrotechnického prvku může být použito například libovolné hliníkové tyče nebo trubky vhodných rozměrů. Hodnotu ztrát lze operativně a pohodlně měnit například počtem prvků téže indukčností, jejich plným nebo částečným zasunutím do pole indukčností, jejich zkrácením prostým uříznutím, apod. Přitom je možno rozměry prvku volit takj aby maximálně ovlivňoval frekvenční charakteristiku a měl tedy i maximální ztráty pouze pro filtrovanou frekvenci. Pro základní harmonickou frekvenci sítě mohou být ztráty v prvku minimalizovány na základě jevu průzařnosti, kdy při menších rozměrech než kritických :-e skinefekt (a tedy i činné ztráty) prakticky neprojeví . Volbou vhodného tvaru prvku lze omezit i skinefekt, a tedy i činné ztráty i pro frekvence vyšší než nejvyšší z filtrovaných frekvencí. Ztráty při jiných frekvencích než je rezonanční frekvence mohou tedy být podstatně menší,než ztráty v ekvivalentním odporu.

Řešení dle vynálezu je objasněno na připojeném výkresu, kde na obr. 1 je vysvětlen vznik skinefektu a na obr. 2 elektrotechnický prvek ve tvaru hranolu.

Skinefektem vznikají v elektrotechnickém, prvku dle vynálezu vířivé proudy v nezanedbatelné míře, které působí vznik činných ztrát. Působení tohoto prvku na frekvenční charakteristiku filtru v okolí rezonance je tedy pro filtrovanou vyšší harmonickou frekvenci stejné jako působení přídavného odporu. Tak např. elektrotechnický prvek ve tvaru hranolu, jehož nejkratší hrana má délku h a druhé dvě hrany mají v porovnání s délkou h velmi velký, minimálně desetinásobný rozměr, se vloží do elektromagnetického pole indukčnosti tak, že jedna z jeho dlouhých hran má přitom směr totožný se směrem elektromagnetického pole indukčnosti (naznačeno šipkou na obr. 2). Jedná se tedy o příklad prvku, obdobného jednomu listu magnetického jha tlumivky, tedy listu o velmi malé tlouštce a velké šířce i délce. Na rozdíl od magnetického jha však prvek může být zhotoven z nemagnetického materiálu. Hranol je vyroben z elektricky vodivého materiálu o vodivosti , přičemž chování tohoto materiálu v libovolném střídavém elektromagnetickém poli o kruhové frekvenci LO je charakterizováno tzv. hloubkou vniku a, určenou vztahem _a2 ₌ _ 2_

AoA/¹ <+>

kde je permeabilita vakua je relativní permeabilita materiálu hranolu.

Na obr. 1 je na vodorovné ose vynesena hodnota poměru , tedy délka nejkratší hrany h hranolu v porovnání s hloubkou vniku a . Ze vztahu pro hloubku vniku a vyplývá, že vodorovná osa je při neproměnnosti zbývajících parametrů současně osou, úměrnou odmocnině z kruhové frekvence OJ . Počátek vodorovné osy odpovídá nulové frekvenci, tedy stejnosměrnému proudu. Na svislé ose G je vyznačen v procentních hodnotách skinefekt, tedy procentní hodnota činných ztrát prvku,působených vířivými proudy při konstantní intenzitě elektromagnetického pole indukčnosti', nezávislé na frekvenci. Jako 100% skinefektu je uvažována taková hodnota činných ztrát, která odpovídá nekonečně vysoké frekvenci. Je obecnou zásadou, že tato limitní hodnota skinefektu existuje vždy pro jakýkoliv tvar prvku, nejen tedy pro hranol a že limitní hodnota je dosažena již pro několikanásobek hloubky vniku a.

Jako oblast průzařnosti P je definován frekvenční rozsah od nulové frekvence do takové hodnoty skinefektu, která dosahuje 30% hodnoty skinefektu pro nekonečně vysokou frekvenci.

Při jevu průzařnosti P jsou ztráty skinefektem malé, skinefekt lze velmi často i zanedbat. V oblasti průzařnosti P například pracují všechna magnetická jha transformátorů, tlumivek, atd. Pro vyšší hodnoty frekvence, než odpovídá oblasti průzařnosti P, leží oblast vyjádřeného skinefektu, v níž např. pracují všechny indukční tavící pece, některé typy elektromagnetických stínění a rovněž i elektrotechnický prvek dle vynálezu. Zvolime-li rozměry prvku tak, aby např. ležely v maximu M křivky skinefektu, pak je zcela evidentní, že ztráty při základní harmonické jsou podstatně menší, než ztráty při filtrované harmonické (oblast vlevo od maxima M ), ztráty při vyšších,již nefiltrovaných harmonických jsou rovněž nižší, než ztráty při filtrované harmonické, a to i za předpokladu stejného proudu těchto harmonických (oblast vpravo od maxima M ) .

Jako příklad konkrétního provedení volíme prvek pro 13.harmonickou běžné sítě 50 Hz, tedy prvek pro 650 Hz. Hloubka vniku a pro zvolený materiál prvku, kterým je měd, je pro 650 Hz rovna 2,7 mm. Zvolíme-li pro 650 Hz maximum M skinefektu měděného hranolu, pak jeho délka h nejkratší hrany hranolu musí být rovna 3,14násobku hloubky vniku a, tedy 8,6 mm. .

Pro základní harmonickou 50 Hz je hloubka vniku a do téhož materálu rovna 9,7 mm, tedy větší,než délka h nejkratší hrany hranolu. Hodnota skinefektu je pouze 13 %, při základní harmonické leží takto zvolený prvek v oblasti průzařnosti P a ztráty vířivými proudy jsou zanedbatelné. Obdobně i pro vyšší harmonické, než je 13., je hodnota skinefektu minimálně o 4% menší, než filtrovanou harmonickou 650 Hz.

Vynálezu lze využít i při volbě jiného tvaru prvku, než je výšeuvedený příklad hranolu o krátké délce h nejkratší hrany hranolu. Velké možnosti poskytuje zejména provedení prvku ve tvaru tenkostěnných (v porovnání s hloubkou vniku) trubek.

Claims (1)

1. Elektrotechnický prvek pro filtraci vyšších harmonických složek v sítích, především v běžných troj fázových energetických sítích průmyslové frekvence libovolného napětí, kde filtrační efekt pro filtrovanou vyšší harmonickou složku vzniká sériovou rezonancí pro filtrovanou frekvenci mezi indukčnosti filtru a kapacitou filtru, přičemž elektrotechnický prvek je umístěn v proměnném elektromagnetickém poli indukčnosti filtru, vyznačující se tím, že rozměry elektrotechnického prvku kolmé k elektromagnetickému poli jsou alespoň rovny rozměrům, které odpovídají 30 % hodnoty skinefektu pro nekonečně vysokou frekvenci, přičemž jejich maximální hodnota je omezena rozsahem elektromagnetického pole indukčnosti filtru.