RU205207U1

RU205207U1 - Passive LC filter adapted to the frequency fluctuation of the power supply

Info

Publication number: RU205207U1
Application number: RU2021110311U
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Валерьевич Хачатуров
Original assignee: Дмитрий Валерьевич Хачатуров
Priority date: 2021-04-13
Filing date: 2021-04-13
Publication date: 2021-07-02

Abstract

Заявленная полезная модель относится к электротехнике, в частности к системам электропитания с использованием частотного преобразователя (ПЧ) для погружных электродвигателей в нефтедобывающей промышленности и прочих потребителей с нелинейной нагрузкой. Технический результат, полученный от реализации полезной модели, заключается в адаптивности пассивного LC-фильтра к просадкам частоты источника питания с обеспечением оптимальной амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ). Сущность заявленной полезной модели заключается в том, что значения параметров индуктивности и емкости элементов резонансного контура LC-фильтра установлены исходя из значения резонансной частоты фильтруемых высших гармоник, уменьшенного в пределах 0,5-1,5%. При это значение индуктивности резонансного контура установлено по току, который равен 30-40% тока выпрямителя, установленного на выходе LC-фильтра. 4 ил.The claimed utility model relates to electrical engineering, in particular to power supply systems using a frequency converter (FC) for submersible electric motors in the oil industry and other consumers with non-linear load. The technical result obtained from the implementation of the utility model consists in the adaptability of the passive LC-filter to the frequency drops of the power supply with the provision of the optimal amplitude-frequency characteristic (AFC). The essence of the claimed utility model lies in the fact that the values of the parameters of the inductance and capacitance of the elements of the resonant circuit of the LC filter are set based on the value of the resonant frequency of the filtered higher harmonics, reduced within 0.5-1.5%. In this case, the value of the inductance of the resonant circuit is set by the current, which is equal to 30-40% of the current of the rectifier installed at the output of the LC filter. 4 ill.

Description

Полезная модель относится к электротехнике, в частности к системам электропитания с использованием частотного преобразователя (ПЧ) для погружных электродвигателей в нефтедобывающей промышленности и прочих потребителей с нелинейной нагрузкой.The utility model relates to electrical engineering, in particular to power supply systems using a frequency converter (FC) for submersible electric motors in the oil industry and other consumers with a non-linear load.

Нелинейная нагрузка, как известно, вызывает гармонические искажения напряжения питающей сети за счет высших гармоник тока, в трехфазных цепях, как правило, 5-ой, 7-ой, 11-ой, 13-ой и т.д.Non-linear load, as you know, causes harmonic distortion of the supply voltage due to higher harmonics of the current, in three-phase circuits, as a rule, the 5th, 7th, 11th, 13th, etc.

Высшие гармоники тока нагрузки в системах электроснабжения искажают форму напряжения на шинах питающих трансформаторов, увеличивают потери энергии в подводящих сетях, вызывают преждевременное старение изоляции, за счет чего снижается надежность и долговечность электрооборудования. Именно поэтому во многих странах введены государственные стандарты, регламентирующие допустимые уровни гармонических искажений напряжения, вызванные током нагрузки.Higher harmonics of the load current in power supply systems distort the voltage waveform on the buses of supply transformers, increase energy losses in supply networks, cause premature aging of insulation, thereby reducing the reliability and durability of electrical equipment. That is why in many countries state standards have been introduced that regulate the permissible levels of harmonic voltage distortion caused by the load current.

В частности заявленное техническое решение может быть использовано в преобразователях частоты для управления погружными вентильными электродвигателями, которые широко применяются в нефтедобывающей промышленности, где эффективно используются в качестве приводов для плунжерных погружных насосов. Примеры таких установок раскрыты в патентных документах: UA118287 от 26.12.2018, UA118520 от 25.01.2019, RU2615775 от 11.04.2017, а также заявок на изобретения WO/2019/108160 от 11.07.2018, US20170284177A1 от 05.10.2017.In particular, the claimed technical solution can be used in frequency converters to control submersible valve motors, which are widely used in the oil industry, where they are effectively used as drives for submersible plunger pumps. Examples of such installations are disclosed in patent documents: UA118287 from 26.12.2018, UA118520 from 25.01.2019, RU2615775 from 11.04.2017, as well as applications for inventions WO / 2019/108160 dated 11.07.2018, US20170284177A1 dated 05.10.2017.

Одним из основных направлений развития данных технических решений можно считать повышение технико-экономических показателей, в частности упрощение конструкции, снижение массогабаритных показателей, расширение диапазона рабочих частот с обеспечением коэффициента нелинейных искажений (КНИ) не более 5% и обеспечение соответствия международным стандартам, в частности IEEE 519-2014.One of the main directions for the development of these technical solutions can be considered an increase in technical and economic indicators, in particular, a simplification of the design, a decrease in weight and dimensions, an expansion of the operating frequency range with a nonlinear distortion factor (THD) of no more than 5% and compliance with international standards, in particular IEEE 519-2014.

Из патента на изобретение RU2731680 от 18.11.2019 известно устройство подавления гармоник на выходе преобразователя частоты содержащее, по меньшей мере, один пассивный фильтр, выполненный с возможностью подавления высших гармоник напряжения и сформированный из накопительных элементов, а также индуктивных элементов, установленных на стержневом основании из магнитного материала. Пассивный фильтр содержит, по меньшей мере, две параллельные ветви, каждая из которых последовательно соединена с отдельным управляемым выпрямителем преобразователя частоты. Пассивный фильтр выполнен с возможностью работы с, по меньшей мере, одной активной ветвью, каждая из ветвей пассивного фильтра содержит блок накопительных элементов с контактором, выполненный с возможностью использования, по меньшей мере, части объема накопительных элементов в зависимости от частоты питающей сети, при этом индуктивная составляющая пассивного фильтра содержит, по меньшей мере, два набора индуктивных элементов установленных на отдельных основаниях и соединенных по входу.From the patent for invention RU2731680 dated 11/18/2019, a device for suppressing harmonics at the output of the frequency converter is known containing at least one passive filter made with the possibility of suppressing higher voltage harmonics and formed from storage elements, as well as inductive elements installed on a rod base made of magnetic material. The passive filter contains at least two parallel branches, each of which is connected in series with a separate controlled rectifier of the frequency converter. The passive filter is configured to work with at least one active branch, each of the branches of the passive filter contains a block of storage elements with a contactor configured to use at least part of the volume of storage elements depending on the frequency of the supply network, while the inductive component of the passive filter contains at least two sets of inductive elements installed on separate bases and connected at the input.

Из патента на полезную модель RU133987 от 07.09.2012 известен пассивный фильтр (ПФ) гармоник тока питания нелинейных нагрузок, имеющий входы для подключения к системе электропитания и выходы для соединения с нагрузкой, содержит магнитный сердечник с одним или несколькими немагнитными зазорами, имеющий три стержня, причем каждый стержень соответствует одной из трех фаз системы силового электропитания; для каждой фазы содержит первый элемент, включающий в себя первую фазную обмотку, имеющую один конец для соединения с входом и второй конец; для каждой фазы содержит второй элемент, включающий в себя вторую обмотку, имеющую первый конец, соединенный со вторым концом фазной обмотки, и второй конец, соединенный с первым выводом конденсатора первой группы; для каждой фазы содержит третий элемент, состоящий из третьей обмотки для магнитной связи с нагрузкой.From the utility model patent RU133987 dated 09/07/2012, a passive filter (PF) of harmonics of the supply current of nonlinear loads is known, which has inputs for connecting to the power supply system and outputs for connecting to the load, contains a magnetic core with one or more non-magnetic gaps, having three rods, moreover, each rod corresponds to one of three phases of the power supply system; for each phase contains a first element including a first phase winding having one end for connection to the input and a second end; for each phase contains a second element, including a second winding having a first end connected to the second end of the phase winding, and a second end connected to the first terminal of the capacitor of the first group; for each phase contains a third element, consisting of a third winding for magnetic coupling with the load.

Первая группа резонирующих цепей ПФ, содержащая вторые обмотки настраивается на резонансную частоту, меньшую частоты 5-й гармоники частоты питающей сети (50 Гц), вторая группа резонирующих цепей, содержащая третьи обмотки - на частоту, большую частоты 5-й гармоники, но так, чтобы результирующая резонансная частота фильтра в целом была меньше частоты 5-й гармоники частоты питающей сети. The first group of resonating PF circuits containing the second windings is tuned to a resonant frequency less than the frequency of the 5th harmonic of the mains frequency (50 Hz), the second group of resonating circuits containing the third windings is tuned to a frequency greater than the 5th harmonic, but so, so that the resulting resonant frequency of the filter as a whole is less than the frequency of the 5th harmonic of the mains frequency.

К недостаткам описанного технического решения можно отнести наличие дополнительных фазных обмоток индуктивностей в резонансных цепях, что может привести к увеличению массогабаритных показателей конструкции.The disadvantages of the described technical solution include the presence of additional phase windings of inductors in the resonant circuits, which can lead to an increase in the weight and dimensions of the structure.

Данное техническое решение принимаем за ближайший аналог.We take this technical solution as the closest analogue.

Техническая задача, на решение которой направлена заявленная полезная модель, заключается в создании конструкции пассивного LC-фильтра, адаптированного к колебаниям частоты источника питания с повышенными технико-экономическими показателями, в частности упрощенной конструкции с оптимальными массогабаритными показателями и оптимальной амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) при просадках частоты источника питания.The technical problem to be solved by the claimed utility model is to create a passive LC filter design adapted to fluctuations in the frequency of the power supply with increased technical and economic indicators, in particular, a simplified design with optimal weight and dimensions and optimal amplitude-frequency characteristic (AFC) when the power supply frequency drops.

Технический результат, полученный от реализации полезной модели, заключается в адаптивности пассивного LC-фильтра к просадкам частоты источника питания с обеспечением оптимальной амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ).The technical result obtained from the implementation of the utility model consists in the adaptability of the passive LC-filter to the frequency drops of the power supply with the provision of the optimal amplitude-frequency characteristic (AFC).

Сущность заявленной полезной модели заключается в том, что значения параметров индуктивности и емкости элементов резонансного контура LC-фильтра установлены исходя из значения резонансной частоты фильтруемых высших гармоник, уменьшенного в пределах 0,5-1,5%, при этом значение индуктивности резонансного контура установлено по току, который равен 30-40% тока выпрямителя, установленного на выходе LC-фильтра. The essence of the claimed utility model lies in the fact that the values of the parameters of the inductance and capacitance of the elements of the resonant circuit of the LC filter are set based on the value of the resonant frequency of the filtered higher harmonics, reduced within 0.5-1.5%, while the value of the inductance of the resonant circuit is set according to current, which is equal to 30-40% of the rectifier current set at the output of the LC filter.

Сущность заявленного технического решения поясняется, но не ограничивается приведенными графическими материалами:The essence of the claimed technical solution is explained, but not limited to the following graphic materials:

фиг. 1 - преобразователь частоты (ПЧ);fig. 1 - frequency converter (FC);

фиг. 2 - вариант выполнения конструкции дросселя пассивного LC-фильтра;fig. 2 - an embodiment of the design of a passive LC filter choke;

фиг. 3 - принципиальная схема пассивного LC-фильтра (6-ти пульсный ПЧ);fig. 3 - schematic diagram of a passive LC filter (6-pulse IF);

фиг. 3.1 - принципиальная схема пассивного LC-фильтра (12-ти пульсный ПЧ).fig. 3.1 is a schematic diagram of a passive LC filter (12-pulse IF).

Заявляемое технические решение может быть реализовано в преобразователях частоты для различных потребителей нелинейной нагрузки с целью снижения негативного воздействия потребителей на сеть электропитания, в частности приведен пример реализации ПЧ 1 (фиг.1) погружного электродвигателя (на изображениях не показан), также в качестве нагрузки может быть использован любой другой частотно управляемый электродвигатель. Корпус ПЧ 1 разделен на отсеки оснащенных системой принудительной воздушной вентиляции 2 для размещения электротехнического оборудования и содержит отдельный модуль (отсек) 3 ПЧ под установку элементов устройства подавления гармоник, такого как пассивный LC-фильтр.The claimed technical solution can be implemented in frequency converters for various consumers of nonlinear load in order to reduce the negative impact of consumers on the power supply network, in particular, an example of the implementation of the inverter 1 (Fig. 1) of a submersible electric motor (not shown in the images) is given, also as a load can any other frequency controlled electric motor can be used. The case of the inverter 1 is divided into compartments equipped with a forced air ventilation system 2 to accommodate electrical equipment and contains a separate module (compartment) 3 of the inverter for installing elements of a harmonic suppression device, such as a passive LC filter.

Пассивный LC-фильтр установлен по входу преобразователя частоты 1 перед выпрямителем, содержит, по меньшей мере, один индуктивный элемент, выполненный в виде дросселя 4 (фиг.2), а также набор емкостных элементов, в частности, конденсаторов 5 резонансного звена LC-фильтра. Заявляемый вариант реализации LC-фильтра выполнен с возможностью подавления высших гармоник, в частности 5-й с резонансной частотой 250 Гц, а также других групп гармоник, в зависимости от выполненных настроек.A passive LC filter is installed at the input of the frequency converter 1 in front of the rectifier, contains at least one inductive element made in the form of a choke 4 (Fig. 2), as well as a set of capacitive elements, in particular, capacitors 5 of the resonant link of the LC filter ... The claimed embodiment of the LC filter is designed to suppress higher harmonics, in particular the 5th harmonic with a resonant frequency of 250 Hz, as well as other groups of harmonics, depending on the settings made.

Дроссель LC-фильтра содержит установленные на стержневом основании 6 из магнитного материала (электротехнической стали) катушки индуктивности, входную 7 и резонансную 8. The choke of the LC filter contains inductors mounted on a rod base 6 made of magnetic material (electrical steel), an input coil 7 and a resonant coil 8.

В 12-пульсном исполнении ПЧ указанный дроссель содержит, по меньшей мере, два набора индуктивных элементов, установленных на отдельных основаниях и соединенных по выходу через выпрямитель 9 в звене постоянного тока ПЧ. При этом заявляемый пассивный LC-фильтр для 6- и 12-пульсных ПЧ отличается конструктивно, в частности параметрами индуктивности и емкости, например, могут иметь иное сечение и количество витков провода дросселя.In the 12-pulse version of the FC, the specified choke contains at least two sets of inductive elements installed on separate bases and connected at the output through the rectifier 9 in the DC link of the FC. At the same time, the inventive passive LC filter for 6- and 12-pulse frequency inverters differs structurally, in particular, the parameters of inductance and capacitance, for example, may have a different cross-section and the number of turns of the choke wire.

Индуктивная составляющая LC-фильтра, в частности дроссели 4, установлены в отдельном отсеке 3 ПЧ, с принудительным воздушным охлаждением, реализованным посредством, по меньшей мере, одного вентилятора 2 системы охлаждения ПЧ, а также воздуховодов, обеспечивающих направленный поток воздуха на обмотки дросселя, количество витков обмотки дросселя, также выбирается исходя из оптимизации охлаждения и габаритов.The inductive component of the LC filter, in particular the chokes 4, are installed in a separate compartment 3 of the inverter, with forced air cooling implemented by means of at least one fan 2 of the cooling system of the inverter, as well as air ducts that provide a directed air flow to the choke windings, the number of turns of the choke winding is also selected based on the optimization of cooling and dimensions.

Пассивный фильтр содержит, по меньшей мере, один индуктивный элемент (дроссель) с входной катушкой 7 индуктивности и резонансной катушкой 8, связанной с набором конденсаторов через блок контакторов 10.The passive filter contains at least one inductive element (choke) with an input inductor 7 and a resonant coil 8 connected to a set of capacitors through a contactor bank 10.

Входная катушка 7 выполнена с увеличенной индуктивностью, чем компенсируется необходимость использования дополнительных катушек, в частности, выходной катушки индуктивности. К выходу дросселя пассивного LC-фильтра подключен выпрямитель 9 ПЧ (фиг.3; 3.1). Данный вариант реализации позволяет уменьшить материалоемкость конструкции и затраты труда на ее изготовление.The input coil 7 is made with an increased inductance, which compensates for the need to use additional coils, in particular, an output inductor. To the output of the choke of the passive LC filter is connected the rectifier 9 of the inverter (Fig. 3; 3.1). This implementation option allows you to reduce the material consumption of the structure and labor costs for its manufacture.

Параметры конструкции заявляемого пассивного LC-фильтра заданы исходя из массогабаритных требований, а также показателей индуктивности сети, дисбаланса по напряжению питающей сети до 2%, напряжению короткого замыкания (Uk) 1,5-12%, а также учитывает возможные отклонения частоты питающей сети 50/60 Гц +- 1 Гц . При этом конструкция LC-фильтра позволяет обеспечить штатный режим работы оборудования при экстремальных граничных значениях указанных выше параметров. Например, для 6-пульсного ПЧ, при падении нагрузку на 30% от номинальной, обеспечивается КНИ (в литературе также известен как THD) в пределах 5%, для 12-пульсного ПЧ, данный показатель КНИ достигается при падении нагрузки до 75% от номинальной. The design parameters of the inventive passive LC filter are set based on the weight and size requirements, as well as the indicators of the network inductance, the unbalance in the supply voltage of up to 2%, the short-circuit voltage (Uk) of 1.5-12%, and also takes into account possible deviations in the frequency of the supply network 50 / 60 Hz + - 1 Hz. At the same time, the design of the LC filter allows ensuring the normal operation of the equipment at the extreme boundary values of the above parameters. For example, for a 6-pulse inverter, when the load drops by 30% of the nominal, THD (also known as THD in the literature) is provided within 5%, for a 12-pulse inverter, this THD is achieved when the load drops to 75% of the nominal ...

В частности, в заявленном варианте реализации пассивного LC-фильтра, значения параметров индуктивности и емкости элементов резонансного контура LC-фильтра, сформированного резонансной катушкой индуктивности 8 и блоком резонансных конденсаторов 5, установлены исходя из значения резонансной частоты, уменьшенного в пределах 0,5-1,5%. Также конструкция резонансной катушки индуктивности 8, а именно количество витков и сечение провода, формирующие совместно из сердечником дросселя 3 значение индуктивности резонансного контура, установлено по току, который равен 30-40% тока выпрямителя 9, установленного на выходе LC-фильтра.In particular, in the claimed embodiment of the passive LC filter, the values of the parameters of the inductance and capacitance of the elements of the resonant circuit of the LC filter formed by the resonant inductor 8 and the block of resonant capacitors 5 are set based on the value of the resonant frequency, reduced within 0.5-1 ,five%. Also, the design of the resonant inductor 8, namely the number of turns and the cross-section of the wire, which together form the inductance value of the resonant circuit from the choke core 3, is set at a current equal to 30-40% of the current of the rectifier 9 installed at the output of the LC filter.

Заявленная полезная модель обеспечивает решение поставленной технической задачи и достижение заявленного технического результата, позволяя адаптировать пассивный LC-фильтр к колебаниям частоты источника питания, например генератора, при падении нагрузки, что приводит оптимальным показателям амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ) в широком диапазоне изменения частоты, при выполнении требований по массогабаритным показателям и коэффициенту нелинейных искажений сети.The claimed utility model provides a solution to the technical problem and the achievement of the claimed technical result, allowing to adapt a passive LC filter to fluctuations in the frequency of a power source, for example, a generator, when the load drops, which leads to optimal indicators of the amplitude-frequency characteristic (AFC) in a wide frequency range, when meeting the requirements for weight and dimensions and the coefficient of nonlinear distortion of the network.

Claims

A passive LC filter adapted to the frequency fluctuations of the power source, which includes an inductive element in the form of a resonant choke with input and resonant inductors, capacitive elements in the form of a set of capacitors with contactors of the resonant circuit of an LC filter, installed in a separate protective module, characterized by the fact that that the inductance of the coils and the storage capacitance of the resonant circuit of the LC filter are set based on the value of the resonant frequency of the filtered higher harmonics reduced within 0.5-1.5%, while the inductance of the resonant circuit coils is proportional to the current, which is 30-40% of the rectifier current, installed at the outlet of the LC filter.