Podręcznik
4. Składowe symetryczne w układach trójfazowych
4.7. Filtr składowej zgodnej i przeciwnej prądów liniowych
Spośród wielu istniejących rozwiązań filtru składowych zgodnych i przeciwnych prądu omówimy układ uniwersalny, który w zależności od doboru parametrów może pełnić rolę bądź filtru składowej zgodnej bądź przeciwnej. Schemat układu filtru przedstawiony jest na rys. 4.6.
Rys. 4.6 Schemat filtru składowej zgodnej i przeciwnej prądów liniowych
W filtrze zastosowane są również przekładniki prądowe. Załóżmy, że uwzględniamy impedancję Zp amperomierza pomiarowego. Dodatkowym założeniem jest zasilanie trójprzewodowe odbiornika trójfazowego, dla którego słuszna jest relacja \(I_A+I_B+I_C=0\). Na podstawie prawa napięciowego Kirchhoffa dla oczka zaznaczonego na rysunku możemy napisać
| \(Z_AI_{ZA}+Z_CI_{ZC}+Z_pI_p=0\) | (4.17) |
Prądy IZA oraz IZC można wyznaczyć z prądowego prawa Kirchhoffa jako
| \(I_{ZA}=kI_A+I_p\) | (4.18) |
| \(I_{ZC}=kI_C+I_p\) | (4.19) |
Podstawiając powyższe zależności do napięciowego prawa Kirchhoffa otrzymuje się
| \(I_p=-k\frac{Z_AI_A+Z_CI_C}{Z_A+Z_C+Z_p}\) | (4.20) |
Prądy przewodowe podlegające rozkładowi na składowe symetryczne, wobec zerowania się składowej zerowej, można zapisać w postaci
| \(I_A=I_1+I_2\) | (4.21) |
| \(I_C=aI_1+a^2I_2\) | (4.22) |
Po podstawieniu tych wyrażeń do wzoru na prąd Ip otrzymuje się
| \(I_p=-k\frac{I_1\left(Z_A+aZ_C\right)+I_2\left(Z_A+a^2Z_C\right)}{Z_A+Z_C+Z_p}\) | (4.23) |
Wzór powyższy wskazuje na to, że prąd pomiarowy przy odpowiednim doborze impedancji może być proporcjonalny zarówno do składowej zgodnej jak i przeciwnej. Jeśli chcemy mierzyć składową zgodną prądów, należy wyzerować czynnik stojący przy prądzie składowej przeciwnej, to jest
| \(Z_A+a^2Z_C=0\) | (4.24) |
Wystarczy w tym celu dobrać impedancje w taki sposób, aby
| \(Z_A=-a^2Z_C=\left(0,5+j\frac{\sqrt3}{2}\right)Z_C\) | (4.25) |
Istnieje wiele rozwiązań tego równania. Wystarczy przyjąć na przykład
| \(Z_C=R\) | (4.26) |
| \(Z_A=\frac{R}{2}+j\sqrt3\frac{R}{2}\) | (4.27) |
Oznacza to, że przy wyborze impedancji ZA i ZC określonych powyższymi wzorami (impedancja ZC jest rezystancją a impedancja ZA połączeniem szeregowym rezystancji R/2 i indukcyjności o reaktancji \(X_L=\sqrt3\frac{R}{2}\)) amperomierz wskaże prąd proporcjonalny do składowej zgodnej prądów liniowych, przy czym
| \(I_p=-\frac{\frac{R}{2}+j\sqrt3\frac{R}{2}-\frac{R}{2}+j\sqrt3\frac{R}{2}}{\frac{R}{2}+j\sqrt3\frac{R}{2}+R+Z_p}kI_1\) | (4.28) |
Po uproszczeniu wzoru otrzymuje się
| \(I_p=-\frac{j\sqrt3R}{R\sqrt3e^{j\pi/6}+Z_p}kI_1\) | (4.29) |
Jeśli zaniedbamy impedancję wewnętrzną amperomierza pomiarowego otrzymamy
| \(I_p=kI_1e^{j\pi/3}\) | (4.30) |
Wskazanie amperomierza występującego w filtrze (moduł mierzonego prądu) jest więc równe modułowi składowej zgodnej prądów liniowych układu, z uwzględnieniem przekładni k przekładnika prądowego.
W analogiczny sposób można otrzymać filtr składowej przeciwnej prądów. W tym celu należy wyzerować czynnik przy składowej zgodnej prądów we wzorze (4.23), czyli
| \(Z_A+aZ_C=0\) | (4.31) |
Warunek ten może być spełniony przy wyborze
| \(Z_C=R\) | (4.32) |
| \(Z_A=-aZ_C=\frac{R}{2}-j\sqrt3\frac{R}{2}\) | (4.33) |
Oznacza to, że dla uzyskania filtru składowej przeciwnej należy wybrać impedancję ZC równą rezystancji R natomiast ZA będącą połączeniem szeregowym rezystancji R/2 oraz reaktancji pojemnościowej \(X_C=\sqrt3\frac{R}{2}\). Prąd mierzony przez amperomierz będzie teraz równy
| \(I_p=-\frac{\frac{R}{2}-j\sqrt3\frac{R}{2}-\frac{R}{2}-j\sqrt3\frac{R}{2}}{\frac{R}{2}-j\sqrt3\frac{R}{2}+R+Z_p}kI_2\) | (4.34) |
Po uproszczeniu wzoru otrzymuje się
| \(I_p=-\frac{-j\sqrt3R}{R\sqrt3e^{-j\pi/6}+Z_p}kI_2\) | (4.35) |
Jeśli zaniedbamy impedancję wewnętrzną amperomierza pomiarowego otrzymamy
| \(I_p=kI_2e^{-j\pi/3}\) | (4.36) |
Wskazanie amperomierza filtru (moduł wartości skutecznej zespolonej) jest więc równe modułowi składowej przeciwnej prądów liniowych układu, z uwzględnieniem przekładni k przekładnika prądowego.