ВТОРИЧНЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ С ОТБОРОМ МОЩНОСТИ ОТ ТОКА ФАЗНОГО ПРОВОДА
SECONDARY POWER SUPPLY WITH POWER TAKE-OFF FROM PHASE CONDUCTOR CURRENT

Изобретение относится к области электротехники, в частности к вторичным источникам питания.
8
Известен вторичный источник питания с отбором мощности от тока фазного провода, содержащий трансформатор тока, первичная обмотка которого включена между источником питания и его нагрузкой, а вторичная обмотка через выпрямитель каскадно соединена с параллельно включенным конденсатором и нагрузкой преобразователя (патент РФ №2326479, МПК Н02Н 03/08 (2006/01), опубл. 10.06.2008 г.). К вторичной обмотке трансформатора тока встречно-параллельно включены два тиристора, управляющие электроды каждого из которых соединены с анодами тиристоров через включенные последовательно диод и стабилитрон.
Недостатком преобразователя является низкий уровень напряжения, формируемого на нагрузке, и сложность конструкции ввиду необходимости размещения первичной обмотки внутри кольцевой катушки трансформатора тока.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является вторичный источник бесперебойного питания с отбором мощности от тока фазного провода, содержащий первичный преобразователь в виде трансформатора тока, первичная обмотка которого включена в цепь фазного провода, трансформатор напряжения, первичная обмотка которого подключена к вторичной обмотке трансформатора тока, а вторичная обмотка подключена ко входу выпрямительного диодного моста с сглаживающей емкостью. Выходные зажимы выпрямительного диодного моста подключены к входным зажимам стабилизатора напряжения, выполненного по схеме DC-DC конвертора. Выходные зажимы DC-DC конвертора подключены к включенным параллельно нагрузке источника питания и аккумуляторной батарее (см. Бунин А.В., Вишняков С.В., Геворкян В.М., Казанцев Ю.А. и др. Проблема создания источника питания автономного комплексного измерительного устройства высокого напряжения. Тезисы доклада. Труды. XXII Международная конференция «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты» МКЭЭЭ-2008, Крым, Алушта, 24 сентября - 4 октября 2008 г. Секция 2 - Электромеханика, с.297-298.
Недостатком такого вторичного источника бесперебойного питания является сложность конструкции ввиду необходимости размещения первичной обмотки внутри кольцевой катушки трансформатора тока.
Технической задачей предлагаемого изобретения является упрощение конструкции и повышение коэффициента полезного действия вторичного источника питания с отбором мощности от тока фазного провода.
Решение этой задачи достигается тем, что известный вторичный источник бесперебойного питания с отбором мощности от тока фазного провода, содержащий первичный преобразователь, выпрямительный диодный мост с сглаживающей емкостью, выходные зажимы которого подключены к входным зажимам стабилизатора напряжения, выполненного по схеме DC-DC конвертора, а выходные зажимы DC-DC конвертора подключены к включенным параллельно нагрузке источника питания и аккумуляторной батарее, снабжен неполярным конденсатором, первичный преобразователь выполнен в виде незамкнутого магнитопровода, образованного n размещенными параллельно протяженными пластинами из трансформаторной стали толщиной d, установленными одна на другой и изолированными друг от друга, число n целое число и определяет поперечное сечение S≈n×d незамкнутого магитопровода, на котором расположена многовитковая проводящая обмотка, соединенная последовательно с неполярным конденсатором и подключенная к входным зажимам выпрямительного диодного моста, причем емкость неполярного конденсатора определяет реактивное сопротивление на частоте фазного тока, равное по модулю реактивному сопротивлению многовитковой проводящей обмотки, незамкнутый магнитопровод размещен на удалении h от фазного провода, которое определяется формулой
0
r
B
где ω - круговая частота тока в проводе; µµ - магнитная проницаемость материала магнитопровода; S - площадь поперечного сечения незамкнутого магнитопровода; I - сила тока в фазном проводе; s - площадь поперечного сечения провода многовитковой проводящей обмотки; σ - проводимость провода многовитковой проводящей обмотки; W - число витков провода многовитковой проводящей обмотки; l - длина одного витка провода многовитковой проводящей обмотки; Р - мощность вторичного источника бесперебойного питания; α - угол между направлением продольной оси незамкнутого магнитопровода и направлением касательной к окружности, которая проходит через точку положения центра симметрии незамкнутого магнитопровода, центр которой на оси провода и которая лежит в плоскости, перпендикулярной оси провода.
Сущность технического решения поясняется чертежом, на котором показана схема вторичного источника бесперебойного питании с отбором мощности от тока фазного провода.
Вторичный источник бесперебойного питания с отбором мощности от тока фазного провода 1 содержит первичный преобразователь 2, выпрямительный диодный мост 3 с сглаживающей емкостью, выходные зажимы которого подключены к входным зажимам стабилизатора напряжения 4, выполненного по схеме DC-DC конвертора, а выходные зажимы DC-DC конвертора подключены к включенным параллельно нагрузке 5 заявляемого источника и аккумуляторной батарее 6. Первичный преобразователь 2 выполнен в виде незамкнутого магнитопровода 7, образованного n размещенными параллельно протяженными пластинами 8 трансформаторной стали толщиной d, установленными одна на другой и изолированными друг от друга, например, диэлектрической пленкой 9. Число n целое и определяет поперечное сечение S≈n×d незамкнутого магнитопровода 7. На незамкнутом магитопроводе 7 размещена многовитковая проводящая обмотка 10, соединенная последовательно с неполярным конденсатором 11 и подключенная к входным зажимам выпрямительного диодного моста 3, незамкнутый магнитопровод 7 размещен на удалении h от фазного провода 1, которое определяется формулой
,
0
rэ
B
где ω - круговая частота тока в фазном проводе 1; µµ - магнитная проницаемость материала незамкнутого магнитопровода 7; S - площадь поперечного сечения незамкнутого магнитопровода 7; I - сила тока в фазном проводе 1; s - площадь поперечного сечения провода многовитковой проводящей обмотки 10; σ - проводимость провода многовитковой проводящей обмотки 10; W - число витков провода многовитковой проводящей обмотки 10; l - длина витка провода многовитковой проводящей обмотки 10; Р - мощность вторичного источника бесперебойного питания; α - угол между направлением продольной оси незамкнутого магнитопровода 7 и направлением касательной 12 к окружности 13, которая проходит через точку положения центра симметрии незамкнутого магнитопровода 7, центр которой на оси фазного провода 1 и которая лежит в плоскости, перпендикулярной оси фазного провода 1.
Вторичный источник бесперебойного питания работает следующим образом.
Ток, протекающий в фазном проводе 1, наводит на выходных зажимах многовитковой проводящей обмотки 10, размещенной на незамкнутом магнитопроводе 7, напряжение U, определяемое в соответствии с законом Фарадея формулой:
0
rэ
где ω - круговая частота тока в фазном проводе 1; µµ - магнитная проницаемость материала незамкнутого магнитопровода 7; S - площадь поперечного сечения незамкнутого магнитопровода 7; I - сила тока в фазном проводе 1; W - число витков провода многовитковой проводящей обмотки 10; α - угол между направлением продольной оси незамкнутого магнитопровода 7 и направлением касательной 11 к окружности 12, которая проходит через точку положения центра симметрии незамкнутого магнитопровода 7, центр которой на оси фазного провода 1 и которая лежит в плоскости, перпендикулярной оси фазного провода 1. Выполнение незамкнутого магнитопровода 7 из n размещенных параллельно протяженных пластин 8 трансформаторной стали толщиной d, установленных одна на другой и изолированных друг от друга, например, диэлектрической пленкой 9 позволяет повысить значение наведенного напряжения U, при одновременном уменьшении вихревых токов и, соответственно, уменьшении их вклада в величину внутреннего сопротивления первичного преобразователя 2. Это позволяет увеличить значение максимальной полезной мощности Р, отдаваемой таким преобразователем в нагрузку, которой является выпрямительный диодный мост 3 с сглаживающей емкостью. В зависимости от требуемой максимальной полезной мощности выбирается необходимое расстояние между фазным проводом 1 и незамкнутым магнитопроводом 7, а также взаимная ориентация их продольных осей в соответствии с формулой:
0
rэ
B
где ω - круговая частота тока в фазном проводе 1; µµ - магнитная проницаемость материала незамкнутого магнитопровода 7; S - площадь поперечного сечения незамкнутого магнитопровода 7; I - сила тока в фазном проводе 1; s - площадь поперечного сечения провода многовитковой проводящей обмотки 10; σ - проводимость провода многовитковой проводящей обмотки 10; W - число витков провода многовитковой проводящей обмотки 10; l - длина витка провода многовитковой проводящей обмотки 10; Р - мощность вторичного источника бесперебойного питания; α - угол между направлением продольной оси незамкнутого магнитопровода 7 и направлением касательной 12 к окружности 13, которая проходит через точку положения центра симметрии незамкнутого магнитопровода 7, центр которой на оси фазного провода 1 и которая лежит в плоскости, перпендикулярной оси фазного провода 1. Очевидно, что наибольшую мощность с первичного преобразователя 2 при прочих равных его параметрах удается снять при угле α=90°. Неполярный конденсатор 11, включенный последовательно с многовитковой проводящей обмоткой 10 и через нее подключенный к входным зажимам выпрямительного диодного моста 3, позволяет скомпенсировать реактивную составляющую мощности за счет реализации режима последовательного резонанса в цепи первичного преобразователя 2. Режим резонанса достигается за счет того, что емкость неполярного конденсатора 11 определяет реактивное сопротивление на частоте фазного тока, равное по модулю реактивному сопротивлению многовитковой проводящей обмотки 10.
Поставленная техническая задача - упрощение конструкции вторичного источника бесперебойного питания с отбором мощности тока фазного провода достигнута за счет конструкции первичного преобразователя, которая рассчитана на размещение на удалении от фазного провода и без механического воздействия на него. Реализация режима последовательного резонанса в цепи первичного преобразователя повышает коэффициент полезного действия вторичного источника бесперебойного питания с отбором мощности тока фазного провода.
2
2
r
rэ
Вторичный источник бесперебойного питания с отбором мощности тока фазного провода 1 при токе в нем I=500 А, круговой промышленной частоте ω=314 рад/с, высоте подвеса фазного провода h≈10 м, площади сечения незамкнутого магнитопровода 7S≈25 см, выполненного из пермаллоя с начальной относительной магнитной проницаемостью µ≈10000 и с учетом размагничивания - µ≈300; числе витков обмотки 10, равном W=7200, сечении медного провода многовитковой проводящей обмотки 10, равного 2,0 мм - обеспечивает максимум 12,5 Вт выходной мощности бесперебойного источника питания при напряжении 15 В. Этой мощности достаточно для обеспечения работы, например, маломощных первичных датчиков и систем радиоканальной передачи данных.
Применение вторичного источника бесперебойного питания с отбором мощности от тока фазного провода позволяет обеспечить устойчивый режим питания автономных автоматических измерительных устройств, размещенных под потенциалом земли вблизи проводов высоковольтных линий.