Источник с рекуперацией мощностей высших гармоник
SOURCE WITH RECUPERATION OF POWER OF HIGHER HARMONICS

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в качестве источника переменного тока с высоким КПД и синусоидальной формой напряжения.
Известен источник с рекуперацией энергии, содержащий последовательно соединенные: аккумуляторную батарею, шины постоянного тока, инвертор, трехфазный фильтр, содержащий LC-конторы пятой и седьмой гармоник и клеммы для подключения нагрузки, при этом указанный фильтр каждой из фаз содержит согласующий трансформатор, первичная обмотка которого включена между соответствующими выходом инвертора и клеммой для подключения нагрузки, а вторичная обмотка подключена к блоку последовательно соединенных LC-контуров пятой и седьмой гармоник, при этом каждый из контуров содержит параллельно соединенные конденсатор и двухобмоточный дроссель, включенный по трансформаторной схеме, первичная обмотка которого подключена к указанному конденсатору, а вторичная обмотка указанного дросселя подключена ко входу соответствующего выпрямителя, выход которого подсоединен шинам постоянного тока [1]. Данный источник нашел широкое применение в системах автономного электроснабжения объектов как эффективное устройство преобразования постоянного тока в переменный, поскольку он имеет повышенный КПД и квазисинусоидальную форму напряжения, однако в нем учитываются только две гармоники при рекуперации мощности, что не позволяет существенно подзаряжать аккумуляторную батарею за счет мощности всех нечетных высших гармоник, в том числе третьей и всех кратных трем.
Техническим результатом изобретения является обеспечение подзаряда аккумуляторной батареи за счет мощности всех высших гармоник до 39-й включительно.
Технический результат достигается за счет того, что в источнике с рекуперацией мощности высших гармоник, содержащим последовательно соединенные: аккумуляторную батарею, шины постоянного тока, инвертор, трехфазный фильтр, содержащий LC-контуры для гармоник и клеммы для подключения нагрузки, при этом указанный фильтр в каждой из фаз содержит согласующий трансформатор, первичная обмотка которого включена между соответствующими выходом инвертора и клеммой для подключения нагрузки, а вторичная обмотка подключена к блоку последовательно соединенных LC-контуров гармоник, при этом каждый из контуров содержит параллельно соединенные конденсатор и первичную обмотку двухобмоточного дросселя, включенного по трансформаторной схеме, а вторичная обмотка указанного дросселя подключена ко входу соответствующего выпрямителя, выход которого подсоединен к шинам постоянного тока. Инвертор генерирует напряжение прямоугольной формы, блок фильтров содержит число контуров в каждой фазе для гармоник с номерами от 3-й до 39-й, а дроссели, выполненные по трансформаторной схеме произведены с различными коэффициентами трансформации, при этом любой указанный коэффициент определяется из математического выражения:
ф.иν
ф
п
ф
ф.иν
где U - действующее значение фазного напряжения инвертора по ν-й гармонике; U - действующее значение фазного напряжения, зависящие от напряжения подзаряда батареи, при этом  а  где U - напряжение названной батареи, причем U=const для каждой гармоники, a U зависит от номера гармоники, вследствие чего величина указанного коэффициента изменяется пропорционально увеличению номера гармоники, при этом между шинами постоянного тока установлен сглаживающий полярный конденсатор.
На чертеже представлена структурная схема источника с рекуперацией мощностей высших гармоник.
Источник содержит аккумуляторную батарею 1, шины постоянного тока 2, инвертор 3, фильтр гармоник 4 (показан только для фазы С), содержащий согласующий трансформатор 4-1, блок последовательно соединенных LC-контуров 4-2, причем каждый из контуров содержит конденсатор (не обозначен) и параллельно подключенную к нему первичную обмотку дросселя, включенного по трансформаторный схеме (не обозначен), при этом вторичные обмотки дросселей (не обозначены) подключены ко входам соответствующих выпрямителей (не обозначены) блока выпрямителей 5, выходы указанных выпрямителей (не обозначены) подключены к шинам постоянного тока 2, причем первичная обмотка (не обозначена) согласующего трансформатора 4-1 фильтра гармоник 4 (фаза С) включена между выходом инвертора 3 (не обозначен) и соответствующей клеммой для подключения нагрузки 6.
Произведем оценку коэффициента трансформации включенного трансформаторного дросселя фильтра гармоник 4, поскольку от его величины зависит уровень напряжения подзаряда  Если считать, что мгновенное значение выходного напряжения описывается выражением [2]:
m
которое можно считать в соответствии с теорией теоретических основ электротехники обычным выражением, содержащим амплитуду U и фазу (выражение в скобках), которую можно приравнять к единице для упрощения дальнейших рассуждений.
Тогда с учетом принятого амплитуда будет равна
Зная амплитуду напряжения, можно найти действующее значение напряжения инвертора
Данное напряжение фазы инвертора образует падение напряжения на всех первичных обмотках дросселей, включенных по трансформаторной схеме, т.е.
где ν - номер гармоники.
сх υ
Поскольку напряжения на первичных обмотках указанных дросселей определены, то можно найти напряжения на вторичных обмотках названных дросселей, учитывая особенности однофазный мостовой схемы выпрямления, для которой коэффициент схемы по напряжению К равен
cp
ф
п.з
где U - среднее значение выпрямленного напряжения; U - фазное напряжение выпрямителя, определяемое величиной U.
Зная действующие значения на первичных и вторичных обмотках дросселей с трансформаторным включением, можно найти коэффициент трансформации указанных дросселей для любого дросселя n,
п
Анализ полученного равенства показывает, что в данной дроби числитель изменяется в соответствии с номерами гармоник: от 3-й до 39-й, а знаменатель является числом постоянным для всех дросселей и изменяется только при смене величины U.
Таким образом доказано, что мощность инвертора повышается из-за возврата мощности гармоник; влияние высших гармоник на потребители переменного тока отсутствует и подзаряд аккумуляторной батареи осуществляется, т.е. КПД инвертора растет с ликвидацией каждой гармоники.
Источник работает следующим образом.
В статическом режиме аккумуляторная батарея 1 выдает напряжение на шины постоянного тока 2, к которым подключен трехфазный инвертор 3, в котором постоянный ток батареи преобразуется в трехфазный переменный ток заданной частоты и прямоугольной формы. Указанное напряжение содержит первую, третью, пятую, седьмую, девятую и т.д. до 39-й гармоники, каждая из которых учитывается в схеме, при этом ток фазы протекая по первичной обмотке (не обозначена) согласующего трансформатора 4-1 фильтра гармоник 4, создает магнитный поток, под действием которого во вторичной обмотке (не обозначена) находится ЭДС. Указанная ЭДС прикладывается к блоку последовательно соединенных LC-контуров 4-2 и в каждом из контуров возникает напряжение с частотой 150 Гц в первом, 250 Гц во втором, 350 Гц в третьем и т.д. до 19-го контура, где частота ЭДС будет ровна 1950 Гц. Под действием токов, протекающих в первичных обмотках (не обозначены) под действием указанных ЭДС создаются в каждом сердечнике дросселей с трансформаторным включением магнитные потоки, образующие во вторичных обмотках указанных трансформаторов ЭДС, подаваемые на входы (не обозначены) соответствующих выпрямителей: 5-1, 5-2, …, 5-n, где n=19. В указанных выпрямителях переменное напряжение различных частот преобразуется в постоянное, причем средние значения выпрямленных напряжений всех выпрямителей равны, а коэффициенты пульсаций и частоты пульсаций неодинаковы [2].
Основным критерием равенства средних значений выпрямленных напряжений является значение напряжения подзаряда батареи 1.
Для получения качества напряжения пульсаций, а именно, уменьшение пульсаций и снижение частот пульсаций между шинами постоянного тока 2 установлен сглаживающий полярный конденсатор [2].
Расчеты показывают, что если произвести возврат мощности третьей гармоники и всех кратных трем, полезная мощность увеличивается почти на 18%, в то время как возврат мощности всех нечетных высших гармоник от 3-й до 39-й, в соответствии с рекомендациями ГОСТ-13109-97, обеспечивает увеличение полезной мощности более чем на 40%. Таким образом в предложенной схеме устройства выполняются три функции: нейтрализуются все высшие гармоники, одновременно возрастает КПД инвертора и увеличивается время разряда батарей не менее чем на 20%.
Источники информации
[1]. Патент РФ № 2377710 HO2М 3/02, НО 7/42. Источник переменного напряжения с рекуперацией энергии / Н.П. Кириллов и др. / Заяв. 2008150730/09 от 23.12.2008. Опубл. 27.12.2009. Бюл. № 36.
[2]. Рязанов Ю.К., Рябчинский М.В., Кваснюк Н.А. Силовая электроника. М., МЭИ. 2009. 632 с.