Схема преобразования, распределения и потребления электроэнергии

Полезная модель относится к силовой электротехнике, а именно к области полупроводниковой преобразовательной техники (силовой электроники), и может быть использована при питании от трехфазной сети для получения выпрямленного напряжения с двенадцатью пульсациями за период питающей сети для питания промышленной нагрузки и линий электропередач постоянного тока.
Для оценки новизны заявленного решения рассмотрим ряд известных технических средств аналогичного назначения, характеризуемых совокупностью сходных с заявленным устройством признаков.
Известен полупроводниковый выпрямитель по патенту РФ №176888, содержащий два трехфазных стержневых трансформатора, первичные обмотки которых подключены к питающей сети, первичная обмотка одного трансформатора имеет соединение звездой, первичная обмотка другого трансформатора имеет соединение в треугольник, все вторичные обмотки подключены к выпрямительным мостам, соединенным последовательно, и отличающийся тем, что каждый трансформатор имеет две вторичные обмотки звездой, при соотношении числа витков упомянутых вторичных обмоток в каждом трансформаторе, приближенно равном 3,85.
Из уровня техники известны многофазные полупроводниковые выпрямители, представляющие один из самых распространенных видов статических преобразователей электроэнергии. В основе всех классических выпрямителей лежит использование многофазных выпрямительных мостов с использованием полупроводниковых приборов с односторонней проводимостью, объединенных в анодную и катодную группу. При этом качество выходного напряжения определяется главным образом числом пульсаций за период питающей сети, пропорциональным числу фаз выпрямляемого напряжения.
Наиболее распространенной является двенадцатиимпульсная схема выпрямления, основанная на комбинации соединения вторичных обмоток силового трансформатора звездой и треугольником, что обеспечивает фазовый сдвиг. Упомянутая схема нашла наибольшее распространение для питания линий электропередач постоянного тока, а также в промышленных выпрямителях. Однако качество выходного напряжения двенадцатиимпульсной схемы недостаточно высоко, и во многих случаях требует дополнительной фильтрации (сглаживания), увеличивающей габариты установки.
Известен статический двенадцатиимпульсный выпрямитель по патенту РФ №144830, предназначенный для питания силовых промышленных электроустановок и линий электропередач постоянного тока, содержащий два последовательно включенных трехфазных выпрямительных моста, один из которых выполняется на неуправляемых вентилях, другой выполнен на управляемых вентилях, оба выпрямительных моста питаются от отдельных трехфазных вторичных обмоток трансформатора, отличающийся тем, что вторичные трехфазные обмотки имеют коэффициенты трансформации, в соотношении которых лежит натуральное число е, при этом вторичная обмотка управляемого моста имеет число витков в 2,71 раза меньшее, и имеют одинаковую схему включения - "звездой", а управляемый мост формирует 6 пульсаций выпрямленного напряжения, состоящих из фрагментов фронтов полуволн, коммутируемых в моменты равенства фронтов модулей полуволн напряжения разных фаз, нарастающий и спадающий фронты при этом чередуются, и сдвинутых относительно пульсаций неуправляемого выпрямительного моста на угол π/6, при этом на выходе выпрямителя образуется суммарное напряжение, имеющее 12 симметричных пульсаций за период питающей сети, достигаемых при минимально возможном общем числе витков вторичных обмоток трансформатора, что позволяет получить выигрыш по массогабаритным показателям выпрямительной установки, снизить непроизводительные затраты электроэнергии, а благодаря значительному уменьшению числа витков обмотки управляемого моста улучшить электромагнитную совместимость устройства с питающей сетью.
Основной недостаток данного технического решения, принятого нами за прототип, равно как и другой существующей преобразовательной техники, применяемой в осветительных установках, заключается в неоптимальной структуры преобразования электроэнергии. Осветительные приборы питаются переменным напряжением, что приводит к необходимости применения импульсных преобразователей для питания светодиодов в осветительных приборах, широко применяемых в системах освещения. Импульсные преобразователи являются источниками электромагнитных помех и низконадежным элементом в составе осветительного прибора, в силу особенностей своей схемотехники (наличия в конструкции низконадежных компонентов, таких как электролитические конденсаторы; и наличия каскадов работающих в жестких условиях (ударные токи, высокая плотность тока, выбросы напряжения, локальный перегрев) - ключевые силовые цепи).
Задачей полезной модели является создание схема преобразования, распределения и потребления электроэнергии, отличающейся оптимальной структуры преобразования электроэнергии, характеризующейся отсутствием низконадежных элементов и высоким КПД.
Сущность заявленного технического решения выражается в следующей совокупности существенных признаков, достаточной для решения указанной заявителем технической проблемы и получения обеспечиваемого полезной моделью технического результата.
Согласно полезной модели схема преобразования, распределения и потребления электроэнергии, включающая трансформатор и выпрямитель, характеризуется тем, что трансформатор выполнен в виде параметрического трансформатора с возможностью преобразования трехфазного переменного напряжения в шестифазное напряжение с одновременной стабилизацией выходного напряжения, защитой от перенапряжения на входе и перегрузок на выходе и с двусторонней фильтрацией помех, а выпрямитель выполнен в виде двенадцатиимпульсного выпрямителя на диодах Шоттки с возможностью обеспечения на его выходе постоянного стабилизированного напряжение до 1000В для питания полезной нагрузки с высоким КПД.
Заявленная совокупность существенных признаков обеспечивает достижение технического результата, который заключается в том, что в заявленной схеме реализуется комплексный подход к преобразованию электроэнергии, с исключением всех негативных составляющих обычных схем. Отсутствие жестких режимов работы (ударные токи, высокая плотность тока, выбросы напряжения, локальный перегрев), максимально возможное сокращение количества преобразований, низкие рабочие токи, минимальное количество компонентов.
Сущность заявляемого технического решения поясняется чертежом, на котором представлена функциональная схема заявленного устройства.
Заявленная схема преобразования, распределения и потребления электроэнергии включает параметрический трансформатор 1, двенадцатиимпульсный выпрямитель 2 и полезную нагрузку, например, в виде осветительных приборов 3.
Заявленная схема работает следующим образом.
Входное переменное трехфазное напряжение в параметрическом трансформаторе 1 преобразуется в шестифазное напряжение. Одновременно параметрический трансформатор выполняет функции стабилизации выходного напряжения, защиты от перенапряжения на входе, перегрузок на выходе и двусторонней фильтрации помех.
Далее шестифазное выходное напряжение параметрического трансформатора 1 с помощью двенадцатиимпульсного выпрямителя 2 на диодах Шоттки преобразуется в постоянное напряжение достаточно высокого уровня для минимизации токовых потерь (на практике до 1000В), которое применяется для распределения в распределительной сети постоянного напряжения с малыми потерями.
Осветительные приборы 3 питаются постоянным напряжением, при этом их токи питания низкие, что в совокупности с применением линейных стабилизаторов тока с высоким КПД, позволяет получить высокий КПД и высокую надежность системы в целом.