УСТРОЙСТВО ВОЛЬТ-ДОБАВКИ ЭЛЕКТРОСЕТИ
VOLTAGE ADDER IN ELECTRIC MAINS

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано преимущественно в сельской местности и пригородных садоводствах, электроснабжение которых осуществляется от трансформаторных подстанций (ТП) с достаточно протяженными воздушными линиями электропередачи, к концу которых сетевое напряжение недопустимо снижается, что нарушает качество предоставляемой услуги энергосбытовыми организациями.
Известны способы снижения энергопотерь при использовании длинных линий электропередачи путем увеличения сечения проводников трехфазной воздушной линии (ВЛ-0,4 кВ) или их запараллеливания. Используются также приемы выравнивания нагрузок на фазы в таких линиях. Кроме того, увеличивают напряжение на выходных цепях ТП выше заданного значения. Увеличение сечения проводников существенно увеличивает стоимость ВЛ-0,4 кВ, а повышение выходного напряжения в ТП нежелательно для близлежащих к ТП абонентов, так как по нормам допускается отклонение напряжения не более чем на +5% и -10%. Это значит, что при стандартном напряжении 220 В разброс напряжения для всех абонентов, обслуживаемых от ТП, определен пределами от 198 В до 231 В. При достаточно протяженных линиях ВЛ-0,4 кВ в конце таких линий напряжение падает до 170…180 В, и для выравнивания этого напряжения на конце линии хотя бы до 200 В приходится повышать напряжение на выходе ТП до 245 В, что недопустимо. Одним из способов устранения недопустимой неравномерности напряжения является установка двух одинаковых ТП с противоположных концов ВЛ-0,4 кВ. Однако это существенно увеличивает стоимость оборудования (стоимость ТП гораздо больше стоимости проводников с повышенным сечением, применяемых в ВЛ-0,4 кВ значительной протяженности). Одним из способов выравнивания сетевого напряжения в конце ВЛ-0,4 кВ является использование феррорезонансных или электронных стабилизаторов напряжения у абонентов, и это также заметно удорожает в целом систему энергоснабжения.
Заявляемое устройство по имеющимся сведениям не имеет аналогов в технической литературе (отсутствует прототип).
Целью изобретения является повышение переменного напряжения электросети для нагрузок абонента путем конвертирования реактивной энергии в активную.
Данная цель достигается в устройстве вольт-добавки электросети, состоящем из параллельно включенных к проводникам сети двух мостовых схем с разным направлением проводимости соответственно для положительных и отрицательных полупериодов переменного напряжения электросети, каждая из которых включает две цепи из последовательно связанных электролитического конденсатора и силового транзистора, причем свободные выводы конденсаторов первой и второй ветви каждой мостовой схемы включены соответственно к фазному и нулевому проводникам электросети, в диагоналях мостовых схем включены тиристоры, обеспечивающие последовательное включение конденсаторов каждой из мостовых схем к проводникам электросети во второй и четвертой четвертях периодов переменного напряжения соответственно для первой и второй мостовых схем, а управление работой транзисторов и тиристоров по заданному алгоритму осуществлено блоком управления транзисторами и тиристорами; кроме того, устройство может быть снабжено электронным заградителем обратного тока.
СДВ.
СДВ.,
и
Блок управления транзисторами и тиристорами двух мостовых схем включает две цепи формирования импульсов длительностью в четверть периода Т/4, совмещенных по времени с первой и третьей четвертями периода Т переменного напряжения электросети, входом подключенные к фазному проводнику последней; каждая из этих цепей состоит из последовательно соединенных регулируемого делителя напряжения, компаратора с прямым и инверсным выходами и первой и второй схем совпадения, к входам первой схемы совпадения первой цепи подключены прямой выход компаратора этой цепи и инверсный выход компаратора второй цепи, а к входам второй схемы совпадения второй цепи подключены прямой выход компаратора этой цепи и инверсный выход компаратора первой цепи, кроме того, вторая цепь включает регулируемую фазосдвигающую цепь для получения сдвига фазы фазного напряжения электросети на 90; выходы схем совпадений указанных двух цепей формирования подключены соответственно к третьей и четвертой схемам совпадений, вторые входы которых соединены с выходом D-триггера, входом, подключенным к выходу импульсного высокочастотного генератора с регулируемой частотой в диапазоне 2…10 кГц, выходы третьей и четвертой схем совпадений подключены к двум усилителям мощности с трансформаторными выходами, пары вторичных обмоток трансформаторов подключены к переходам «база-эмиттер» соответствующих силовых транзисторов двух мостовых схем; прямой и инверсный выходы второй схемы совпадений подключены соответственно к двум цепям формирования импульсов запуска тиристоров первой и второй мостовых схем соответственно в начале второй и четвертой четвертей периода с малым (порядка Δt=0,2…0.3 мс) временным сдвигом, каждая из которых включает последовательно соединенные формирователь короткого импульса фронта входных импульсов, генератор импульса временного сдвига Δt дополнительный формирователь короткого импульса фронта инвертированных импульсов временного сдвига, дополнительный генератор импульса запуска тиристоров необходимой длительности τ и усилитель мощности с трансформаторным выходом, обмотка которого подключена к управляющему электроду соответствующего тиристора мостовой схемы.
Устройство вольт-добавки электросети включено после прибора учета электроэнергии и устройства защиты абонента через электронный заградитель обратного тока, установленный в фазной цепи и содержащей две параллельно-встречно включенные цепи из силового транзистора и силового диода, первый из силовых транзисторов открывается только в течение первой четверти периода переменного напряжения, а второй - в течение третьей четверти периода последнего, для чего управляющие переходы «база-эмиттер» транзисторов подключены к трансформаторным импульсным усилителям мощности, входы которых соответственно подключены к выходам первой и второй схем совпадений блока формирования импульсов длительностью в четверть периода Т/4.
Достижение указанной цели объясняется запасанием электроэнергии в реактивных элементах - конденсаторах при их параллельном заряде в двух мостовых схемах соответственно в первой и третьей четвертях периода переменного напряжения электросети и их разряде во второй и четвертой четвертях периода при последовательном включении заряженных конденсаторов обратно в электросеть - к нагрузкам абонента, которая в эти интервалы времени отключается от линии электропередачи (ВЛ-0,4 кВ), связанной с трансформаторной подстанцией, с помощью электронного заградителя обратного тока. При этом первая мостовая схема работает в первом полупериоде сетевого напряжения, а вторая - во втором полупериоде. Использование двух мостовых схем, вместо одной, позволяет использовать малогабаритные электролитические униполярные конденсаторы, вместо более громоздких биполярных металлобумажных или пленочных импульсных конденсаторов, допускающих их перезаряд.
Схема заявляемого устройства представлена на рис.1. На рис.2 представлена функциональная схема блока управления транзисторами и тиристорами двух мостовых схем (рис.1). На рис.3 показана схема включения заявляемого устройства внутри помещения абонента с использованием электронного заградителя обратного тока. На рис.4 даны временные диаграммы напряжений в различных точках блока управления транзисторами и тиристорами (рис.2), а на двух рис.5а (б) и 5а(б)* показаны эпюры напряжения и тока в проводниках сети, непосредственно подключаемых к нагрузкам абонента при использовании электронного заградителя обратного тока в схеме на рис.3. На рис.6 дана принципиальная схема блока управления транзисторами и тиристорами с дополнениями на рис.6а и 6б.
Устройство вольт-добавки электросети (рис.1) состоит из следующих элементов:
1 и 2 - первого и второго конденсаторов соответственно первой и второй ветви первой мостовой схемы,
3 и 4 - первого и второго силовых транзисторов соответственно первой и второй ветви первой мостовой схемы,
3 - тиристора первой мостовой схемы,
6 и 7 - первого и второго конденсаторов соответственно первой и второй ветви второй мостовой схемы,
8 и 9 - первого и второго силовых транзисторов соответственно первой и второй ветви второй мостовой схемы,
10 - тиристора второй мостовой схемы,
11 - блока управления транзисторами и тиристорами двух мостовых схем.
Блок управления транзисторами и тиристорами (рис.2) содержит следующие узлы:
12 - первый регулируемый делитель напряжения сети,
13 - первый компаратор,
14 - первый инвертор,
15 - второй регулируемый делитель напряжения сети,
16 - регулируемую фазосдвигающую цепь на угол 90°±5°,
17 - второй компаратор,
18 - второй инвертор,
19 - вторую схему совпадений второй цепи формирования импульсов третьей четверти периодов сетевого напряжения, сдвинутого по фазе на 90°,
20 - первую схему совпадений первой цепи формирования импульсов первой четверти периодов сетевого напряжения,
21 - третий инвертор,
22 - третью схему совпадений,
23 - импульсный усилитель мощности для управления транзисторами 3 и 4 первой мостовой схемы,
24 - первый трансформатор с двумя раздельными выходными обмотками,
25 - четвертую схему совпадений,
26 - импульсный усилитель мощности для управления транзисторами 8 и 9 второй мостовой схемы,
27 - второй трансформатор с двумя раздельными выходными обмотками,
28 - регулируемый по частоте (в диапазоне 2…10 кГц) импульсный генератор,
29 - D-триггер (делитель частоты на два с получением импульсной последовательности со скважностью, равной двум),
30 - первый формирователь коротких импульсов от фронта инвертированных импульсов с выхода второй схемы совпадения 19 (см. рис.6 - фронт импульсов на рис.4г, что то же),
СДВ
31 - первый генератор импульсов временного сдвига Δt.,
32 - дополнительный формирователь коротких импульсов от фронта инвертированных импульсов с выхода первого генератора импульсов временного сдвига 31,
и
33 - первый генератор импульсов длительностью τ для управления тиристором 5 первой мостовой схемы,
34 - первый импульсный усилитель мощности для управления тиристором 5 первой мостовой схемы,
35 - третий трансформатор с одной выходной обмоткой,
36 - второй формирователь коротких импульсов от фронта невертированных (дважды инвертированных, включая инвертирование в 21) импульсов с выхода второй схемы совпадения 19 (также см. рис.6 - фронт импульсов на рис.4е, что то же),
СДВ
37 - второй генератор импульсов временного сдвига Δt.,
38 - дополнительный формирователь коротких импульсов от фронта инвертированных импульсов с выхода второго генератора импульсов временного сдвига 37,
и
39 - второй генератор импульсов длительностью х для управления тиристором 10 второй мостовой схемы,
40 - второй импульсный усилитель мощности для управления тиристором 10 второй мостовой схемы,
41 - четвертый трансформатор с одной выходной обмоткой,
42 - вторичный источник питания (+5 В и +15 В).
На рис.3 схема включения устройства (рис.1) к электросети абонента состоит из:
43 - расчетного счетчика абонента,
44 - приборов защиты (предохранителей-автоматов),
45 - первого усилителя мощности импульсов первой четверти периодов сетевого напряжения, снимаемых с выхода первой схемы совпадения 20 (рис.2),
46 - трансформатора первого усилителя 45,
47 - первого силового транзистора для работы первой мостовой схемы (рис.1),
48 - первого силового диода,
49 - второго усилителя мощности импульсов третьей четверти периодов сетевого напряжения, снимаемых с выхода второй схемы совпадения 19 (рис.2),
50 - трансформатора второго усилителя 49,
51 - второго силового транзистора для работы второй мостовой схемы (рис.1),
52 - второго силового диода,
53 - включенного в схему заявляемого устройства вольт-добавки,
54 - силовой розетки для подключения всех нагрузок абонента.
На рис.4 даны временные диаграммы, на которых представлено:
4а - исходное сетевое напряжение,
4б - сдвинутое по фазе на 90° сетевое напряжение,
4в - напряжение на прямом выходе первого компаратора 13,
4г - напряжение на прямом выходе второго компаратора 17,
4д - напряжение на инверсном выходе первого компаратора 13,
4е - напряжение на инверсном выходе второго компаратора 17, 4ж - напряжение на выходе второй схемы совпадений 19,
4з - напряжение на выходе первой схемы совпадений 20,
4и - короткие импульсы, привязанные к фронту инвертированных импульсов на выходе второй схемы совпадений 19, образующиеся на выходе первого формирователя 30,
4к - короткие импульсы, привязанные к фронту инвертированных в третьем инверторе 21 инвертированных импульсов на выходе второй схемы совпадений 19, образующиеся на выходе второго формирователя 36,
4л - импульсы запуска тиристора 5 первой мостовой схемы, 4м - импульсы запуска тиристора 10 второй мостовой схемы.
На рис.5 указаны эпюры напряжения (рис.5а) и тока (рис.5б) в проводниках электросети, связанных с устройством вольт-добавки электросети при подключении в схему соединений (рис.3) электронного заградителя обратного тока. Такое напряжение действует в розетке 54 абонента, в его нагрузках. Указанный на рис.5б ток протекает в фазном проводнике устройства вольт-добавки. Рисунки 5а и 5б представлены в двух возможных вариантах функционирования заявляемого устройства - при прерывании тока заряда конденсаторов мостовых схем в первой и третьей четвертях периода или без такого прерывания (такие рисунки отмечены звездочкой *). Режим с прерываниями зарядного тока на этих рисунках помечен пунктирной кривой, а без прерывания - сплошной кривой.
На рис.6 приведена принципиальная схема блока управления, включающая регулируемую фазосдвигающую RC-цепочку, делители уровней гармонических сигналов, поступающих на входы двух компараторов с прямыми и инвертирующими выходами, формирователи импульсов первой и третьей четвертей периодов сетевого напряжения, формирователи импульсов включения транзисторов и формирователи импульсов запуска тиристоров (ФИЗТ) первой и второй мостовых схем, регулируемый генератор высокочастотных импульсов (РГВИ) и вторичный источник питания (ВИП).
На рис.6а приведена принципиальная схема ФИЗТ-1 (то же для ФИЗТ-2), а на рис.6б - принципиальная схема РГВИ.
Весь блок управления содержит шесть цифровых микросхем К555ЛАЗ, две схемы К155ЛА7 с открытым коллекторным выходом, четыре аналоговых микросхемы К174УНЗ с известной стандартной схемой включения с дополнительными элементами (не указаны на рис.6), четыре транзистора КТ315Б, четыре транзистора КТ819А и четыре маломощных диода КД513, а также стандартные элементы во вторичном источнике питания (схема ВИП не приводится), вырабатывающем напряжение +5 В с током 0,2 А и +15 В с током 6 А, а также переменное напряжение, сфазированное с сетевым, с амплитудой напряжения 20 В.
Блок выполняется на небольшой печатной плате. Транзисторы КТ819А установлены на радиаторных пластинах для их охлаждения. В схеме ВИП также используется радиатор силового транзистора, например, типа КТ820А в электронном стабилизаторе на напряжение +15 В. Стабилизатор на +5 В может быть выполнен на микросхеме К142ЕН1.
Рассмотрим действие заявляемого устройства.
Действие устройства (рис.1) основано на одновременном заряде конденсаторов 1 и 2 первой мостовой схемы через открытые транзисторы 3 и 4 в первой четверти периода сетевого напряжения с последующим подключением этих конденсаторов последовательно с помощью тиристора 5, открываемого в начале второй четверти периода импульсом запуска, при котором удвоенное напряжение от заряженных конденсаторов создает протекание обратного тока в проводники сети. То же самое происходит во второй мостовой схеме: в третьей четверти периода одновременно заряжаются конденсаторы 6 и 7 через открытые транзисторы 8 и 9, а в начале четвертой четверти периода они включаются последовательно тиристором 10 и разряжаются обратно в сеть. При этом в качестве конденсаторов обеих мостовых схем используются электролитические конденсаторы, имеющие меньший вес и габариты, но работающие в униполярном режиме заряд-разряда (применение биполярных конденсаторов возможно при одной мостовой схеме). Работой по включению и выключению транзисторов и тиристоров управляет специальный блок 11, синхронизируемый сетевым напряжением.
Блок управления транзисторами и тиристорами, функциональная схема которого приведена на рис.2, может работать в двух режимах - с высокочастотным прерыванием тока заряда указанных конденсаторов 1 и 2 в первой мостовой схеме в первой четверти периода, а также конденсаторов 6 и 7 во второй мостовой схеме в третьей четверти периода, а также в режиме заряда указанных конденсаторов без прерывания. Отметим, что прерывание зарядного тока конденсаторов целесообразно при использовании в ТП электросчетчиков индукционного типа при подключении заявляемого устройства непосредственно к линии электропередачи, что дополнительно снижает показания таких электросчетчиков при учете израсходованной абонентами электроэнергии. Об аппаратном выполнении переключения режимов заряда конденсаторов (с прерыванием и без прерывания) будет сообщено дополнительно.
Кроме того, заявляемое устройство может или должно быть дополнительно снабжено схемой (рис.3), заграждающей протекание обратного тока при разряде последовательно включаемых конденсаторов во второй и четвертой четвертях периода в воздушную линию электропередачи (ВЛ-0,4 кВ), то есть за пределы обслуживаемой зоны абонента, - в варианте относительно маломощного устройства (сотни ватт) для нужд конкретного пользователя, а также без применения этой схемы электронного заграждения, если устройство является мощным (десятки киловатт) и устанавливается, например, в конце протяженной ВЛ-0,4 кВ для компенсации потерь в этой линии электропередачи. Во втором указанном варианте представленный на рис.3 электросчетчик 43 и прибор защиты 44 являются атрибутами трансформаторной подстанции (ТП), а не абонента, и в этом случае подключение заявляемого устройства непосредственно к ВЛ-0,4 кВ приводит к занижению показаний прибором учета электроэнергии, расположенном на ТП, что может быть интерпретировано как снижение технических потерь на линии электропередачи при полном сохранении сбора абонентской платы за израсходованную ими электроэнергию.
Транзистор 47 этой схемы (рис.3) заграждения обратного тока в ВЛ-0,4 кВ открывается только в течение первой четверти периода, а транзистор 51 открывается только в течение третьей четверти периода сетевого напряжения. Это определяется также работой блока управления транзисторами и тиристорами (рис.2) согласно указанных пунктиром связей А* и В* на рис.3. Нагрузки абонента при наличии данной схемы должны быть подключены к разъему 54. При этом напряжение на нагрузках абонента несколько возрастает (в виде вольт-добавки) по сравнению с напряжением на ВЛ-0,4 кВ в месте подключения к ней абонента.
Рассмотрим работу блока управления транзисторами и тиристорами (рис.2).
Синусоидальное напряжение сети от фазного проводника поступает на первый регулируемый делитель 12 и на регулируемую фазосдвигающую RC-цепочку 16 со вторым регулируемым делителем 15 напряжения, сдвигаемого по фазе на 90±5°. Эти два напряжения соответственно подаются на входы компараторов - первого 14 и второго 17, снабженных дополнительно инверторами 14 и 18. Выходы первого компаратора 13 и второго инвертора 18 подаются на входы первой схемы совпадений 20, формирующей импульсы первой четверти периодов синусоидального напряжения сети (сигналы А*). Выходы второго компаратора 17 и первого инвертора 14 подаются на входы второй схемы совпадений 19, формирующей импульсы третьей четверти периодов синусоидального напряжения сети (сигналы В*).
Выход первой схемы совпадения 20 подключен к первой цепи формирования импульсов отпирания транзисторов 3 и 4 первой мостовой схемы в течение первой четверти периодов синусоидального напряжения сети, состоящей из последовательно включенных третей схемы совпадений 22, импульсного усилителя мощности 23 и первого трансформатора 24 с ферритовым сердечником, имеющим две раздельные выходные обмотки, подключаемые соответственно к переходам «база-эмиттер» транзисторов 3 и 4.
Выход второй схемы совпадений 19 подключен ко второй цепи формирования импульсов отпирания транзисторов 8 и 9 второй мостовой схемы в течение третьей четверти периодов синусоидального напряжения сети. Эта цепь включает аналогичные вышеуказанным элементам первой цепи формирования - элементы 25, 26 и 27.
СДВ
и
Выход второй схемы совпадения дополнительно подключен к третьему инвертору 21, при этом импульсы с выхода второй схемы совпадений 20 и третьего инвертора 21 поступают соответственно на формирователи коротких (50 мкс) фронтальных импульсов 30 и 36 первой и второй цепей формирования импульсов запуска тиристоров 5 и 10 соответственно в начале второй и четвертой четвертей периодов синусоидального напряжения сети, в течение которых последовательно соединяемые соответствующими тиристорами конденсаторы разряжаются обратно в электрическую сеть абонента. Эти цепи включают последовательно соединенные первый 31 и второй 37 генераторы импульсов временного сдвига на величину Δt. (0,2…0,3 мс), дополнительные формирователи коротких фронтальных импульсов 32 и 38, аналогичных по конструкции элементам 30 и 36, первый 33 и второй 39 генераторы импульсов запуска тиристоров 5 и 10 длительностью τ (порядка 0,5 мс) и первый 34 и второй 40 усилители мощности с трансформаторами 35 и 41, выходные обмотки которых соединены с управляющими переходами тиристоров 5 и 10, которые остаются после их запуска открытыми в течение соответственно второй и четвертой четверти периодов синусоидального напряжения сети, а закрываются автоматически после снижения разрядного тока до некоторой минимальной величины в соответствии с принципом действия тиристоров.
На вторые входы третьей и четвертой схем совпадения 22 и 25 поступает импульсный сигнал (с логическими уровнями 0 и 1) с выхода D-триггера 29, к входу которого подключен регулируемый по частоте (в диапазоне 2…10 кГц) импульсный генератор 28. В режиме заряда конденсаторов мостовых схем с высокочастотным прерыванием тока заряда (на частоте 1…5 кГц) формируемые в цепи из элементов 28 и 29 импульсы со скважностью q=2 поступают на вторые входы третьей 22 и четвертой 25 схем совпадений (как указано на рис.2), а в режиме без прерываний тока заряда указанных конденсаторов вторые входы схем совпадений 22 и 25 подключают к логическому уровню 1 путем либо отключения этих вторых входов от выхода D-триггера 29, либо их соединением с источником напряжения +4 В через резисторы 1 кОм (эта коммутация не показана на рис.2).
Работу узлов блока управления 11 обслуживает встроенный в него вторичный источник питания (ВИП), вырабатывающий стабилизированные напряжения +5 В и +15 В.
<mover accent="true"><mi>A</mi><mo>¯</mo></mover>
<mover accent="true"><mi>B</mi><mo>¯</mo></mover>
<mrow><mi>A</mi><mo>∗</mo><mover accent="true"><mi>B</mi><mo>¯</mo></mover></mrow>
<mrow><mover accent="true"><mi>A</mi><mo>¯</mo></mover><mo>∗</mo><mi>B</mi><mo>,</mo></mrow>
и
На рис.4а и 4б показаны синусоидальные колебания, сдвинутые по фазе на 90 между собой и прикладываемые ко входам первого 14 и второго 17 компараторов, на прямом и инвертирующем выходах которых образуются импульсные последовательности, представленные на рис.4в - 4е, обозначенные соответственно как логические уровни 1 для А и В и логические 0 для
и
(черточки сверху означают логическое отрицание). Схемы совпадений 20 и 19 формируют на своих выходах логические функции соответственно
и
что соответствует формированию на их выходах импульсов для соответственно первой и третьей четвертей периодов синусоидального напряжения сети, указанных на рис.4ж и 4з. Формирование коротких (50 мкс) фронтальных импульсов для импульсных последовательностей, показанных на рис.4 г и 4е, изображено на рис.4и и 4к, что эквивалентно действию дифференцирующих цепей с выделением в них только положительных перепадов дифференцируемого импульса. С помощью генераторов временного сдвига 31 и 37 и дополнительных формирователей коротких импульсов 32 и 38 образуются импульсы, воздействующие на генераторы запускающих тиристоры импульсов длительностью τ (порядка 0,5 мс), представленных на рис 4л и 4м, которые несколько сдвинуты (на 0,2…0,3 мс) относительно начал второй и четвертой четвертей периодов синусоидального напряжения сети. Этот временной сдвиг необходим для повышения надежности операции закрытия транзисторов мостовых схем перед тем, как откроются тиристоры 5 и 10.
Представленные на рис.5а и 5б, а также на рис.5а* и 5б* эпюры напряжений и фазных токов в электросети при действии заявляемого устройства характеризуют два режима использования последнего - с высокочастотным прерыванием зарядного тока конденсаторов 1, 2, 6 и 7 мостовых схем и без такого прерывания зарядного тока. Видно, что во второй и четвертой четвертях напряжение импульсно удваивается, а затем спадает сложным образом, что образует некоторой величины AU амплитуду вольт-добавки результирующего несинусоидального напряжения, что и является целью изобретения. Важно при этом отметить, что ток в фазном проводнике изменяет по отношению к напряжению свой знак на обратный, возвращая накопленную в конденсаторах энергию обратно в сеть в течение второй и четвертой четвертей периодов, независимо от выбранного режима работы устройства - с прерыванием или без прерывания зарядного тока конденсаторов мостовых схем.
Практическая реализация блока управления транзисторами и тиристорами показана на рис.6 и на дополнительных к нему рис.ба и рис.6б. Эта схема является простой в реализации и использует небольшое число широко известных элементов. Микросхемы К555ЛАЗ реализуют четыре логических операции 2И-НЕ, микросхема К155ЛА7 реализует две логические операции 4И-НЕ и имеет открытые коллекторные выходы, повышающие нагрузочную способность этой микросхемы.
Рассмотрим действие схемы включения заявляемого устройства (рис.1 и рис.2) к электросети, представленной на рис.3, в двух режимах использования - внутри помещения абонента при сравнительно небольшой мощности заявляемого устройства (до 300 Вт) и в режиме обслуживания конечных потребителей электроэнергии для протяженной линии электропередачи с потерями, то есть при большой мощности устройства (до 10 кВт). В последнем случае подключение входного электрического разъема устройства показано на рис.3 пунктиром.
В режиме облуживания заявляемым устройством индивидуального абонента в его доме или квартире устройство снабжается дополнительной схемой заграждения утечки обратного в сеть тока, с целью увеличения среднего действующего напряжения в обслуживаемой зоне данного абонента. Эта схема включает две цепи управления силовыми транзисторами 47 и 51 с последовательно включенными к ним силовыми диодами 48 и 52 из первого 45 и второго 49 усилителей мощности (аналогичных усилителям мощности 22, 29, 34 и 40) с выходными трансформаторами 46 и 50 (предпочтительно с железными сердечниками, так как эти трансформаторы передают импульсы длительностью 5 мс с частотой 50 имп/с). Действие данной схемы сводится к пропусканию тока только в первой и третьей четвертях периодов синусоидального напряжения сети. Управление таким процессом организуется по логическим сигналам А* и В* с выходов первой 20 и второй 19 схем совпадений (рис.2).
В режиме обслуживания нескольких абонентов, достаточно сильно удаленных от ТП протяженной линии электропередачи (до нескольких километров) схема преграждения обратного тока не используется, и заявляемое устройство подключается непосредственно к линии электропередачи (например, располагается в защищенном корпусе на теле конечной опоры ВЛ-0,4 кВ). В этом случае имеет место занижение показаний расчетного счетчика 43, установленного вместе с прибором защиты 44 внутри корпуса ТП, что может быть представлено в отчетности энергоснабжающей организации как благоприятное снижение технических потерь в линии электропередачи при полном сборе оплаты с абонентов такой линии за израсходованную ими электроэнергию.
Рассмотрим энергетическую картину от применения заявляемого устройства в варианте относительно небольшой его мощности, то есть применительно к использованию устройства индивидуальными абонентами.
Средняя мощность Р заряда двух конденсаторов 1 и 2 в первой четверти периода и конденсаторов 6 и 7 в третьей четверти периода определяется формулой:
О
O
O
O
2
2
2
2
P=2W/T=2(CU /2)/Т=С U /Т, где 1/Т=F - частота сетевого напряжения. Очевидно, что и средняя мощность разряда этих последовательно включенных конденсаторов также равна Р, так как в этом случае Р=(С/2) (2U)/2 Т=С U /Т. То есть энергия циркулирует в сети в прямом и обратном направлении в одинаковых количествах с двойной частотой сети, как это имеет место при подключении к ней одного какого-либо конденсатора (чисто реактивной нагрузки), что общеизвестно. Соблюдается закон сохранения энергии.
O
O
Однако при разряде обратно в сеть форма напряжения в ней во второй и четвертой четвертях периода существенно изменяется наличием выброса с удвоенной амплитудой 2U, как это видно из эпюры 5а (или 5а*), вследствие чего среднее значение напряжения на конце линии электропередачи возрастает на некоторую достаточно сложно вычисляемую величину ΔU<<U, при рассмотрении мгновенного значения зарядного тока i(t) в фазном проводнике во временных интервалах 0≤t≤Т/4 (и Т/2≤t≤3Т/4) по каждому из периодов синусоидального напряжения сети, величину которого можно найти вычислением интегрального уравнения вида (для зарядного тока в первой четверти периода):
<mrow><mi>i</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mo>=</mo><mrow><mo>[</mo><mrow><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>U</mi><mi>O</mi></msub><mo>/</mo><mi>r</mi><mo stretchy="false">)</mo><mi>sin</mi><mtext> </mtext><mi>ω</mi><mi>t</mi><mo>−</mo><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo>/</mo><mi>r</mi><mi>C</mi><mo stretchy="false">)</mo><mstyle displaystyle="true"><mrow><munderover><mo>∫</mo><mn>0</mn><mi>t</mi></munderover><mrow><mi>i</mi><mo stretchy="false">(</mo><mi>t</mi><mo stretchy="false">)</mo><mi>d</mi><mi>t</mi></mrow></mrow></mstyle></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>*</mo><mrow><mo>[</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><mi>exp</mi><mo stretchy="false">(</mo><mo>−</mo><mi>t</mi><mo>/</mo><mi>r</mi><mi>C</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow>
О
H
где U - амплитуда напряжения однофазной сети, r - сопротивление линии электропередачи (обычно не более 1 Ома для протяженной линии длиной около 1 км применительно к однофазной линии электропередачи) при условии, что r<<R - сопротивление нагрузки линии. Это способствует увеличению качества поставляемой электроэнергии абонентам, находящимся на значительном удалении от ТП при нагруженности линии электропередачи. Нарушение гармонического характера переменного напряжения, действующего в активных нагрузках абонентов (приборы освещения, нагревательные и бытовые приборы - телевизоры, холодильники и т.д.), не приводит к нарушениям функционирования этих нагрузок.
Существенно отметить, что искажение исходной формы переменного напряжения во второй и четвертой частях периода не нарушает действия данного устройства, поскольку формирование сигналов управления транзисторами и тиристорами сохраняется в силу того, что компараторы схемы не чувствительны к форме напряжения внутри компарируемого временного интервала.
Рассмотрим пример реализации относительно маломощного устройства.
O
O
O
2
2
6
Пусть напряжение на конце линии электропередачи падает до величины 180 В. Тогда его амплитуда равна U=1,41*180=254 В, и начальное напряжение разряда последовательно включенных тиристором 5 конденсаторов 1 и 2 первой мостовой схемы равно 2 U=508 В (при этом тиристор должен выбираться класса 6…10). Учитывая наличие выброса напряжения в сети в течение второй и четвертой четвертях периода, можно опытно определить среднее повышение амплитудного значения напряжения в сети на величину AU в зависимости от потребляемой мощности абонентом вблизи конца линии электропередачи, например, равную AU=30 В. Тогда среднее действующее напряжение на конце линии электропередачи поднимется со 180 В до 201 В. При снижении абонентской нагрузки величина этого напряжения может дополнительно вырасти, дойти до нормы в 220 В и даже несколько выше этой нормы. Таким образом, подбирая величину емкости С конденсаторов 1 и 2 в первой мостовой схеме и конденсаторов 6 и 7 во второй, можно установить требуемое среднее действующее напряжение в конце линии электропередачи, оперируя статистическими сведениями о величине нагрузки данного абонента - потребителя электроэнергии, расположенного вблизи конца линии. Например, при мощности потребления 300 Вт емкость С всех накопительных конденсаторов двухмостового устройства должна быть выбрана равной: С=Р/U F=300/2*180*50=92,5*10Ф=92,5 мкФ. Например, следует для этой потребляемой мощности использовать конденсаторы с емкостью не менее 100 мкФ на рабочее напряжение 350 В электролитического типа (танталовые ЭТО, К-52-2 и др.) при действующем значении напряжения на конце линии электропередачи порядка 180 В (без применения данного устройства).
При такой величине мощности Р≤300 Вт в качестве транзисторов 3, 4, 8 и 9 можно использовать n-p-n транзисторы КТ812А, при существенно большей мощности Р следует использовать разработанные в ООО «Промтехнология» (г.Воронеж) силовые транзисторы типа ТКД265-100-6-1 (стоимостью по 902 р./шт.) и тиристоры типа Т-151-160 класса не ниже 6-го (с допустимым напряжением до 600 В).
При использовании электролитических конденсаторов существенно сокращаются габариты и вес всего устройства. Возможно, однако, построение устройства по одномостовой схеме с применением биполярных импульсных конденсаторов 1 и 2 с четверкой силовых транзисторов, в которой пары силовых транзисторов включены параллельно-встречно своими переходами «коллектор-эмиттер», а вместо тиристоров применяется один симистор. Так? для маломощного устройства (до 300 Вт) может быть использован симистор ТС-112-16 6-го класса, а для мощных устройств - симистор типа ТС-151-160 или ТС242-80.
Для трехфазных сетей необходимо использовать соответственно три одинаковых по конструкции устройства, работающих от трех фаз с напряжением 220 В, то есть с использованием нулевой шины в случае применения в устройствах электролитических конденсаторов с рабочим напряжением до 350 В, или с междуфазным напряжением 380 В при использовании биполярных конденсаторов (например, типа К-75) в одномостовых схемах с рабочим напряжением конденсаторов до 1000 В.
Заявляемое устройство найдет широкое применение среди населения, особенно в сельских местностях и садоводческих товариществах, где нередко можно фиксировать значительное снижение напряжения электросети для удаленных от ТП пользователей.