СИСТЕМА ГЕНЕРИРОВАНИЯ ВЫХОДНОЙ МОЩНОСТИ И СООТВЕТСТВУЮЩЕЕ ПРИМЕНЕНИЕ
SYSTEM FOR OUTPUT POWER GENERATION AND CORRESPONDING APPLICATION

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области сбора электрической мощности. В частности, изобретение относится к системе для извлечения мощности из электрических проводников и к ее применению.
Уровень техники
Распределение энергии является ключевой частью современной инфраструктуры. Электроэнергия часто передается по линиям электропередачи. Как правило, это линии электропередачи, несущие переменный ток под высоким напряжением. Поскольку линии электропередачи обычно проходят на большие расстояния, может быть важным следить за их работой дистанционно. Это может позволить операторам обнаруживать любые потенциальные неисправности и запускать диагностику, определять проблемы удаленно и/или точно их локализовывать перед тем, как приступить к ремонту.
Обследование и диагностику линий электропередачи можно успешно выполнять с помощью устройств, получающих мощность напрямую от линий электропередачи. Это позволяет таким устройствам обходиться без встроенного источника питания, такого как аккумуляторная батарея и тому подобное, и обеспечивает эффективный способ контроля линий.
В данной области техники известны некоторые такие устройства. Например, патент США 4,746,241 раскрывает модули, которые установлены на силовых проводниках с обеих сторон силовых трансформаторов на электрических подстанциях и на силовых проводах вдоль линий электропередачи. Данные модули способны измерять ток, напряжение, частоту и коэффициент мощности.
Кроме того, в заявке на патент США 2004/0183522 А1 раскрыто устройство для измерения тока в линии электропередачи энергосистемы, а также системы, включающие в себя данное устройство.
Аналогично, в заявке на патент США 2010/0084920 А1 раскрыт харвестер с трансформатором тока, способный получать мощность от проводника существующей электрической сети.
Однако, хотя уровень техники может быть удовлетворительным для некоторых применений, он имеет определенные недостатки и ограничения. Например, мощность, генерируемая для дополнительного оборудования, может быть недостаточно большой и/или может не контролироваться соответствующим образом. Кроме того, срок службы рассматриваемых устройств может быть далеким от оптимального.
В свете вышесказанного целью настоящего изобретения является преодоление или, по меньшей мере, уменьшение недостатков и ограничений уровня техники. Таким образом, целью настоящего изобретения является обеспечение системы и ее применения для генерирования мощности на основе тока в проводе, причем эта система и применение усовершенствованы в отношении генерирования мощности, управления генерированием мощности и срока службы. Настоящее изобретение отвечает этим целям.
Раскрытие сущности изобретения
В первом аспекте настоящее изобретение относится к системе генерирования выходной мощности постоянного тока (DC) из переменного тока (АС) в первичном проводе. Система содержит по меньшей мере один сердечник, выполненный с возможностью размещения вокруг первичного провода, и по меньшей мере одну вторичную обмотку, расположенную вокруг по меньшей мере одного сердечника, причем каждая обмотка вместе с по меньшей мере одним сердечником и первичным проводом образует блок трансформатора тока, при этом каждая вторичная обмотка имеет первый конец и второй конец. Система дополнительно содержит, для каждой вторичной обмотки, выпрямитель, выполненный с возможностью преобразования переменного тока в постоянный ток, при этом каждый выпрямитель содержит два АС-соединения для переменного тока и два DC-соединения для постоянного тока, причем первый конец и второй конец вторичной обмотки подключены к АС-соединениям выпрямителя. Система дополнительно содержит, для каждой вторичной обмотки, шунтирующий блок, расположенный и предназначенный для закорачивания концов вторичной обмотки. Кроме того, система может содержать элемент нагрузки, причем элемент нагрузки подключен к DC-соединению каждого выпрямителя. Иначе говоря, элемент нагрузки подключен к стороне DC-соединения каждого выпрямителя.
Такая система может соответствовать вышеуказанным целям. Проще говоря, вышеуказанная система обеспечивает одну или более вторичных обмоток, которые могут преобразовывать переменный ток (АС) в первичном проводе (таком как провод линии электропередачи) в переменный ток вторичной обмотки. Таким образом, каждая такая вторичная обмотка может обеспечивать переменный ток вторичной обмотки. Переменный ток (АС) от каждой такой вторичной обмотки может быть преобразован в постоянный ток (DC) соответствующим выпрямителем. При соединении вместе все выпрямителей на их стороне постоянного тока, генерируемый постоянный ток и их соответствующее напряжение постоянного тока можно сложить вместе. Когда на стороне постоянного тока присутствует нагрузка или вторичная нагрузка, это может использоваться для генерирования напряжения постоянного тока и, следовательно, выходной мощности постоянного тока.
Таким образом, обеспечивается соответствующая система электропитания, которую можно применять для питания, например, оборудования для обследования. В частности, настоящее техническое решение позволяет генерировать достаточно большую мощность.
Кроме того, следует понимать, что каждый шунтирующий блок позволяет шунтировать определенную вторичную обмотку, то есть закорачивать ее конец. Таким образом, такая шунтированная вторичная обмотка не будет участвовать в генерировании мощности. Это обеспечивает возможность надлежащего (а в некоторых вариантах осуществления также: автоматического) управления выходной мощностью, что также может повысить эффективность и срок службы системы и подключенного к ней дополнительного оборудования.
Иначе говоря, в изобретении используется один или множество трансформаторов тока, закрепленных на одном и том же фазном проводе, с целью максимального сбора электрической энергии из электромагнитного поля, окружающего фазный провод. Кроме того, изобретение может регулировать и контролировать сбор энергии «высокой мощности» независимо от баланса между доступным током фазного провода и потребностью в выходной мощности. Кроме того, изобретение может динамически (посредством шунтирующих блоков) включать трансформаторы тока или отдельные вторичные обмотки в схему сбора электроэнергии и/или исключать из нее.
По меньшей мере одна вторичная обмотка может представлять собой множество вторичных обмоток.
DC-соединения выпрямителей, которые подключены к элементу нагрузки, могут быть подключены параллельно.
Таким образом, выходная мощность сбора электроэнергии от множества трансформаторов тока может суммироваться без влияния трансформаторов тока на электрические характеристики друг друга.
Система может быть выполнена с возможностью генерирования по меньшей мере 30 Вт мощности, предпочтительно по меньшей мере 50 Вт, например, по меньшей мере 60 Вт.
То есть рассматриваемая система может сгенерировать более 60 Вт стабильной мощности постоянного тока из электромагнитного поля, окружающего фазный провод.
Сердечник может представлять собой трансформаторный сердечник, выполненный с возможностью индуцирования тока во вторичных обмотках.
Каждый выпрямитель может быть выпрямительным мостом.
Для каждой вторичной обмотки, вторичная обмотка и шунтирующий элемент могут быть расположены на первой стороне выпрямителя, а элемент нагрузки может быть расположен на второй стороне выпрямителя, причем вторая сторона противоположна первой стороне.
Следует понимать, что «расположение» на одной стороне выпрямителя (например, выпрямительного моста) обозначает местоположение в электрической цепи. То есть, когда говорится, что два компонента расположены на одной стороне блока (например, выпрямительного моста), это означает, что ток может протекать между этими двумя компонентами без необходимости прохождения через выпрямительный мост. Если говорится, что один элемент расположен на противоположной стороне блока по отношению к другому элементу, ток не может протекать между этими элементами без прохождения через блок. Понятно, что первая сторона также может упоминаться как сторона переменного тока (АС), а вторая сторона также может упоминаться как сторона постоянного тока (DC).
Вторичные обмотки на первой стороне могут быть связаны друг с другом не напрямую.
Каждый выпрямитель может содержать множество полевых МОП-транзисторов, например, по меньшей мере 4 полевых МОП-транзистора, например, 4 полевых МОП-транзистора.
Понятно, что полевой МОП-транзистор обозначает полевой транзистор «металл-оксид-полупроводник» (MOSFET, metal-oxide-semiconductor field-effect transistor). Применение таких полевых МОП-транзисторов, например, вместо диодов может быть предпочтительным. Такие полевые МОП-транзисторы могут создавать очень низкое сопротивление электронного тракта вместо большого падения напряжения на кремнии, как делают обычные диоды, что приводит к «холодному выпрямлению». То есть можно уменьшить тепловыделение (что может привести к увеличению срока службы) и уменьшить потери энергии в электронных схемах. Таким образом, настоящая система может регулировать и контролировать сбор энергии «высокой мощности» без сопровождения высокими потерями мощности и высоким тепловыделением в схеме регулирования мощности. Иными словами, система может представлять собой «холодную» схему выпрямления на основе полевых МОП-транзисторов в выпрямительных мостах вместо диодов, что снижает или исключает потери мощности и связанное с этим тепловыделение.
По меньшей мере один полевой МОП-транзистор может иметь сопротивление менее 50 мОм, предпочтительно менее 10 мОм, более предпочтительно менее 4 мОм.
Каждый шунтирующий блок может содержать по меньшей мере два полевых МОП-транзистора. В частности, система может содержать оптически управляемую пару полевых МОП-транзисторов в качестве токового шунта постоянного тока и переменного тока для каждого из трансформаторов тока и/или каждой отдельной вторичной обмотки. Применение полевых МОП-транзисторов также для шунтирующего компонента может иметь преимущества, соответствующие тем, которые рассматривались выше в связи с полевыми МОП-транзисторами, используемыми для выпрямителя.
Шунтирующий блок может иметь сопротивление менее 50 мОм, предпочтительно менее 15 мОм, более предпочтительно менее 10 мОм.
Система может дополнительно содержать токочувствительный элемент для измерения тока.
Токочувствительный элемент может быть соединен последовательно со вторичной обмоткой.
Токочувствительный элемент может быть расположен на первой стороне выпрямителя.
Токочувствительный элемент может быть гальванически изолирован.
Токочувствительный элемент может иметь сопротивление менее 5 мОм, предпочтительно менее 1 мОм, более предпочтительно менее 0,7 мОм. Опять же, наличие низкого сопротивления может снизить потери мощности и тепловыделение, что приводит к снижению энергопотребления и повышению эффективности и срока службы.
Система может дополнительно содержать, для каждого шунтирующего блока, контроллерный блок шунта для управления состоянием соответствующего шунтирующего блока.
Каждый контроллерный блок шунта может содержать по меньшей мере один оптически изолированный драйвер полевого МОП-транзистора.
Каждый контроллерный блок шунта может включать в себя входной сигнал состояния уровня напряжения и может быть выполнен с возможностью управления состоянием соответствующего шунтирующего блока в зависимости от входного сигнала состояния уровня напряжения.
Каждый входной сигнал состояния уровня напряжения может быть основан на напряжении на элементе нагрузки.
Каждый контроллерный блок шунта может включать в себя входной тактовый сигнал, при этом каждый контроллерный блок может быть выполнен с возможностью изменения состояния соответствующего шунтирующего блока только в зависимости от входного тактового сигнала.
Каждый контроллерный блок шунта может содержать триггер-защелку D-типа.
Каждый контроллерный блок шунта может быть выполнен с возможностью изменения состояния соответствующего шунтирующего блока только в зависимости от измеренного тока.
Измеренный ток может быть переменным током, при этом каждый контроллерный блок может быть выполнен с возможностью изменения состояния соответствующего шунтирующего блока только при состояниях пересечения нуля переменного тока.
Единственное изменение состояния соответствующего шунтирующего блока (то есть, с закороченного на незакороченное, или наоборот) может быть предпочтительным, поскольку таким образом предотвращаются скачки напряжения, которые могут повредить схему. Поэтому переключение только в состоянии пересечения нуля может улучшить работу и срок службы системы.
Система может дополнительно содержать элемент обнаружения пересечения нуля для обнаружения состояний пересечения нуля измеряемого тока.
В частности, система может использовать синхронную схему шунтирования на полевом МОП-транзисторе с пересечением нуля.
Элемент обнаружения пересечения нуля может содержать датчик тока на эффекте Холла.
Система может дополнительно содержать управляющий блок системы, причем данный управляющий блок системы выполнен с возможностью генерирования входных сигналов состояния уровня напряжения (логическое состояние высокое или низкое) для каждого контроллерного блока шунта в зависимости от напряжения на элементе нагрузки.
Управляющий блок системы может быть выполнен таким образом, что: чем выше напряжение на элементе нагрузки, тем больше входных сигналов состояния уровня напряжения, выдающих соответствующим контроллерным блокам шунтов команды на закорачивание соответствующих шунтирующих блоков, генерируется управляющим блоком системы.
Это может быть подходящим автоматическим управлением.
Управляющий блок системы может быть выполнен с возможностью выдавать контроллерному блоку шунта команды на активацию и деактивацию шунтирующего блока импульсным способом.
Система может быть выполнена для первичного провода, несущего по меньшей мере 100 ампер, предпочтительно по меньшей мере 300 ампер, более предпочтительно по меньшей мере 1500 ампер.
Система может содержать по меньшей мере 1 вторичную обмотку, предпочтительно по меньшей мере 5, например, 6.
Указанный по меньшей мере один сердечник может представлять собой множество сердечников, причем число сердечников может быть равно числу вторичных обмоток, при этом каждая вторичная обмотка может быть расположена вокруг отдельного сердечника.
Альтернативно, по меньшей мере две вторичные обмотки могут быть расположены вокруг одного и того же сердечника.
Настоящее изобретение также относится к применению раскрытой выше системы.
Первичный провод может представлять собой высоковольтную линию электропередачи, при этом по меньшей мере один из сердечников может быть размещен вокруг первичного провода.
Первичный провод может проводить ток, составляющий по меньшей мере 100 ампер, предпочтительно по меньшей мере 300 ампер, более предпочтительно по меньшей мере 1500 ампер.
Применение может включать в себя генерирование выходной мощности, используемой оборудованием для обследования высоковольтной линии электропередачи.
Применение может включать в себя изменение контроллерными блоками состояния их соответствующих шунтирующих блоков только при состояниях пересечения нуля переменного тока.
Для первой вторичной обмотки, соответствующий шунтирующий блок может закорачивать концы упомянутой первой вторичной обмотки, когда напряжение на элементе нагрузки превышает первое пороговое значение.
Для второй вторичной обмотки, соответствующий шунтирующий блок может закорачивать концы указанной второй вторичной обмотки, когда напряжение на элементе нагрузки превышает второе пороговое значение.
Для дополнительной вторичной обмотки, соответствующий шунтирующий блок может периодически закорачивать концы указанной дополнительной вторичной обмотки, когда напряжение на элементе нагрузки превышает дополнительное пороговое значение.
Рассматриваемая система может быть выполнена с возможностью применения, как рассмотрено выше.
Настоящее изобретение также определяется следующими пронумерованными вариантами осуществления.
Ниже приведен перечень вариантов осуществления системы. Они будут обозначены буквой «S». Когда бы ни рассматривались эти варианты осуществления, это будет сделано путем рассмотрения «S» вариантов осуществления. И всякий раз, когда в настоящем документе рассматриваются варианты осуществления системы, подразумеваются варианты осуществления, обозначенные буквой «S».
S1. Система генерирования выходной мощности постоянного тока из переменного тока (103) в первичном проводе (3), причем система содержит:
по меньшей мере один сердечник (104), выполненный с возможностью размещения вокруг первичного провода (3);
по меньшей мере одну вторичную обмотку (22, 24), расположенную вокруг по меньшей мере одного сердечника (104), причем каждая вторичная обмотка (22, 24) вместе с по меньшей мере одним сердечником (104) и первичным проводом (3) образует блок трансформатора тока, при этом каждая вторичная обмотка (22, 24) имеет первый конец и второй конец;
выпрямитель (10) для каждой вторичной обмотки (22, 24), причем каждый выпрямитель (10) выполнен с возможностью преобразования переменного тока в постоянный ток, при этом каждый выпрямитель (10) содержит два АС-соединения для переменного тока и два DC-соединения для постоянного тока, причем первый конец и второй конец вторичной обмотки (22, 24) подключены к АС-соединениям выпрямителя (10);
шунтирующий блок для каждой вторичной обмотки (22, 24), расположенный и выполненный с возможностью закорачивания концов вторичной обмотки (22, 24); и
элемент (6) нагрузки, причем элемент (6) нагрузки подключен к DC-соединению каждого выпрямителя (10).
S2. Система по предыдущему варианту осуществления, в которой по меньшей мере одна вторичная обмотка (22, 24) представляет собой множество вторичных обмоток (22, 24).
S3. Система по предыдущему варианту осуществления, в которой DC-соединения выпрямителей (10), которые подключены к элементу (6) нагрузки, соединены параллельно.
S4. Система по любому из предыдущих вариантов осуществления, причем данная система выполнена с возможностью генерирования по меньшей мере 30 Вт мощности, предпочтительно по меньшей мере 50 Вт, например, по меньшей мере 60 Вт.
S5. Система по любому из предыдущих вариантов осуществления, в которой сердечник (104) представляет собой трансформаторный сердечник, выполненный с возможностью индуцирования тока во вторичных обмотках (22, 24).
S6. Система по любому из предыдущих вариантов осуществления, в которой каждый выпрямитель (10) является выпрямительным мостом.
S7. Система по любому из предыдущих вариантов осуществления, в которой, для каждой вторичной обмотки (22, 24),
вторичная обмотка (22, 24) и шунтирующий элемент расположены на первой стороне выпрямителя (10), а элемент (6) нагрузки расположен на второй стороне выпрямителя (10), причем вторая сторона противоположна первой стороне.
Следует понимать, что «расположение» на одной стороне выпрямителя (например, выпрямительного моста) обозначает местоположение в электрической цепи. То есть, когда говорится, что два компонента расположены на одной стороне блока (например, выпрямительного моста), это означает, что ток может протекать между этими двумя компонентами без необходимости прохождения через выпрямительный мост. Если говорится, что один элемент расположен на противоположной стороне блока относительно другого элемента, ток не может протекать между этими элементами без прохождения через данный блок. Понятно, что первая сторона также может упоминаться как сторона переменного тока (АС), а вторая сторона также может упоминаться как сторона постоянного тока (DC).
S8. Система по предыдущему варианту осуществления и с признаками варианта S2 осуществления, в которой вторичные обмотки (22, 24) не соединены напрямую друг с другом на первой стороне.
S9. Система по любому из предыдущих вариантов осуществления, в которой каждый выпрямитель (10) содержит множество полевых МОП-транзисторов, например, по меньшей мере 4 полевых МОП-транзистора.
Понятно, что «полевой МОП-транзистор» обозначает полевой транзистор «металл-оксид-полупроводник».
S10. Система по любому из предыдущих вариантов осуществления, в которой полевые МОП-транзисторы имеют сопротивление менее 50 мОм, предпочтительно менее 10 мОм, более предпочтительно менее 4 мОм.
S11. Система по любому из предыдущих вариантов осуществления, в которой каждый шунтирующий блок содержит по меньшей мере два полевых МОП-транзистора.
S12. Система по любому из предыдущих вариантов осуществления, в которой шунтирующий блок имеет сопротивление менее 50 мОм, предпочтительно менее 15 мОм, более предпочтительно менее 10 мОм.
S13. Система по любому из предыдущих вариантов осуществления, причем данная система дополнительно содержит токочувствительный элемент для измерения тока.
S14. Система по предыдущему варианту осуществления, в которой токочувствительный элемент соединен последовательно со вторичной обмоткой (22, 24).
S15. Система по предыдущему варианту осуществления и с признаками варианта S7 осуществления, в которой токочувствительный элемент расположен на первой стороне выпрямителя (10).
S16. Система по любому из трех предыдущих вариантов осуществления, в которой токочувствительный элемент гальванически изолирован.
S17. Система по любому из четырех предыдущих вариантов осуществления, в которой токочувствительный элемент имеет сопротивление менее 5 мОм, предпочтительно менее 1 мОм, более предпочтительно менее 0,7 мОм.
S18. Система по любому из предыдущих вариантов осуществления, причем данная система дополнительно содержит, для каждого шунтирующего блока, контроллерный блок шунта для управления состоянием соответствующего шунтирующего блока.
S19. Система по предыдущему варианту осуществления, в которой каждый контроллерный блок шунта содержит по меньшей мере один оптически изолированный драйвер полевого МОП-транзистора.
S20. Система по любому из 2 предыдущих вариантов осуществления, в которой каждый контроллерный блок шунта включает в себя входной сигнал состояния уровня напряжения и выполнен с возможностью управления состоянием соответствующего шунтирующего блока в зависимости от входного сигнала состояния уровня напряжения.
S21. Система по предыдущему варианту осуществления, в которой каждый входной сигнал состояния уровня напряжения основан на напряжении на элементе (6) нагрузки.
S22. Система по любому из 4 предыдущих вариантов осуществления, в которой каждый контроллерный блок шунта содержит входной тактовый сигнал, при этом каждый контроллерный блок шунта выполнен с возможностью изменения состояния соответствующего шунтирующего блока только в зависимости от входного тактового сигнала.
S23. Система по любому из 5 предыдущих вариантов осуществления, в которой каждый контроллерный блок шунта содержит триггер-защелку D-типа.
S24. Система по любому из 6 предыдущих вариантов осуществления и с признаками варианта осуществления S13, в которой каждый контроллерный блок шунта выполнен с возможностью изменения состояния соответствующего шунтирующего блока только в зависимости от измеренного тока.
S25. Система по предыдущему варианту осуществления, в которой измеренный ток представляет собой переменный ток, причем каждый контроллерный блок выполнен с возможностью изменения состояния соответствующего шунтирующего блока только при состояниях пересечения нуля переменного тока.
S26. Система по предыдущему варианту осуществления, причем данная система дополнительно содержит элемент обнаружения пересечения нуля для обнаружения состояний пересечения нуля измеряемого тока.
S27. Система по предыдущему варианту осуществления, в которой элемент обнаружения пересечения нуля содержит датчик тока на эффекте Холла.
S28. Система по любому из предыдущих вариантов осуществления и с признаками варианта S20 осуществления, причем данная система дополнительно содержит управляющий блок системы, причем управляющий блок системы выполнен с возможностью генерирования входных сигналов состояния уровня напряжения для каждого контроллерного блока шунта в зависимости от напряжения на элементе (6) нагрузки.
S29. Система по предыдущему варианту осуществления и с признаками варианта осуществления S2, в которой управляющий блок системы выполнен таким образом, что: чем выше напряжение на элементе (6) нагрузки, тем больше входных сигналов состояния уровня напряжения, выдающих соответствующим контроллерным блокам шунтов команды на закорачивание соответствующих шунтирующих блоков, генерируется управляющим блоком системы.
S30. Система по любому из двух предыдущих вариантов осуществления, в которой управляющий блок системы выполнен с возможностью выдавать контроллерному блоку шунта команды на активацию и деактивацию шунтирующего блока импульсным образом.
S31. Система по любому из предыдущих вариантов осуществления, причем данная система выполнена для первичного провода (3), несущего по меньшей мере 100 ампер, предпочтительно по меньшей мере 300 ампер, более предпочтительно по меньшей мере 1500 ампер.
S32. Система по любому из предыдущих вариантов осуществления, причем данная система содержит по меньшей мере 3 вторичные обмотки (22, 24), предпочтительно по меньшей мере 5, например, 6.
S33. Система по любому из предыдущих вариантов осуществления и с признаками варианта S2 осуществления, в которой
по меньшей мере один сердечник (104) представляет собой множество сердечников (104),
число сердечников (104) равно числу вторичных обмоток (22, 24), и каждая вторичная обмотка (22, 24) расположена вокруг отдельного сердечника (104).
S34. Система по любому из вариантов осуществления S1-S32 и с признаками варианта осуществления S2, в которой
по меньшей мере две вторичные обмотки (22, 24) расположены вокруг одного и того же сердечника (104).
Ниже приведен перечень вариантов применения. Они будут обозначены буквой «U». Когда бы ни рассматривались такие варианты осуществления, это будет сделано путем рассмотрения «U» вариантов осуществления. И всякий раз, когда в настоящем документе рассматриваются варианты осуществления применения, подразумеваются варианты осуществления, обозначенные буквой «U».
U1. Применение системы по любому из предыдущих вариантов осуществления.
U2. Применение по предыдущему варианту осуществления с первичным проводом (3), причем первичный провод (3) является высоковольтной линией электропередачи, при этом вокруг первичного провода (3) размещен по меньшей мере один сердечник (104).
U3. Применение по предыдущему варианту осуществления, в котором первичный провод (3) проводит ток, составляющий по меньшей мере 100 ампер, предпочтительно по меньшей мере 300 ампер, более предпочтительно по меньшей мере 1500 ампер.
U4. Применение по любому из 2 предыдущих вариантов осуществления, причем применение включает в себя генерирование выходной мощности, используемой оборудованием для обследования высоковольтной линии электропередачи.
U5. Применение по любому из предыдущих вариантов осуществления, в котором система содержит признаки варианта осуществления S25, причем применение включает в себя следующее
контроллерные блоки изменяют состояние своих соответствующих шунтирующих блоков только при состояниях пересечения нуля переменного тока.
U6. Применение по любому из предыдущих вариантов осуществления, в котором
для первой вторичной обмотки, соответствующий шунтирующий блок закорачивает концы указанной первой вторичной обмотки, когда напряжение на элементе нагрузки превышает первое пороговое значение.
U7. Применение по предыдущему варианту осуществления, в котором
для второй вторичной обмотки, соответствующий шунтирующий блок закорачивает концы указанной второй вторичной обмотки, когда напряжение на элементе нагрузки превышает второе пороговое значение.
U8. Применение по любому из 2 предыдущих вариантов осуществления, в котором
для дополнительной вторичной обмотки, соответствующий шунтирующий блок периодически закорачивает концы указанной дополнительной вторичной обмотки, когда напряжение на элементе нагрузки превышает дополнительное пороговое значение.
S35. Система по любому из предыдущих вариантов осуществления системы, причем данная система выполнена с возможностью применения в соответствии с любым из предыдущих вариантов применения.
Настоящая технология будет теперь рассмотрена со ссылкой на прилагаемые чертежи, которые предназначены для иллюстрации, но не для ограничения настоящего изобретения.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 изображен схематический вариант осуществления устройства для извлечения мощности, в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения;
на фиг. 2 изображено устройство для извлечения мощности в конфигурации без шунтирования и с шунтированием, соответственно, согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения;
на фиг. 3 изображен фрагмент системы согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения более подробно;
на фиг. 4 изображен другой фрагмент системы согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения более подробно;
на фиг. 5 изображена система для извлечения мощности согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения;
на фиг. 6 изображен график извлеченного напряжения при одновременной работе множества устройств согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения;
на фиг. 7 изображены формы сигналов индуцированного напряжения и шунтирующего механизма согласно одному из вариантов осуществления изобретения;
на фиг. 8 изображены различные возможные конфигурации вторичных обмоток, расположенных вокруг одного или более трансформаторных сердечников;
на фиг. 9 изображена общая схема трансформатора тока;
и на фиг. 10 показана общая схема генерирования напряжения и мощности от вторичной обмотки трансформатора тока.
Осуществление изобретения
В вариантах осуществления настоящее изобретение используется для «сбора» электрической энергии из электромагнитного поля, окружающего фазный провод, несущий переменный ток, поэтому раскрытое устройство (или систему) также можно назвать «онлайновым генератором мощности» (а сокращенно - POLG, от англ. power on line generator). Собранная электрическая энергия затем может быть преобразована в стабильный источник питания постоянного тока с целью подачи питания на электронные устройства для измерения и/или обследования. То есть, другими словами, харвестер мощности, или POLG, можно использовать для обеспечения питания дополнительных компонентов, которые могут использоваться, например, для обследования линии электропередачи.
Некоторые компоненты схемы сбора электроэнергии могут быть трансформаторами тока. В конструкции POLG может использоваться множество трансформаторов тока, которые зажаты или иным фиксированным образом размещены на фазном проводе с целью максимального сбора электрической энергии из электромагнитного поля, окружающего фазный провод. Например, если один трансформатор тока собирает 10 ВА с фазного провода при 200 А, то два идентичных трансформатора тока удваивают сбор энергии, генерируя, таким образом, 20 ВА. Поэтому шесть трансформаторов тока будут генерировать 60 ВА из электромагнитного поля фазного провода при 200 А.
Сначала опишем, как обычно работает трансформатор тока (который также может быть использован в настоящем техническом решении). Трансформатор тока может быть предназначен для измерения токов в высоковольтных линиях электропередач и/или в высокоамперных цепях, где другие средства неприменимы. Первичный провод, также называемый фазным проводом 3 (см. фиг. 9 (а)), используется для проведения первичного тока 103. Например, первичный провод 3 может быть проводом в линии электропередачи и может использоваться для надземной транспортировки энергии. Вокруг провода может быть расположен сердечник 104 (трансформаторный сердечник со сквозным отверстием для первичного провода/проводника). Сердечник 104 может быть изготовлен из материала с высокой магнитной проницаемостью, такого как кремнистая сталь и пермаллой, или материала из нанокристаллического сплава на основе железа. Первичный ток 103 в первичном проводе 3 вызывает магнитное поле в сердечнике 104. Кроме того, вокруг сердечника 104 может быть намотана вторичная обмотка 22. Магнитное поле 104 в сердечнике вызывает вторичный ток 106, который обычно можно измерять измерителем 108 тока. Это также может быть представлено на упрощенной фиг. 9(b).
Первичный ток 103, который может быть переменным током, также может быть преобразован во вторичное напряжение переменного тока путем подключения резистора (вторичной нагрузки) R определенной величины на контактные выводы вторичной обмотки, в этой связи см. фиг. 10. Опять же, здесь первичный ток 103 может протекать между точками Р1 и Р2 в первичном проводе 3, вызывая вторичный ток 106 между точками S1 и S2 во вторичном проводе. Между точками S1 и S2 во вторичном проводе могут использоваться резистор или вторичная нагрузка R. То есть, уровень напряжения переменного тока на вторичной нагрузке R затем измеряют как значение напряжения переменного тока. Таким образом, значения напряжения переменного тока могут быть трансформированы в надлежащие значения силы тока переменного тока. Например, рассмотрим ситуацию, когда первичный ток 103, равный 1000 А, трансформируют во вторичный ток 106, равный 5 А. Когда имеется нулевая вторичная нагрузка, соответствующая сопротивлению R, равному 0 Ом, напряжение V будет равно нулю. Это ситуация короткого замыкания. Однако, если бы сопротивление составляло 5 Ом, это привело бы к напряжению V 2,5 В и выходной мощности 12,5 ВА. Соответственно, сопротивление 5 Ом приведет к напряжению 25 В и выходной мощности 125 ВА. Таким образом, возможно преобразовать первичный ток 103 через вторичный ток 106 в напряжение и выходную мощность. Этот принцип также используется настоящей техническим решением для преобразования первичного тока 103, например тока в линии электропередачи, во вторичный ток, напряжение и выходную мощность, чтобы таким образом обеспечивать электропитанием добавочные компоненты.
То есть, иначе говоря, рассмотренные компоненты могут использоваться для преобразования первичного тока во вторичный ток, и далее - в выходную мощность. Иначе говоря, рассмотренные трансформаторы тока воспринимают нагрузку постоянного тока (извлечение мощности постоянного тока) как переменную вторичную нагрузку. То есть, когда источник питания POLG представляет небольшое энергопотребление, трансформаторы тока видят в этом высокорезистивную нагрузку (вторичную нагрузку) и наоборот. При наличии высокорезистивной вторичной нагрузки напряжение переменного тока на вторичных контактных выводах возрастает, а если нагрузка (вторичная нагрузка) имеет низкое значение сопротивления, напряжение переменного тока на контактных выводах падает.
На фиг. 1 изображен схематический вариант осуществления устройства согласно изобретению. Устройство для извлечения энергии содержит извлекающий компонент 2. Извлекающий компонент 2 выполнен с возможностью извлечения энергии из электрических проводников и также может называться трансформатором тока 2. Такие электрические проводники могут включать в себя линии электропередачи, предпочтительно линии электропередачи, несущие переменный ток, как, например, первичный провод 3, рассмотренный выше в связи с фиг. 9. Мощность может извлекаться в виде тока, индуцируемого в извлекающем компоненте 2. Извлекающий компонент 2 может содержать материал с высокой магнитной проницаемостью, такой как кремнистая сталь и пермаллой или трансформаторный сердечник из нанокристаллического сплава на основе железа, размещенный вокруг фазного провода 3 (такого как фазный провод линии электропередачи, который также можно назвать первичной обмоткой). Вторичная обмотка может быть размещена вокруг трансформаторного сердечника. Электрический ток, проходящий по электрическому проводнику, может затем индуцировать ток во вторичной обмотке, что приводит к извлечению мощности, как рассматривалось выше.
Устройство может дополнительно содержать компонент 4 пересечения нуля. Компонент 4 пересечения нуля, в этом варианте осуществления, расположен последовательно с извлекающим компонентом 2. Компонент 4 пересечения нуля может обнаруживать, когда форма сигнала тока, индуцируемого в извлекающем компоненте 2, проходит через точки нуля.
На чертеже дополнительно изображен компонент 6 нагрузки, который также может называться резистивным элементом, в соответствии с рассмотрением фиг. 10 выше. Компонент 6 нагрузки обеспечивает генерирование напряжения в цепи с извлекающим компонентом 2. Компонент 6 нагрузки может содержать резистор. Компонент 6 нагрузки может содержать переменную нагрузку, которая автоматически регулируется в зависимости от тока, циркулирующего в фазном проводе, и/или от требуемого напряжения в цепи устройства.
Кроме того, показан шунтирующий компонент 8. Шунтирующий компонент 8 выполнен с возможностью шунтирования схемы устройства таким образом, чтобы ток не проходил через компонент 6 нагрузки, т.е. шунтирующий компонент 8 выполнен с возможностью закорачивания цепи, изображенной на фиг. 1 (и, в частности, в вариантах осуществления, представленных ниже, вторичной обмотки). Иначе говоря, шунтирующий компонент 8 может гарантировать, что напряжение в цепи не генерируется. Шунтирование может выполняться при превышении определенного напряжения на компоненте 6 нагрузки (что может произойти, если превышен определенный ток в фазном проводе.) Шунтирование может предотвратить повреждение электроники устройства. Шунтирующий компонент 8 предпочтительно содержит транзисторы на основе полевых МОП-транзисторов, чтобы предотвратить скачки и/или падения напряжения в системе и связанные с этим потери мощности и тепловыделение.
Устройство предпочтительно применяют для мониторинга и обследования линий электропередач, переносящих токи на большие расстояния. Извлекающий компонент 2, содержащий трансформаторный сердечник и вторичную обмотку вокруг него, размещают вокруг фазного провода, чтобы индуцировать ток во вторичной обмотке. Этот ток затем генерирует напряжение на обмотке благодаря резистивной нагрузке 6, размещенной на ее контактных выводах (выходная мощность системы постоянного тока). Если напряжение в системе становится слишком высоким, шунтирующий компонент 8 может шунтировать извлекающий компонент 2, когда форма сигнала индуцированного напряжения проходит через точку нуля (чтобы избежать скачков напряжения на контактных выводах вторичной обмотки и, следовательно, предотвратить электрические и механические помехи в трансформаторе тока). Мощность, генерируемая индуцированным током, может использоваться для питания электроники и, предпочтительно, диагностических устройств и датчиков. Таким образом, устройство извлечения мощности может использоваться для мониторинга состояния линии электропередачи, из которой оно извлекает энергию.
На фиг. 2 показано другое изображение устройства для извлечения энергии. Вторичная обмотка 22 изображена рядом с трансформаторным сердечником 104 и фазным проводом 3, который индуцирует ток в цепи устройства. Компонент 6 нагрузки показан как резистор 6. Также изображен шунтирующий компонент 8, который предпочтительно содержит полевые МОП-транзисторы. На левом рисунке показан шунтирующий компонент 8 в открытой конфигурации. То есть, ток свободно циркулирует в цепи, в том числе и через компонент 6 нагрузки. На правом рисунке шунтирующий компонент 8 показан замкнутым: индуцированный ток больше не циркулирует в компоненте 6 нагрузки, так как цепь была закорочена через шунтирующий компонент 8. Таким образом, следует понимать, что термин «шунтирование», используемый в данном документе, обозначает создание короткого замыкания.
Выпрямитель, который может быть реализован как выпрямительный мост 10, выполнен с возможностью преобразования переменного тока, индуцированного несущим переменный ток фазным проводом 3, в постоянный ток, который можно использовать для питания электроники устройства извлечения мощности. Выпрямительный мост 10 может содержать полевые МОП-транзисторы, которые могут эффективно обеспечивать генерирование мощности без (существенных) потерь мощности и связанного с этим тепловыделения. Шунтирование вторичной обмотки 22 не накладывает каких-либо электрических или механических помех на соответствующий преобразователь тока 10, так как он исключен из короткозамкнутой цепи, как показано на правом рисунке.
Шунтируемая цепь может иметь очень низкое сопротивление, например, около 8 мОм или менее. Шунтирование цепи приводит к тому, что индуцированный ток циркулирует только внутри трансформатора 2 тока, так что уровень напряжения на вторичной обмотке 22, по существу, нулевой, и передача мощности на соответствующий выпрямительный мост 10 и компонент 6 нагрузки отключена.
Иначе говоря, шунтирование вторичной обмотки 22 трансформатора тока не накладывает каких-либо электрических или механических помех на соответствующий трансформатор. Фактически, можно сказать, что нормальным состоянием трансформатора тока является такое, когда контактные выводы вторичной обмотки закорочены (т.е. шунтированы). Рассматриваемая сейчас конструкция POLG получает от этого факта преимущество и использует его для регулирования напряжения и мощности всей системы генерирования мощности, при этом на фиг. 2 показана упрощенная блок-схема тракта тока вторичной обмотки 22 без шунтирования (см. рисунок слева) и с шунтированием (см. рисунок справа).
Как показано в левой части фиг. 2, вторичная обмотка 22 трансформатора тока подключена к соответствующему выпрямительному мосту 10, а оттуда - к общей нагрузке 6 постоянного тока (вторичной нагрузке, также называемой резистивным элементом). Если по какой-либо причине генерирование мощности в собирающей цепи должна быть ограничена из-за недостаточной нагрузки на стороне вторичной нагрузки или чрезмерного тока на стороне фазного провода, управляющая логика полностью шунтирует вторичную обмотку 22 этого конкретного трансформатора, как показано в правой части фиг. 2.
Как рассматривалось, шунтирующая цепь может ввести тракт очень низкого сопротивления между контактными выводами обмотки трансформатора тока (менее 8 мОм на контактных выводах) и может полностью закоротить вторичную обмотку 22, чтобы весь генерируемый ток циркулировал внутри трансформатора. Таким образом, уровень напряжения на вторичной обмотке 22 падает до нуля, и вся передача мощности на соответствующий выпрямительный мост и нагрузку постоянного тока (общую вторичную нагрузку) отключается.
На фиг. 3 изображена схема шунтирования и выпрямления устройства для извлечения мощности. Справа на чертеже показана вторичная обмотка 22, за которой следует преобразователь 10 тока, изображенный в виде выпрямительных мостов 10. Слева на чертеже изображена схема, относящаяся к компоненту 4 пересечения нуля и шунтирующему компоненту 8. Компонент 50 постоянного напряжения служит в качестве входного сигнала для управления работой шунтирующих блоков. Компонент 50 уровня напряжения постоянного тока выполнен вместе с триггер-защелкой 82 состояния для включения и выключения шунтирующего компонента 8. Драйвер 86 цепи вместе с парой 84 блокирующих транзисторов обеспечивают механизм шунтирования. Как драйвер 86 цепи, так и пара 84 блокирующих транзисторов предпочтительно содержат полевые МОП-транзисторы. Их использование позволяет минимизировать потери мощности и тепловыделение в системе.
Таким образом, на фиг. 3 показана упрощенная блок-схема цепи выпрямления. Понятно, что каждая обмотка трансформатора тока может иметь свою собственную цепь выпрямления. Например, если мы рассмотрим блок POLG, имеющий шесть трансформаторов тока в схеме, и предполагается, что он способен обрабатывать токи фазных проводов в диапазоне от 0 до 300 ампер, то будет возможно управлять значением сопротивления нагрузки постоянного тока (вторичной нагрузки) представленной на вторичных обмотках. Способ, применяемый техническим решением с POLG, заключается в динамическом исключении трансформаторов тока из генерирования мощности путем их шунтирования друг за другом в зависимости от общего уровня напряжения постоянного тока на стороне постоянного тока выпрямительных мостов, что также будет рассматриваться более подробно ниже.
На фиг. 4 компонент пересечения нуля устройства изображен более подробно. Вторичная обмотка 22 изображена индуцирующей ток от фазного провода 3. Шунтирующий компонент 8 отключен, как указывает ток, проходящий через цепь к преобразователю 10 тока. Нагрузка (или вторичная нагрузка) 6 показана на стороне постоянного тока цепи в виде резистора 6. Компонент 4 пересечения нуля показан соединенным последовательно со вторичной обмоткой 22. Компонент 4 пересечения нуля предпочтительно содержит гальванически изолированный датчик тока, который вносит очень низкое сопротивление в цепь вторичной обмотки. Это сопротивление может составлять приблизительно 1 мОм или менее, например, приблизительно 0,65 мОм. Это может гарантировать, что благодаря компоненту 4 пересечения нуля будет рассеяна очень малая мощность и в цепи выделится очень мало тепла.
Детектор 42 пересечения нуля обнаруживает нули формы сигнала тока, проходящего в цепи вторичной обмотки, и генерирует импульсы соответственно. Детектор 42 пересечения нуля может содержать, например, датчик на эффекте Холла. Генерируемые импульсы затем передаются на триггер-защелку 82 состояния, которая вместе с компонентом 50 напряжения постоянного тока управляет шунтированием цепи с помощью шунтирующего компонента 8, показанного здесь в виде блокирующих транзисторов 84 (предпочтительно, полевых МОП-транзисторов) и оптически изолированных драйверов 86 цепи.
Одно из преимуществ настоящей реализации компонента 4 пересечения нуля может заключаться в том, что он основан на измерении индуцированного тока, а не индуцированного напряжения на компоненте 6 нагрузки. Это позволяет размещать компонент пересечения нуля на стороне переменного тока цепи, где на него не влияет шунтирование с помощью шунтирующего компонента 8. Иначе говоря, компонент 4 пересечения нуля может продолжать обнаруживать нули формы сигнала индуцированного тока, даже когда цепь вторичной обмотки шунтирована и в компоненте 6 нагрузке напряжение не индуцируется.
В вариантах осуществления с использованием множества трансформаторов тока, все трансформаторы тока и их участие в генерировании мощности можно регулировать одинаковым образом, то есть, их можно полностью шунтировать друг за другом в поочередном порядке. Схема управления мощностью содержит автономную аналоговую схему, обычно питаемую от вторичных обмоток. Как рассматривалось, схема управления мощностью использует гальванически изолированную схему измерения тока, которая последовательно соединена с одной из вторичных обмоток с целью обнаружения пересечения нуля, как показано на фиг.4. Выходной сигнал датчика тока используется для обеспечения обнаружения пересечения нуля, позволяющего цепи квантования напряжения постоянного тока и триггер-защелке состояния уровня включать и выключать шунты трансформатора тока с полевыми МОП-транзисторами в состоянии пересечения нуля трансформаторов тока, минимизируя этим возможные скачки напряжения, создаваемые на вторичных обмотках и/или создание электрических или механических помех в цепях трансформатора тока. Гальванически изолированный датчик тока может внести в цепь вторичной обмотки сопротивление, составляющее только 0,65 мОм, без наложения или с наложением незначительных потери мощности или тепловыделения в цепи вторичной обмотки.
На фиг. 5 схематически изображено сочетание множества устройств для извлечения энергии. Особое преимущество настоящего изобретения состоит в том, что несколько таких устройств могут быть объединены на стороне постоянного тока соответствующих цепей, так что мощность, извлекаемая всеми ими, может складываться, но каждое из них может по-прежнему шунтироваться индивидуально для эффективного регулирования извлечения мощности. Это может быть реализовано в виде множества вторичных обмоток 22, размещенных на одном и том же трансформаторном сердечнике, закрепленном вокруг фазного провода, и/или множества трансформаторных сердечников, каждый из которых имеет свою собственную вторичную обмотку 22, и/или комбинацию из двух.
Различные конфигурации по меньшей мере одного трансформаторного сердечника 104, множества вторичных обмоток 22, 24 и первичного провода 3 изображены на фиг. 8. Обычно, указанный по меньшей мере один трансформаторный сердечник 104 (т.е. один или более трансформаторных сердечников 104) расположен вокруг первичного провода 3, причем первичный провод 3 несет переменный ток (АС). Кроме того, вокруг по меньшей мере одного трансформаторного сердечника 104 расположено множество вторичных обмоток 22, 24.
В соответствии с одним вариантом осуществления, изображенным на фиг. 8(a), по меньшей мере один трансформаторный сердечник 104 представляет собой множество трансформаторных сердечников 104. Конкретнее, число вторичных обмоток 22, 24 может равняться числу трансформаторных сердечников 104, и каждая из вторичных обмоток 22, 24 может быть расположена вокруг одного трансформаторного сердечника 104.
В других вариантах осуществления трансформаторные сердечники 104 также могут быть соединены друг с другом, образуя, таким образом, блок 110 трансформаторных сердечников, как изображено на фиг. 8(b), с характеристиками, аналогичными множеству трансформаторных сердечников 104, изображенных на фиг. 8(a).
В еще одном варианте осуществления, изображенном на фиг. 8(c), предусмотрен только один трансформаторный сердечник 104, при этом вокруг этого единственного трансформаторного сердечника 104 расположено множество вторичных обмоток 22, 24.
Следует понимать, что настоящее изобретение также относится к комбинации характеристик трансформаторных сердечников, изображенных на фиг. 8(а)-(с). Например, также возможно обеспечить более одного блока 110 трансформаторных сердечников, а также можно обеспечить более одного трансформаторного сердечника 104 с множеством вторичных обмоток 22, 24. Все это охватывается настоящим изобретением.
На фиг 5 изображены шесть устройств, объединенных для извлечения энергии из линии электропередачи. К одной (например, первой) вторичной обмотке 22 подключена схема компонента пересечения нуля, но в остальном она не отличается от дополнительных вторичных обмоток 24. Все вторичные обмотки 22, 24 могут иметь одну общую нагрузку 6, поскольку она находится на стороне постоянного тока цепи. Каждая вторичная обмотка 22, 24 содержит свой собственный шунтирующий компонент 8 (изображенный на чертеже в виде пар 84 блокирующих транзисторов и драйверов 86 цепи), так что каждая из обмоток может быть независимо шунтирована для точного регулирования общего извлечения мощности. То есть каждая вторичная обмотка может содержать шунтирующий блок 84 и контроллерный блок шунта, содержащий триггер-защелку 82 состояния и драйвер 86. Все вторичные обмотки 22, 24 также могут обеспечивать питание для основных электронных схем (то есть аналоговой и управляющей логики, обнаружения пересечения нуля и т.д.) и для любых датчиков, реализованных как часть устройства извлечения мощности.
Таким образом, вариант осуществления POLG, изображенный на фиг. 5, содержит несколько трансформаторов тока, которые могут быть добавлены в схему сбора энергии или исключены из нее в зависимости от доступного тока фазного провода с одной стороны и необходимой мощности (извлечение выходной мощности постоянного тока) с другой стороны. Специально выполненные трансформаторы тока в конструкции имеют относительно высокое напряжение насыщения сердечника в точке перегиба, которое выдает до 35 В переменного тока на вторичных обмотках в зависимости от вторичной нагрузки, предоставляемой источником питания (подключенной к нему внешней нагрузкой). Используемый диапазон переменного напряжения для надлежащего выпрямления постоянного тока может находиться в диапазоне от 9 до 35 вольт переменного тока.
Суммирование сбора электроэнергии может применяться на стороне постоянного тока выпрямительных мостов, то есть обмотки могут не соединяться вместе перед выпрямительными мостами (обмотка к обмотке), как это также показано на фиг. 5. Из-за присущей трансформаторам тока физике и сложности регулирования флуктуирующего протекания тока и уровня напряжения переменного тока до полезной мощности постоянного тока, рассматриваемые варианты осуществления генерирующей POLG-системы основаны на идее совместной работы одной или более вторичных обмоток, образующих систему совместного генерирования мощности. При необходимости одну или более из этих вторичных обмоток динамически шунтируют, исключая их из совместного генерирования мощности вторичных обмоток.
На фиг. 6 изображен схематический график уровня напряжения постоянного тока в зависимости от максимального тока, циркулирующего в фазном проводе (и, следовательно, индуцированного тока, циркулирующего во вторичных обмотках, поскольку он пропорционален). График изображен для примерного варианта осуществления, содержащего шесть вторичных обмоток 22, 24. Напряжение постоянного тока увеличивается с ростом тока до определенного порогового значения, при котором вторичные обмотки 22 начинают шунтировать. В этом примерном варианте осуществления шунты начинают срабатывать при напряжении приблизительно 27 В постоянного тока. Точное пороговое значение для шунтирующих компонентов 8, чтобы начать шунтирование вторичных обмоток 22, может быть установлено в зависимости от требуемого генерирования мощности и ограничений электроники, используемой в цепи. По мере того как ток фазного провода продолжает увеличиваться, применяется большее количество шунтов, пока все шесть обмоток не будут шунтированы. В связи с этим следует отметить, что последний шунт обычно используется не постоянно, а только периодически, то есть импульсным образом, чтобы тем самым лишь частично исключить его из генерирования мощности. Все шунты используют при пересечении нуля индуцированного напряжения, чтобы избежать скачков напряжения в цепях.
Также следует понимать, что уровень постоянного тока на стороне постоянного тока выпрямительных мостов может быть не совсем плоским и стабильным. Несмотря на то, что он сглаживается при относительно большой емкости, он немного колеблется в зависимости от изменений тока фазного провода и аналогичных изменений в потреблении мощности постоянного тока блока POLG (нагрузка постоянного тока). Схема шунтирования начинает срабатывать, когда уровень напряжения постоянного тока достигает уровня постоянного тока 27 В, при этом шунтируется первая обмотка трансформатора тока. Если постоянное напряжение непрерывно повышается, то большее количество обмоток трансформатора тока шунтируется и, следовательно, исключается из генерирования мощности, как показано на фиг. 6.
На фиг. 7 изображены формы сигналов переменного тока вторичной обмотки, когда напряжение постоянного тока достигает порогового значения шунтирования, причем фиг. 7(а)-(с) относятся к одной вторичной обмотке, которая окончательно шунтируется постоянно, см. фиг. 7(c). На фиг. 7(d) показана форма сигнала последней вторичной обмотки, которая никогда не шунтируется полностью, но где шунтирование применяется в виде последовательности шунтирующих импульсов. Рисунок а) показывает пульсацию напряжения постоянного тока, из-за которой схема квантования постоянного тока иногда вызывает шунтирование. Также показаны импульсы пересечения нуля: шунтирование применяется в нулевых точках напряжения переменного тока, чтобы избежать скачков в системе. Рисунок b) показывает слегка повышенное напряжение уровня постоянного тока. Цепь квантования постоянного тока применяется чаще, как показано более частыми импульсами. Рисунок с) показывает дальнейшее повышение уровня напряжения постоянного тока, при этом шунтирование применяется постоянно. Рисунок d) изображает последовательное блокирование (т.е. шунтирование) и деблокирование (т.е. отсутствие шунтирования) вторичной обмотки, например, шестой и последней вторичной обмотки. Это может применяться при очень высоком общем уровне напряжения постоянного тока. В этом варианте осуществления все вторичные обмотки, кроме последней, были шунтированы, а последняя поочередно шунтировалась и дешунтировалась, чтобы обеспечить плавное и стабильное общее генерирование мощности.
Как уже обсуждалось, каждая обмотка может иметь свою собственную схему шунтирования (шунт с полевыми МОП-транзисторами). В системе с шестью трансформаторами тока схема квантования уровня постоянного тока имеет шесть выходных сигналов логического уровня, по одному для каждого из трансформаторов тока. Эти логические уровни также будут называться входными сигналами состояния уровня напряжения для контроллерного блока шунта. Как правило, они генерируются управляющим блоком системы и основаны на уровне напряжения постоянного тока на нагрузке. Цепь квантования напряжения постоянного тока и триггер-защелка состояния уровня включают и выключают шунты с полевыми МОП-транзисторами в состоянии пересечения нуля тока фазного провода. Как уже говорилось, на фиг. 7(а)-(с) изображены формы сигналов напряжения переменного тока одной вторичной обмотки, когда напряжение постоянного тока достигает уровня блокировки. Опять же, как обсуждалось, на фиг. 7(a) изображено, как пульсация уровня постоянного тока заставляет схему квантования периодически применять механизм блокировки; на фиг. 7(b) показано, что уровень постоянного тока слегка увеличился, что приводит к тому, что схема квантования чаще применяет механизм блокировки; на фиг. 7(c) показано, что уровень постоянного тока еще больше увеличился, в результате чего схема квантования применяет механизм блокировки постоянно.
Если еще больше увеличить уровень постоянного тока, то первую вторичную обмотку в какой-то момент можно шунтировать постоянно. То же самое может относиться ко всем другим вторичным обмоткам, кроме одной. То есть, при очень высоких уровнях постоянного тока все вторичные обмотки, кроме одной, могут шунтироваться постоянно. Вторичная обмотка, которая не шунтируется постоянно, может шунтироваться периодически. Рассмотрим, например, ситуацию, когда переменный ток в первичной обмотке настолько высок, что даже при использовании только одной постоянно не шунтированной вторичной обмотки результирующее напряжение постоянного тока будет выше необходимого и потенциально даже вредно для оборудования. В такой ситуации эта вторичная обмотка может шунтироваться периодически, чтобы генерировать только часть мощности, которая была бы создана, если бы она была постоянно не шунтированной. Эта конфигурация последней не шунтированной вторичной обмотки изображена на фиг. 7(d). То есть, это относится к ситуации, когда первые трансформаторы тока трансформаторной системы были заблокированы. В этой ситуации последний не блокируется постоянно, а вместо этого каждый второй цикл переменного тока или серию циклов переменного тока блокируют и деблокируют последовательно для стабилизации регулирования мощности.
Понятно, что шунтирование следует следующей логике: шунтирование происходит, когда выполняется следующее условие: квантование уровня постоянного тока равно 1 (или высокое), когда происходит пересечение нуля. Только в этой ситуации рассматриваемый сейчас вариант осуществления шунтирует соответствующую вторичную обмотку. Отключение шунтирования выполняется, когда: квантование уровня постоянного тока равно 0 (или низкое), когда происходит пересечение нуля.
В общем должно быть понятно, что при использовании обычных способов при выпрямлении напряжения переменного тока в напряжение постоянного тока, это может привести к значительным потерям мощности из-за собственного падения напряжения кремния на диодах в выпрямительных мостах. В частности, это относится к низким уровням напряжения и высоким токам. Во избежание этого, конструкция POLG в некоторых вариантах осуществления может использовать полевые МОП-транзисторы вместо диодов в выпрямительных мостах. При полной проводимости полевые МОП-транзисторы могут создавать незначительное последовательное сопротивление (менее 4 мОм) вместо относительно большого падения напряжения на кремнии, как делают обычные диоды, и, следовательно, почти исключают потери мощности из-за падений напряжения на кремнии и связанного с ними тепловыделения.
Полевые МОП-транзисторы также могут использоваться в качестве токовых шунтов для вторичных обмоток и для всех других сильноточных коммутационных цепей в схеме сбора мощности. Это может быть предпочтительным ввиду того, что электронные печатные платы устройства POLG расположены в очень ограниченном отсеке. Поэтому использование полевых МОП-транзисторов с низкими значениями RDS для переключения при интенсивном токе может быть предпочтительным для поддержания тепловыделения внутри устройства на минимуме, а отдачи мощности - на максимуме.
Чтобы дополнительно проиллюстрировать варианты осуществления настоящего изобретения, теперь будет описана примерная работа системы со ссылкой на фиг. 4 и 5. Рассмотрим ситуацию, когда в фазном проводе 3 (который также называется первичным проводом 3) увеличивается переменный ток. Кроме того, следует учесть, что система генерирования мощности используется для питания оборудования для обследования, требующего напряжения постоянного тока в диапазоне от 20 В до 33 В.
Переменный ток в фазном проводе 3 создает магнитное поле в одном или более трансформаторных сердечниках 104 и, следовательно, переменный ток во вторичных обмотках 22, 24 (см. фиг. 5), которые могут упоминаться как вторичные переменные токи. В начале (и когда переменный ток в фазном проводе 3 все еще мал), может не требоваться ограничивать выходные напряжение и мощность системы, поэтому шунтирующие блоки 8 могут быть деактивированы, т.е. находиться в нешунтирующей конфигурации. Таким образом, вторичные переменные токи могут быть преобразованы в постоянные токи в выпрямителях 10, которые могут быть выпрямительными мостами. Стороны постоянного тока выпрямителей 10 могут быть подключены к компоненту 6 нагрузки (например, к блоку питания оборудования для обследования), так что постоянный ток складывается друг с другом.
Таким образом, общее выходное напряжение постоянного тока на нагрузке 6 может быть суммой (гипотетических) выходных напряжений после каждого выпрямителя 10.
Теперь рассмотрим ситуацию, когда со всеми (здесь: 6) вторичными обмотками 22, 24 в нешунтирующем состоянии первичный переменный ток, составляющий, например, 100 ампер, приведет к общему выходному напряжению постоянного тока на нагрузке 6, составляющему 10 В. То есть каждая вторичная обмотка блока будет отвечать примерно за 1,67 В.
Когда в этой конфигурации ток в первичном проводе возрастает до 200 ампер, это приведет к выходному напряжению постоянного тока, составляющему 20 В. При 260 ампер переменного тока это приведет к выходному напряжению 26 В.
Как изображено, например, на фиг.4 и 5, система измеряет общее выходное напряжение постоянного тока посредством схемы 50 обнаружения и квантования уровня напряжения, которая также может называться управляющим блоком 50 системы. Когда определенное пороговое значение (например, 26 В) превышается, схема 50 квантования уровня постоянного тока может давать команду на шунтирование, т.е. закорачивание одной вторичной обмотки 22, 24.
Для этого схема 50 квантования уровня постоянного тока может отправлять входной сигнал состояние уровня напряжения на контроллерный блок 82' шунта соответствующего шунтирующего блока 86 для шунтирования.
Кроме того, также предусмотрен датчик тока, включенный последовательно с одной из вторичных обмоток 22. Таким образом, получают вторичный сигнал переменного тока, при этом компонент пересечения нуля извлекает пересечения нуля вторичного сигнала переменного тока. Эти импульсы пересечения нуля также могут подаваться на контроллерные блоки 82 шунта в качестве тактового сигнала, и контроллерный блок 82' шунта может, таким образом, гарантировать, что вторичная обмотка 22 шунтируется только при пересечениях нуля (это также изображено на фиг. 7).
Как было сказано, 260 ампер переменного тока в первичном проводе могут, например, привести к 26 В, когда все шесть вторичных обмоток 22, 24 вносят вклад в генерирование напряжения постоянного тока. Когда одна вторичная обмотка закорочена, это приведет к 21,67 В на стороне постоянного тока (=26 В * 5/6).
Поскольку это будет ниже порогового значения для шунтирования первой вторичной обмотки, эта вторичная обмотка снова не будет шунтироваться. На самом деле, напряжение на стороне постоянного тока не будет сразу падать до 21,67 В из-за некоторой задержки, также вызванной конденсаторами 32. Вместо этого уровень напряжения будет падать до чуть ниже 26 В, тогда соответствующая вторичная обмотка будет дешунтирована, пока уровень напряжения не станет чуть выше 26 В, и так далее.
По этой причине могут быть разные пороговые значения напряжения постоянного тока в схеме 50 квантования уровня постоянного тока для шунтирования различных вторичных обмоток. То есть, схема 50 квантования уровня постоянного тока может отправлять соответствующие команды шунтирования (в виде входных сигналов состояния уровня напряжения) разным контроллерным блокам 82 шунта. Как было сказано, например, первая вторичная обмотка 22 может быть шунтирована, когда общее напряжение постоянного тока превысит 26 В, вторая вторичная обмотка 24 может быть шунтирована, когда напряжение постоянного тока превысит 27 В и т.д. (хотя эти значения являются просто примерными).
Таким образом, можно получить относительно постоянное выходное напряжение постоянного тока, которое не зависит из переменного тока в первичном проводе 3.
Вышеприведенная логика управления приводит к тому, что последняя вторичная обмотка 24 никогда не шунтируется постоянно. Рассмотрим, например, случай, когда пороговое значение для шунтирования последней вторичной обмотки 24 составляет 31 В на стороне постоянного тока. Опять же, как только этот порог будет превышен, последняя вторичная обмотка будет шунтирована, что приведет к постоянному току и, следовательно, к снижению напряжения постоянного тока. Как только оно снизится ниже 31 В, последняя вторичная обмотка 24 снова будет дешунтирована. Таким образом, последняя вторичная обмотка 24 будет шунтирована не полностью, а только «импульсным образом».
Хотя в приведенном выше описании были раскрыты конкретные варианты осуществления настоящего изобретения, следует понимать, что они были описаны просто для иллюстрации, а не для ограничения объема настоящего изобретения.
Всякий раз, когда в настоящем описании используется относительный термин, такой как «примерно», «по существу» или «приблизительно», такой термин также должен толковаться как включающий точный термин. То есть, например, «по существу прямой» следует понимать как включающий в себя «(точно) прямой».
Всякий раз, когда выше или также в прилагаемой формуле изобретения упоминаются шаги, следует отметить, что порядок, в котором шаги указаны в этом тексте, может быть предпочтительным порядком, но не является обязательным для выполнения шагов в перечисленном порядке. То есть, если не указано иное или если специалисту не очевидно, то порядок, в котором приведены шаги, может не быть обязательным. То есть, когда в настоящем документе говорится, например, что способ содержит шаги (А) и (В), это не обязательно означает, что шаг (А) предшествует шагу (В), но также возможно, что шаг (А) выполняется (по меньшей мере частично) одновременно с шагом (В), или данный шаг (В) предшествует шагу (А). Кроме того, когда говорится, что шаг (X) предшествует другому шагу (Z), это не означает, что между шагами (X) и (Z) нет шага. То есть шаг (X), предшествующий шагу (Z), охватывает ситуацию, когда шаг (X) выполняется непосредственно перед шагом (Z), но также ситуацию, когда (X) выполняется перед одним или несколькими шагами (Y1), …, с последующим шагом (Z). Соответствующие соображения применяются, когда используются такие термины, как «после» или «до».