ВОЛЬТОДОБАВОЧНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТРЕХФАЗНОЙ ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ
VOLTAGE BOOSTER FOR THREE-PHASE TRANSMISSION POWER LINE

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в целях повышения напряжения в конечных зонах протяженных трехфазных линий электропередачи с достаточно большой энергетической нагруженностью, преимущественно к сельской местности и садоводческим товариществам.
Известны способы снижения энергопотерь при использовании длинных линий электропередачи путем увеличения сечения проводников трехфазной воздушной линии (ВЛ - 0,4 кВ) или их запараллеливания. Кроме того, увеличивают напряжение на выходных цепях трансформаторной подстанции (ТП) выше заданного значения, но это ухудшает положение тех абонентов, дома которых располагаются в начале линии электропередачи из-за перенапряжения. Так как по нормам допускается отклонение напряжения не более чем на +5% и -10%, то это значит, что при стандартном напряжении 220 В разброс напряжения для всех абонентов, обслуживаемых от ТП, определен пределами от 198 B до 231 B. При достаточно протяженных линиях ВЛ - 0,4 кВ в конце их напряжение нередко падает до 170…180 B, что недопустимо ухудшает предоставляемые энергоснабжающими организациями услуги.
Недостатки известных приемов повышения напряжения на конце длинной линии электропередачи устранены в заявляемом техническом решении.
Целью изобретения является обеспечение подъема напряжения на конце линии электропередачи организацией вольт-добавки.
Указанная цель достигается в заявляемом устройстве вольт-добавки для трехфазных линий электропередачи, состоящим из введенного в разрыв этой линии электронного заградителя обратного тока, установленного на опоре линии электропередачи, в проводниках которой напряжение соответствует допустимому нижнему пределу 198 B по каждой фазе, и из коммутируемого накопителя электроэнергии, установленного на конечной опоре линии электропередачи, при этом пропускание тока через электронный заградитель обратного тока и накопление энергии в коммутируемом накопителе происходит в первой и третьей четвертях периодов гармонического напряжения сети, а разряд накапливающих энергию элементов в нагрузку конечной части линии электропередачи осуществляется с некоторой временной задержкой во второй и четвертой четвертях периодов напряжения сети; коммутируемый накопитель электроэнергии собран по мостовой схеме из двух параллельно соединенных с проводниками сети - фазным и нулевым - цепей из последовательно включенных накопительной LC-линии задержки и двунаправленного транзисторного коммутатора, свободные концы накопительных LC-линий задержки в этих цепях подключены соответственно к фазному и нулевому проводникам сети, а в диагонали мостовой схемы установлен симистор, обеспечивающий последовательное соединение накопительных LC-линий задержки во второй и четвертой четвертях периодов сетевого напряжения и их разряд в нагрузку конечной зоны линии электропередачи, причем управление работой двунаправленными транзисторными коммутаторами мостовой схемы, ее симистором и коммутирующими транзисторами электронного заградителя обратного тока осуществляется с блока управления транзисторами и симистором.
Блок управления транзисторами и симистором вырабатывает импульсы открытия соответствующих групп коммутирующих транзисторов мостовой схемы и электронного заградителя обратного тока в первой и третьей четвертях периодов напряжения сети и задержанных во времени относительно начал второй и четвертой четвертей периодов сетевого напряжения импульсов запуска симистора на его открытие в соответствующем направлении протекания разрядного тока с последовательно включенных накопительных LC-линий, а синхронизация работы блока осуществлена от фазного напряжения сети - в каждом из трех блоков управления для соответствующих фаз линии электропередачи.
Достижение поставленной цели объясняется параллельным накоплением энергии в первой и третьей частях периодов напряжения сети в накопительных LC-линиях задержки мостовой схемы одновременно с подачей этой части энергии и к конечному потребителю (его нагрузкам) и отключением конечного участка линии электропередачи с помощью электронного заградителя обратного тока от ее основной части, связанной с ТП, и передачей накопленной электроэнергии конечным потребителям с повышенным напряжением во второй и четвертой частях периодов сетевого напряжения, так что среднее действующее негармоническое напряжение будет больше действующего к концу линии электропередачи напряжения без использования заявляемого устройства, а величина вольт-добавки будет определяться нагруженностью этого участка линии электропередачи, но не нагрузками остальной основной части этой линии. Энергетика устройства определяется параметрами накопительных LC-линий задержки, в частности суммарной емкостью ее конденсаторов.
Изобретение понятно из представленных рисунков.
На рис.1 дана схема заявляемого устройства в целом. На рис.2 указано включение устройства в трехфазной линии электропередачи перед нагрузками потребителей конечной зоны линии электропередачи. На рис.3 приведена блочно-принципиальная схема блока управления всеми силовыми транзисторами устройства и симистором. На рис.4 дана принципиальная схема формирователя импульсов запуска симистора. На рис.5 показана часть временной диаграммы (для второй или четвертой четверти периодов сетевого напряжения) при указанном на рис.4 формировании импульсов запуска симистора. На рис.6 приведена временная диаграмма напряжений в различных точках схемы блока управления транзисторами и симистором за один полный период переменного напряжения сети, например, по фазе А. На рис.7 даны эпюры напряжения в проводниках сети после действующего электронного заградителя обратного тока (рис.7а) и фазного тока при заряде и разряде накопительных LC-линий задержки мостовой схемы (рис.7б).
Устройство представлено на рис.1 и содержит следующие элементы и блоки:
1 - коммутируемый накопитель электроэнергии, выполненный по мостовой схеме,
2 - первую накопительную LC-линию задержки из N звеньев (L - индуктивность звена, С - емкость конденсатора звена),
3 - первый двунаправленный транзисторный коммутатор, обеспечивающий заряд емкостей первой накопительной LC-линии задержки 2 в первой четверти периодов напряжения сети,
4 - второй двунаправленный транзисторный коммутатор, обеспечивающий перезаряд емкостей второй накопительной LC-линии задержки 5 в третьей четверти периодов сетевого напряжения,
5 - вторую накопительную LC-линию задержки из N звеньев, аналогичных звеньям первой накопительной LC-линии задержки 2,
6 - симистор мостовой схемы, при открытии которого при запертых транзисторах мостовой схемы и электронного заградителя обратного тока накопительные LC-линии задержки 2 и 5 включаются последовательно к проводникам электросети, обслуживающей пользователей конечной зоны линии электропередачи,
7 - блок управления транзисторами и симистором,
8 - электронный заградитель обратного тока (включен на пропускание тока к нагрузкам потребителей и к устройству 1 в первой и третьей четвертях периодов сетевого напряжения и закрыт на пропускание тока во второй и четвертой четвертях периодов),
9 - совокупная нагрузка потребителей электроэнергии, дома которых расположены в конечной зоне линии электропередачи,
10 - первый импульсный усилитель электронного заградителя обратного тока,
11 - трансформатор связи первого импульсного усилителя 10,
12 - первый силовой транзистор электронного заградителя обратного тока, открываемый в первой четверти периодов сетевого напряжения,
13 - второй импульсный усилитель электронного заградителя обратного тока,
14 - трансформатор связи второго импульсного усилителя 13,
15 - второй силовой транзистор электронного заградителя обратного тока, открываемый в третьей четверти периодов сетевого напряжения.
На рис.2 показана схема включения устройства 1 с электронным заградителем обратного тока 8 и совокупной нагрузкой 9 пользователей электроэнергии в конечной зоне линии электропередачи по ее трем фазам A, B и C. При этом устройство 1 установлено на конечной опоре линии электропередачи, а электронный заградитель обратного тока 8 - на опоре, проводники которой имеют фазное напряжение 198 B.
Блок управления транзисторами и симистором (рис.3) содержит:
16 - подключенный к фазному проводнику сети A первый регулируемый делитель сетевого напряжения,
17 - первый компаратор, образующий на выходе ТТЛ-уровни (транзисторно-транзисторной логики с логическими сигналами 0 и 1) меандровых импульсов с периодом Т сетевого напряжения частоты 50 Гц,
18 - первый инвертор,
19 - первую схему совпадений,
20 - регулируемую двухзвенную фазосдвигающую RC-цепочку, создающую сдвиг фазы переменного напряжения на (90±5)°,
21 - подключенную к выходу фазосдвигающей цепочки 20 второй регулируемый делитель переменного напряжения, сдвинутого на (90±5)°,
22 - второй компаратор,
23 - второй инвертор,
24 - вторую схему совпадений,
25 - усилитель импульсов первой четверти периодов сетевого напряжения,
26 - усилитель мощности с первым трансформаторным выходом, выходные обмотки трансформатора которого связаны с транзисторами мостовой схемы, обеспечивающими заряд конденсаторов накопительных LC-линий задержки 2 и 5,
27 - усилитель импульсов третьей четверти периодов сетевого напряжения,
28 - усилитель мощности с вторым трансформаторным выходом, выходные обмотки трансформатора которого связаны с транзисторами мостовой схемы, обеспечивающими перезаряд конденсаторов накопительных LC-линий задержки 2 и 5,
29 - суммирующую логическую схему «ИЛИ» с двумя входами,
30 - первый формирователь фронтальных импульсов,
31 - генератор импульсов временного сдвига,
32 - второй формирователь фронтальных импульсов,
33 - генератор импульсов запуска симистора,
34 - усилитель импульсов запуска симистора во второй и четвертой четвертях периодов сетевого напряжения,
35 - усилитель мощности с трансформаторным выходом, выходная обмотка трансформатора которого подключена к управляющему переходу симистора 6,
36 - вторичный источник питания на выходные напряжения - 6 B, +5 B и +15 B.
На рис.4 приведена принципиальная схема формирователя импульсов запуска симистора, включающая элементы 29-33, представленные на рис.3, а на рис.5 - временные диаграммы происходящих процессов в этой схеме для второй четверти (то же и для четвертой четверти) периодов сетевого напряжения.
На рис.6 даны временные диаграммы напряжений (логических уровней) на выходах элементов схемы рис.3, номера которых указаны у соответствующих диаграмм:
6а - на выходе первого регулируемого делителя 16,
6б - на выходе фазосдвигающей RC-цепочки 20,
6в - на выходе первого компаратора 17,
6г - на выходе второго компаратора 22,
6д - на выходе первого инвертора 18,
6е - на выходе второго инвертора 23,
6ж - на выходе первой схемы совпадений 19,
6з - на выходе второй схемы совпадений 24,
6и - на выходе первого формирователя фронтальных импульсов 30,
6к - на выходе генератора импульсов временного сдвига 31,
6л - на выходе второго формирователя фронтальных импульсов 32,
6м - на выходе генератора 33 импульсов запуска симистора 6.
C
O
На рис.7а показана форма напряжения u(t) на проводниках сети после электронного заградителя обратного тока, возрастающего против напряжения, действующего до этого заградителя 8 во второй и четвертой четвертях периодов сетевого напряжения, что увеличивает амплитудное значение выходного напряжения на величину ΔU против амплитуды U напряжения, действующего в линии электропередачи к ее концу (до электронного заградителя обратного тока).
СДВ.
ЗAKP
На рис.7б показана форма зарядного и разрядного тока i(t) в фазном проводнике (A) в течение периода T сетевого напряжения, а также обозначены временные интервалы сдвига начала открытия симистора Δt и закрытия симистора до окончания второй и четвертой четверти периодов сетевого напряжения Δt.
Известно, что к концу достаточно протяженной и нагруженной линии электропередачи напряжение в ней снижается до недопустимой величины в 170…180 B. Поэтому стоит задача подъема этого напряжения для группы пользователей электроэнергии, дома которых расположены в конце линии электропередачи при известной среднестатистической мощности потребления ими электроэнергии. Пусть, к примеру, среднестатистическая потребляемая мощность этой группы пользователей равна 50 кВт (по всем трем фазам) при нормальном действующем напряжении сети 220 В. Тогда при падении напряжения в конце линии электропередачи до 170 В недостающей оказывается мощность, равная 50·[220-(198+170)/2]/220=8,2 кВт. Следовательно, заявляемое устройство должно быть рассчитано на поставку этой недостающей мощности для данной группы потребителей электроэнергии и обслуживать их повышенным напряжением, начиная от зоны других потребителей электроэнергии, у которых напряжение оказывается не ниже 198 В, являющееся нижним пределом допустимой нормы напряжения (- 10%). Для ограничения зоны обслуживания, в которой напряжение в линии электропередачи находится в пределах от 170 B до 198 B, заявляемое устройство дополнено так называемым электронным заградителем обратного тока, о работе которого сообщается ниже. Отметим, что электронный заградитель обратного тока устанавливается вблизи той опоры линии электропередачи, у которой напряжение в проводниках оказывается равным 198 В при среднестатистической нагруженности всей линии от ТП и до ее конца, причем с учетом подключенного к данной линии и действующего устройства вольт-добавки. Подключение самого устройства вольт-добавки осуществляется в конце линии электропередачи (на ее конечной опоре), при этом между устройством вольт-добавки (коммутируемым накопителем электроэнергии) и электронным заградителем обратного тока организуется электрическая связь для управления работой последнего.
Полагая равновероятной среднюю нагруженность линии электропередачи вдоль ее длины на обслуживаемом ее конечном участке, получим, что напряжение в конце линии электропередачи станет, например, равным 220 B, то есть будет поднято на 50 В, и тогда в начале рассматриваемого конечного участка линии непосредственно после электронного заградителя обратного тока с учетом потерь в линии напряжение вырастет только на величину 50-(198-170)=22 B, то есть поднимется до 220 B. В этом случае абоненты всей линии электропередачи получат услуги от энергоснабжающей организации в пределах допустимых норм (от -10% до +5% от действующего напряжения сети 220 B). Иначе говоря, во всем рассматриваемом конечном участке линии электропередачи напряжение окажется неизменным и равным 220 B, и заявляемое устройство может рассматриваться в качестве виртуальной ТП, получающей питание от реально расположенной в начале линии электропередачи ТП.
Отметим, что при неиспользовании электронного заградителя обратного тока, что принципиально возможно, в расчетах потребной мощности при работе заявляемого устройства пришлось бы пойти на увеличение недостающей мощности, связанной с потерями в линии электропередачи для всех пользователей данной линии. Но при этом во всех точках линии напряжение поддерживалось бы одинаковым и равным номинальному значению 220 B. В частности, для восполнения потери энергии в линии электропередачи величина недостающей мощности была бы равна 8,2+50·[220-(220+198)/2]/220=10,7 кВт (общая потребляемая всеми нагрузками пользователей данной линии электропередачи при этом равна 50·10,7/8,2=65,2 кВт, Токовая нагрузка по каждой фазе с выхода ТП составляет при этом около 100 A).
Рассмотрим работу заявляемого устройства.
O
O
Коммутируемый накопитель энергии 1 (рис.1) представляет собой преобразователь реактивной энергии параллельно заряжаемых конденсаторов первой 2 и второй 5 накопительных LC-линий задержки соответственно через первый 3 и второй 4 двунаправленные транзисторные коммутаторы в первой и третьей четверти периодов сетевого напряжения, в течение которых также попеременно открываются первый 12 и второй 15 силовые транзисторы электронного заградителя обратного тока 8, обеспечивая заряд этих конденсаторов от линии электропередачи, связанной с ТП, в активную энергию разряжающихся конденсаторов в нагрузки потребителей электроэнергии обслуживаемой зоны линии электропередачи, при котором конденсаторы накопительных LC-линий задержки включены последовательно с помощью открываемого симистора 6 во второй и четвертой четвертях периодов сетевого напряжения. Использование, вместо одиночных конденсаторов, двух N-звенных LC-линий задержки позволяет затянуть во времени процессы заряда с малой постоянной времени конденсаторов этих линий до амплитудного напряжения сетевого напряжения U, действующего в конце линии электропередачи, и процессы разряда этих конденсаторов с вдвое большей постоянной времени в активную нагрузку группы потребителей обслуживаемой зоны, что позволяет увеличить амплитуду напряжения во второй и четвертой четвертях периодов почти до удвоенного значения 2U с квазиплоской вершиной амплитуды напряжения и тока разряда вследствие применения именно 2N-звенной последовательно соединенной накопительной LC-линии задержки, как это видно на рис.7.
N
N
1/2
Задержка τ заряд-разряда в многозвенной LC-линии задержки, как известно, равна τ=2πN(LC), поэтому заряд конденсаторов двух цепей мостовой схемы коммутируемого накопителя энергии 1 происходит вдвое быстрее разряда этих двух последовательно включенных симистором 6 линий задержки. Поэтому и амплитуда тока заряда выше амплитуды тока разряда. Согласно закону сохранения энергии, в первом приближении, соблюдается в каждом полупериоде соотношение вида:
<mrow><mstyle displaystyle="true"><mrow><munderover><mo>∫</mo><mn>0</mn><mrow><mi>T</mi><mo>/</mo><mn>4</mn></mrow></munderover><mrow><msub><mi>u</mi><mi>C</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>⋅</mo><mi>i</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mi>d</mi><mi>t</mi><mo>≈</mo><mo>−</mo><mstyle displaystyle="true"><mrow><munderover><mo>∫</mo><mrow><mi>T</mi><mo>/</mo><mn>4</mn><mo>+</mo><mi>Δ</mi><msub><mi>t</mi><mrow><mi>С</mi><mi>Д</mi><mi>В</mi><mo>.</mo></mrow></msub></mrow><mrow><mi>T</mi><mo>/</mo><mn>2</mn><mo>−</mo><mi>Δ</mi><msub><mi>t</mi><mrow><mi>З</mi><mi>А</mi><mi>К</mi><mi>Р</mi><mo>.</mo></mrow></msub></mrow></munderover><mrow><msub><mi>u</mi><mi>C</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>⋅</mo><mi>i</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mi>d</mi><mi>t</mi></mrow></mrow></mstyle></mrow></mrow></mstyle><mtext> и</mtext></mrow>
<mrow><mstyle displaystyle="true"><mrow><munderover><mo>∫</mo><mrow><mi>T</mi><mo>/</mo><mn>2</mn></mrow><mrow><mn>3</mn><mi>T</mi><mo>/</mo><mn>4</mn></mrow></munderover><mrow><msub><mi>u</mi><mi>C</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>⋅</mo><mi>i</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mi>d</mi><mi>t</mi><mo>≈</mo><mo>−</mo><mstyle displaystyle="true"><mrow><munderover><mo>∫</mo><mrow><mn>3</mn><mi>T</mi><mo>/</mo><mn>4</mn><mo>+</mo><mi>Δ</mi><msub><mi>t</mi><mrow><mi>С</mi><mi>Д</mi><mi>В</mi><mo>.</mo></mrow></msub></mrow><mrow><mi>T</mi><mo>−</mo><mi>Δ</mi><msub><mi>t</mi><mrow><mi>З</mi><mi>А</mi><mi>К</mi><mi>Р</mi><mo>.</mo></mrow></msub></mrow></munderover><mrow><msub><mi>u</mi><mi>C</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>⋅</mo><mi>i</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mi>d</mi><mi>t</mi></mrow></mrow></mstyle></mrow></mrow></mstyle><mo>.</mo></mrow>
то есть интегралы от мгновенных значений мощности при заряде и разряде накопительных LC-линий задержки 2 и 5 для соответствующих четвертей периодов переменного напряжения сети равны между собой по абсолютной величине. Знак минус в правых частях приблизительных равенств означает циркуляцию энергии от ТП к коммутируемому накопителю энергии 1 и от него обратно в направлении к ТП, как это имеет место при включении конденсатора (чисто реактивного элемента) к сети переменного тока, при котором электросчетчик активной энергии вообще не учитывает потребляемую энергию.
В данном устройстве это же будет иметь место для старых индуктивных электросчетчиков с вращающимися дисками (типа СО-2М и др.). В случае применения цифровых счетчиков и индукционных счетчиков со стопором обратного хода диска такие счетчики будут учитывать только половину потребленной пользователями активной энергии только в первой и третьей частях периодов напряжения сети. Разрядные токи накопительных LC-линий задержки и являются обратными токами, которые не пропускают закрытые в это время транзисторы электронного заградителя обратного тока 8, направляя эти токи в активные нагрузки пользователей обслуживаемой зоны линии электропередачи. Если заявляемое устройство применять без установки электронного заградителя обратного тока 8, то фазные электросчетчики ТП, как правило, цифровые, будут недоучитывать всю расходуемую пользователями электроэнергию. При полном сборе оплаты за израсходованную абонентами электроэнергию такая ситуация будет интерпретироваться энергоснабжающими организациями как снижение технических потерь на линии электропередачи.
C
O
Отметим, что поскольку в первой и третьей четвертях периодов u(t)=Usin2πFt, где F - частота переменного напряжения сети (50 Гц), то интегралы в левых частях указанных равенств будут иметь вид:
<mrow><msub><mi>U</mi><mi>O</mi></msub><mstyle displaystyle="true"><mrow><munderover><mo>∫</mo><mn>0</mn><mrow><mi>T</mi><mo>/</mo><mn>4</mn></mrow></munderover><mrow><mi>i</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mi>sin</mi><mi>ω</mi><mi>t</mi><mi>d</mi><mi>t</mi><mo>≈</mo><mo>−</mo><mstyle displaystyle="true"><mrow><munderover><mo>∫</mo><mrow><mi>T</mi><mo>/</mo><mn>4</mn><mo>+</mo><mi>Δ</mi><msub><mi>t</mi><mrow><mi>С</mi><mi>Д</mi><mi>В</mi><mo>.</mo></mrow></msub></mrow><mrow><mi>T</mi><mo>/</mo><mn>2</mn><mo>−</mo><mi>Δ</mi><msub><mi>t</mi><mrow><mi>З</mi><mi>А</mi><mi>К</mi><mi>Р</mi><mo>.</mo></mrow></msub></mrow></munderover><mrow><msub><mi>u</mi><mi>C</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>⋅</mo><mi>i</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mi>d</mi><mi>t</mi></mrow></mrow></mstyle></mrow></mrow></mstyle><mtext> и</mtext></mrow>
<mrow><msub><mi>U</mi><mi>O</mi></msub><mstyle displaystyle="true"><mrow><munderover><mo>∫</mo><mrow><mi>T</mi><mo>/</mo><mn>2</mn></mrow><mrow><mn>3</mn><mi>T</mi><mo>/</mo><mn>4</mn></mrow></munderover><mrow><mi>i</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mi>sin</mi><mi>ω</mi><mi>t</mi><mi>d</mi><mi>t</mi><mi>d</mi><mi>t</mi><mo>≈</mo><mo>−</mo><mstyle displaystyle="true"><mrow><munderover><mo>∫</mo><mrow><mn>3</mn><mi>T</mi><mo>/</mo><mn>4</mn><mo>+</mo><mi>Δ</mi><msub><mi>t</mi><mrow><mi>С</mi><mi>Д</mi><mi>В</mi><mo>.</mo></mrow></msub></mrow><mrow><mi>T</mi><mo>−</mo><mi>Δ</mi><msub><mi>t</mi><mrow><mi>З</mi><mi>А</mi><mi>К</mi><mi>Р</mi><mo>.</mo></mrow></msub></mrow></munderover><mrow><msub><mi>u</mi><mi>C</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>⋅</mo><mi>i</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mi>d</mi><mi>t</mi></mrow></mrow></mstyle></mrow></mrow></mstyle><mo>.</mo></mrow>
O
где ω=2πF. Поэтому при известном значении U (например, 170 B) решением интегрального уравнения можно найти действующее и максимальное значение тока заряда конденсаторов параллельно включенных накопительных LC-линий задержки 2 и 5.
Средняя мощность P потребляемой из сети электроэнергии равна:
<mrow><mi>P</mi><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>4</mn><msub><mi>U</mi><mi>O</mi></msub><mo>/</mo><mi>T</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mstyle displaystyle="true"><mrow><munderover><mo>∫</mo><mn>0</mn><mrow><mi>T</mi><mo>/</mo><mn>4</mn></mrow></munderover><mrow><mi>i</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mi>sin</mi><mi>ω</mi><mi>t</mi><mi>d</mi><mi>t</mi></mrow></mrow></mstyle></mrow>
.
ЗАР.СР
O
В рассматриваемом нашем примере Р=50 кВт, поэтому среднее действующее значение зарядного тока по каждой фазе I=Р/3U=98 A, что следует учитывать при выборе силовых транзисторов мостовой схемы и электронного заградителя обратного тока, имея в виду, что пиковое значение зарядного тока может оказаться вдвое больше среднего действующего (например, транзисторы мостовой схемы должны быть рассчитаны на пиковый ток заряда порядка 150 A, а транзисторы 12 и 15 - на ток порядка 300 A). Этим условиям удовлетворяют силовые транзисторы типа ТКД265-100-6-1, число которых в мостовой схеме по каждой из фаз должно быть равно 4, и столько же в электронном заградителе обратного тока в паре из двух параллельно соединенных транзисторов, а всего в трехфазной схеме устройства таких транзисторов должно быть 24.
O
СДВ.
O
N
N
разр. max
<mrow><mi>W</mi><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>C</mi><mo>/</mo><mn>2</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>2</mn><msub><mi>U</mi><mi>O</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup><mo>/</mo><mn>2</mn><mo>=</mo><mi>C</mi><msubsup><mi>U</mi><mi>O</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow>
<mrow><msub><mi>I</mi><mrow><mi>р</mi><mi>а</mi><mi>з</mi><mi>р</mi><mo>.</mo><mi>max</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mi>C</mi><msubsup><mi>U</mi><mi>O</mi><mn>2</mn></msubsup><mo>/</mo><mn>2</mn><mo>⋅</mo><mn>220</mn><mi>π</mi><mi>N</mi><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>L</mi><mi>C</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mn>1</mn><mo>/</mo><mn>2</mn></mrow></msup></mrow>
1/2
В первой четверти периодов открытыми являются верхние транзисторы первого 3 и второго 4 двунаправленных транзисторных коммутаторов и первый силовой транзистор 12 электронного заградителя обратного тока 8, и при этом конденсаторы первой 2 и второй 5 накопительных LC-линий задержки заряжаются с постоянной времени порядка 2 мс, что обеспечивает их заряд практически до амплитудного напряжения U≈1,41·170=240 B (при действующем напряжении в конце линии электропередачи, равном 170 B). Затем эти транзисторы закрываются и через некоторое время Δt≈0,3 мс во второй четверти периодов открывается симистор 6 и происходит разряд конденсаторов, последовательно соединенных линий задержки 2 и 5, с начальным напряжением, несколько меньшем значения 2 U≈480 B, в активные нагрузки пользователей. Это напряжение действовало бы в первый момент включения симистора 6, если бы применялись, вместо линий задержки, просто одиночные конденсаторы, а затем разряд конденсаторов был бы экспоненциально падающим. При применении именно линий задержки огранчивается разрядный ток линий задержки, величина которого, в первом приближении, равна запасенной в конденсаторах двух линий задержки энергии
, отнесенного к произведению напряжения 220 B на время разряда линий задержки τ=2πN(LC), то есть амплитуда разрядного тока равна
(если с помощью заявляемого устройства восстанавливается на конце линии электропередачи действующее напряжение в 220 B). Из этого выражения для разрядного тока видно, что увеличение времени задержки в линиях задержки 2 и 5 снижает разрядный ток, что ведет к соответствующему снижению напряжения в активных нагрузках пользователей. Следовательно, выбором суммы емкостей N конденсаторов в каждой из двух линий задержки, а также времени задержки τ в 2N-звенной линии задержки последовательно соединенных линий задержки 2 и 5, можно для известной среднестатистической активной нагрузки пользователей обслуживаемой зоны выбрать такую величину тока I, при которой обеспечивается напряжение в конечном участке линии электропередачи, равное 220 B.
разр.
max
N
N
<mrow><mi>С</mi><mo>=</mo><mn>220</mn><msub><mi>I</mi><mrow><mi>р</mi><mi>а</mi><mi>з</mi><mi>р</mi><mo>.</mo><mi>max</mi></mrow></msub><msub><mi>τ</mi><mi>N</mi></msub><mo>/</mo><msubsup><mi>U</mi><mi>O</mi><mn>2</mn></msubsup><mo>=</mo><mn>220</mn><mo>⋅</mo><mn>75,8</mn><mo>⋅</mo><mn>0,004</mn><mo>/</mo><msup><mrow><mn>170</mn></mrow><mn>2</mn></msup><mo>=</mo><mn>0,0023</mn><mtext> </mtext><mi>Ф</mi><mo>=</mo><mn>2300</mn><mtext> </mtext><mi>м</mi><mi>к</mi><mi>Ф</mi><mo>.</mo></mrow>
2
2
-6
2
-3
Так, при мощности потребления на данном участке пользователей в P=50 кВт равномерно по всем трем фазам величина этого тока приблизительно равна I.≈50000/3·220=75,8 A. Тогда, принимая значение τ равным 4 мс, получим величину суммарной емкости C для каждой из линий задержки 2 и 5, равную
Рабочее напряжение всех конденсаторов должно быть выбрано не менее 300 B. Если использовать отдельные конденсаторы в линиях задержки по 100 мкФ, то линии выполняются многозвенными при N=23. При этом легко рассчитать величину применяемых индуктивностей в линиях задержки 2 и 5, равную L=(τ/2πN)/С=(0,004/6,28·23)/0,0023=0.33344·10 Гн=0,333 мкГн. Катушки индуктивности можно выполнить медным изолированным проводником диаметром 2,5 мм, каждая из которых имеет по 4 витка диаметром 3 см с полной длиной намотки 35 мм (то есть с шагом 8,75 мм), что рассчитано по известной формуле Нагока L=10Dn/[(l/D)+0.44], где D и l - диаметр и длина намотки катушки в сантиметрах, n - число витков в катушке, индуктивность которой также выражается в сантиметрах (1 см=0,9·10 мкГн).
В качестве симистора в данном примере можно использовать симистор ТС-151-160 класса не ниже 6-го (на рабочее напряжение 600 B при рабочем токе до 100 A).
То же самое происходит при заряде 46-и конденсаторов двух накопительных LC-линий задержки 2 и 5 в третьей четверти периодов, но при этом открытыми становятся нижние транзисторы двунаправленных транзисторных коммутаторов 3 и 4 и второй силовой транзистор 15 электронного заградителя обратного тока 8, при замене знака зарядного тока (для отрицательной полуволны переменного напряжения).
СДВ.
ЗАКР.
Во второй и четвертой четвертях периодов с небольшой задержкой Δt≈0,3 мс от начал этих четвертей открывается симистор 6, включающий линии задержки последовательно к активным нагрузкам пользователей при всех полностью закрытых транзисторах мостовой схемы и электронного заградителя обратного тока. Указанная задержка включения симистора 6 реализуется аппаратно и гарантирует закрытые транзисторы от их пробоя. Выключение проводимости симистора 6 происходит автоматически при снижении разрядного тока до величины, обусловленной паспортными характеристиками данного симистора на отключение в соответствии с физикой его работы. При этом симистор закрывается до окончания соответствующих четвертей (второй и четвертой) на малый интервал времени Δt (как показано на рис.7б), например, порядка 0.2 мс.
Алгоритм функционирования схемы возложен на работу блока управления транзисторами и симистором (рис.3). Рассмотрим действие этого блока.
<mrow><msub><mi>A</mi><mo>*</mo></msub><mover accent="true"><mi>B</mi><mo>¯</mo></mover></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>A</mi><mo>¯</mo></mover><mo>*</mo></msub><mi>B</mi></mrow>
И
СДВ.
СДВ.
К фазному проводнику подключены две цепи формирования импульсов длительностью 5 мс, связанных с первой и третьей четвертью. Первая из этих цепей содержит последовательно соединенные первый регулируемый делитель 16 напряжения фазы A, компаратор 17, вырабатывающий «меандровые» импульсы (со скважностью, равной двум) с ТТЛ-уровнями логических «0» и «1» и инвертор 18. Вторая цепь дополнительно включает регулируемую двухзвенную фозосдвигающую RC-цепочку 20 и те же элементы первой цепи - 21, 22 и 23. Прямой выход первого компаратора 17 (логический сигнал A) и инверсный выход второго компаратора 22 (то есть с выхода второго инвертора 23 - логический сигнал B) подключены ко входам первой схемы совпадений 19, на выходе которой формируются импульсы длительностью 5 мс согласно логической функции конъюнкции
для формирования первых четвертей периодов сетевого напряжения. Прямой выход компаратора 22 и инверсный выход первого компаратора 17 (то есть с выхода первого инвертора 18) подаются на входы второй схемы совпадений 24, реализующей логическую функцию конъюнкции
, то есть формирующей импульсы третьей четверти периодов сетевого напряжения (см. рис.6). В дальнейшем эти импульсы усиливаются по мощности и воздействуют через трансформаторные выходы на соответствующие транзисторы мостовой схемы - первого 3 и второго 4 двунаправленных транзисторных коммутаторов, а также на транзисторы 12 и 15 электронного заградителя обратного тока 8. Кроме того, эти же импульсы суммируются в логической схеме «ИЛИ» 29, после чего осуществляется формирование запускающих импульсов симистора 6 в цепи, состоящей из последовательно соединенных первого формирователя фронтальных импульсов 30, генератора импульсов временного сдвига 31, второго формирователя фронтальных импульсов 32, генератора импульсов запуска симистора 33, усилителя этих импульсов 34 и усилителя мощности с трансформаторным выходом 35, вторичная обмотка трансформатора которого подключена к управляющему переходу симистора 6. Отметим, что схема формирования импульсов запуска τ с их временным сдвигом Δt относительно начал второй и четвертой четвертей периодов сетевого напряжения представлена на рис.4, и ее работа поясняется на рис.5 (для первой четверти периодов). Первый 30 и второй 32 формирователи фронтальных импульсов формируют короткие импульсы (аналог дифференцированию), привязанные во времени к фронту действующих на них импульсов, и не чувствительны к спаду последних. Это и позволяет организовать требуемый временной сдвиг Δt, величина которого определяется суммой длительностей двух импульсов от формирователей фронтальных импульсов 30 и 32 и генератора импульсов сдвига 31, как это видно на рис.5 и на рис.7б.
Функционирование блока управления транзисторами и симистором поясняется временными диаграммами на рис.6 для различных точек в блоке 7, указанных цифрами соответствующих элементов, связи которого с мостовой схемой и электронным заградителем обратного тока показаны строчными буквами русского алфавита.
Схема включения заявляемого устройства по всем трем фазам показана на рис.2 и каких-либо пояснений не требует.
Заявленное техническое решение может быть использовано и по иному назначению - для проверки вновь разрабатываемых электронных приборов учета электроэнергии, которые были бы способны учитывать без погрешностей потребляемую активную энергию потребителями в случае использования данного устройства без электронного заградителя обратного тока, при котором существующие цифровые электросчетчики учитывают только половину расходуемой энергии, на которую рассчитано заявляемое устройство - его коммутируемый накопитель энергии 1 (рис.1).