СПОСОБ ПИТАНИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD TO SUPPLY TO ELECTROTECHNICAL APPLIANCES AND DEVICE FOR ITS REALISATION

Изобретение относится к электротехнике, в частности к способам и устройствам для питания электротехнических устройств.
Принято считать, что для реактивной мощности отсутствует единое физически обоснованное определение, что может быть связанно с отсутствием для нее универсальной физической конструкции (Зиновьев Г.С. О реактивной мощности в электрической цепи. Известия АН СССР. Энергетика и транспорт, 1986, №4, с.80-86).
Известно, что определение реактивной мощности связанно с интенсивностью колебательных процессов обмена электромагнитной реактивной энергии между реактивными элементами электрической цепи (Демирчан К.С. Реактивная или обменная мощность. Известия АН СССР. Энергетика и транспорт, 1984, №2, с.66-72).
Существуют электрические устройства, в которых активная мощность пренебрежительно мала, а основной компонентной мощности является реактивная мощность. Это например, синхронные компенсаторы, которые при перевозбуждении являются источниками, а при недовозбуждении - потребителями реактивной мощности (Копылов И.П. Электрические машины. М., Логос, 2000, с.436-438).
Примером электрических цепей, в которых основной компонентой является реактивная мощность в цепи, является резонансный контур.
L
1
2
Источником реактивной мощности являются конденсаторы, а индуктивность и шунтовые реакторы являются потребителями реактивной мощности. В резонансном контуре происходит обмен реактивной энергии между конденсаторами и катушкой индуктивности контура. В процессе колебаний энергия электрического поля конденсатора превращается в энергию магнитного поля катушки, и затем происходит обратный процесс. При резонансном контуре ЭДС емкости и ЭЗС самоиндукции катушки индуктивности в Q раз больше напряжения внешнего генератора, приложенного к этой цепи, где  - добротность контура, X и R - индуктивное и активное сопротивление контура. Обычно Q=10-100. Если реактивное сопротивление резонансного контура является индуктивным сопротивлением низковольтной обмотки трансформатора, увеличенное в Q раз напряжение внешнего генератора увеличивается еще в n раз на выходе трансформатора, где  - коэффициент трансформации, W, W обмоток трансформатора ЭДС самоиндукции и ЭДС взаимной индукции в индуктивных сопротивлениях трансформатора отстает от тока на четверть периода или на 90° (Калашников A.M., Степук Я.В. Основы радиотехники и радиолокации. Колебательные системы. М., 1965, с.33-35, 138).
Известны способ и устройство для передачи электрической энергии по высоковольтной линии постоянного тока. В известном способе напряжение и ток генератора электрической энергии выпрямляют и передают по кабельной или воздушной линии постоянного тока потребителю, у потребителя производят преобразование постоянного тока в переменный промышленной частоты с помощью инвертора.
2
2
Недостатком известных способа и устройства являются большие потери энергии на сопротивлении линии и большой расход проводникового материала. В кабельной линии постоянного тока между Грецией и Италией длиной 163 км при передаваемой мощности 500 МВт и напряжении 400 кВ сечение проводника из меди составляет 1250 м при плотности тока 1 А/мм и потерях мощности в линии 11 МВт (Power Engineering, 2002, v.10, №10, с.25, 27).
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ питания электротехнических устройств с использованием генератора переменного напряжения, подключаемого к потребителю, в котором напряжение генератора подают на низковольтную обмотку высокочастотного трансформаторного преобразователя, а один из выводов высоковольтной обмотки соединяют с одной из входных клемм электротехнического устройства, при этом изменением частоты генератора добиваются установления резонансных колебаний в образованной электрической цепи.
Устройство, реализующее данный способ, представляет собой источник переменного напряжения с регулируемой частотой, высокочастотный трансформатор, один вывод высоковольтной секции которого изолирован, а второй предназначен для подачи энергии потребителю (патент РФ №2108649, 11.04.1995).
Вместо понижающего трансформатора Тесла может быть использован диодно-конденсаторный блок, который используется в схемах удвоения напряжения и выполнен из двух встречно включенных диодов, соединенных с конденсатором, общая точка диодов соединена с источником питания (Электротехнический справочник. М., Энергия, т.1, 1971, с.871).
При подаче на диодно-конденсаторный блок переменного напряжения положительная волна переменного реактивного тока идет на одну обкладку конденсатора, а отрицательная - на другую обкладку. Конденсатор будет накапливать заряды, пока напряжение на его выводах не достигнет положительной и отрицательной амплитуды переменного напряжения на общей точке диодов, тогда диоды окажутся запертыми и заряд конденсатора прекратится. Так работает известная схема выпрямителя с удвоением напряжения.
Недостатком всех известных способов и устройств питания электротехнических устройств является недостаточно высокий КПД из-за потерь высокочастотной энергии на сопротивлении и на рассеяние в окружающей проводящей среде.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение КПД способа и устройств питания электротехнических приборов и снижение потерь при питании электротехнических устройств.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение эффективности и снижение потерь при питании электротехнических устройств.
1
2
1
2
2
1
Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в способе питания электротехнических приборов с использованием генератора переменного напряжения путем передачи напряжения от генератора на низковольтную обмотку высокочастотного трансформатора, соединения выводов высоковольтной обмотки этого преобразователя с выходными клеммами питаемого электрического прибора и установления резонансных колебаний в электрической цепи, электрическую энергию на низковольтовую обмотку высокочастотного трансформатора передают через блок от двух высокочастотных генераторов через блок из последовательно включенных с генераторами конденсаторов с разностью частот Δ=f-f, где f - частота первого генератора, f - частота второго генератора, f - составляет 1-100 кГц, а Δ=0,01-0,1f, а часть электрической энергии с высоковольтной обмотки передают через блок преобразователя напряжения обратной связи на генераторы, питающие низковольтную обмотку.
В устройстве для питания электротехнических приборов, содержащем источник переменного напряжения с регулируемой частотой, высокочастотный трансформатор, устройство содержит два высокочастотных генератора, выводы которых через конденсаторы соединены последовательно с низковольтной обмоткой высокочастотного трансформатора и имеет дополнительный пятый конденсатор, который параллельно соединен с низковольтной обмоткой, высоковольтная обмотка высокочастотного трансформатора соединена с электротехническим прибором и через преобразователь напряжения соединена со входами двух высокочастотных генераторов.
Способ и устройство для питания электротехнических приборов иллюстрируется фиг.1, на которой представлена электрическая схема способа и устройства питания электротехнических приборов.
На фиг.1 два высокочастотных генератора 1 и 2 получают электрическую энергию от источника внешнего питания 3 через переключатель 4. Генератор 1 через конденсаторы 5 и 6 и генератор 2 через конденсаторы 7 и 8 последовательно соединены с низковольтной обмоткой 9 повышающего высокочастотного трансформатора 10. Выводы низковольтной обмотки 9 соединены через конденсатор 11. Выводы высоковольтной обмотки 12 трансформатора 10 соединены с питаемым электротехническим электротехническим прибором 13 и через блок преобразователя напряжения обратной связи 14 и переключатель 15 соединены с источником внешнего питания 3.
1
2
Способ и устройство работают следующим образом. При подаче напряжения от внешнего источника 3 через переключатель 4 на высоковольтные генераторы 1 и 2 напряжение от генераторов 1 и 2 через конденсаторы 5, 6, 7, 8 подается на низковольтную обмотку 9 высокочастотного трансформатора 10. В последовательном контуре из конденсаторов 1, 2, 3, 4 и индуктивности 9 возникает резонанс напряжений и колебания реактивной мощности с частотой биений Δ=f-f, равной разности частот генераторов 1 и 2. В низковольтной обмотке 9 и в высоковольтной обмотке 12 ток опережает напряжение на 90°. Напряжение с высоковольтной обмотки 12 поступает на электротехнический прибор 13 и через блок преобразователя напряжения обратной связи 14 и переключатель 15 на выход высоковольтных генераторов 1 и 2. Наличие блока обратной связи 1 увеличивает эффективность работы устройства и повышает надежность его функционирования.
Пример осуществления способа и устройства питания электротехнического прибора.
1
2
1
2
1
В качестве источника внешнего питания 3 используют аккумуляторную батарею 12 В, 65 А·ч. Высоковольтные генераторы 1 и 2 выполнены в виде транзисторных преобразователей частоты мощностью по 150 Вт каждый с частотой f=50кГц и f=55 кГц с разностью частот Δ=f-f=5 кГц=0,1·f.
Напряжение на выводах высоковольтной обмотки 12 составляет 220 В, электрическая мощность 300 Вт. В качестве электротехнического прибора 13 использованы 5 ламп мощностью 30 Вт, соединенные параллельно. Блок преобразователя обратной связи 14 преобразует напряжение 220 В напряжение 12 В постоянного тока и подает его через переключатель 15 в виде энергии обратной связи на подзарядку аккумуляторной батареи 3 и на питание преобразователей частоты 1 и 2.
Источники информации
1. Зиновьев Г.С. О реактивной мощности в электрической цепи. Известия АН СССР. Энергетика и транспорт, 1986, №4, с.80-86.
2. Демирчан К.С. Реактивная или обменная мощность. Известия АН СССР. Энергетика и транспорт, 1984, №2, с.66-72.
3. Копылов И.П. Электрические машины. М., Логос, 2000, с.436-438.
4. Калашников A.M., Степук Я.В. Основы радиотехники и радиолокации. Колебательные системы. М., 1965, с.33-35, 138.
5. Power Engineering, 2002, v.10, №10, с.25, 27.
6. Патент РФ №2108649, 11.04.1995.
7. Электротехнический справочник. М., Энергия, т.1, 1971, с.871.