Устройство передачи электроэнергии

Предлагаемая полезная модель относится к области электротехники, а именно к устройствам для передачи электрической энергии,  и может найти применение в электрическом оборудовании ЛЭП, в частности в однопроводных резонансных системах передачи электроэнергии.
Известна «Энергосберегающая однопроводная резонансная система передачи электрической энергии» (патент РФ на ПМ №106458, Н02J 17/00), содержащая высокочастотный генератор, повышающий и понижающий высокочастотные трансформаторы, соединенные между собой однопроводной линией электропередачи, выпрямитель, соединенный с нагрузкой, а также измеритель выходной мощности высокочастотного генератора, измеритель мощности понижающего высокочастотного трансформатора, устройство сравнения мощностей, и устройство сравнения частот.
В данной системе обеспечено значительное повышение КПД энергосберегающей однопроводной резонансной системы передачи, однако данная система имеет следующие недостатки:
- необходимость использования дополнительных соединительных проводов между передающей частью резонансной однопроводной системы и приемной частью, для образования обратных связей, которые должны поддерживать режим резонанса в данной системе;
- регулировки обратных связей происходят с применением дополнительных переменных емкостей, которые ослабляют надежность данной системы;
- измерители мощности и частоты, выполненные в виде отдельных устройств, утяжеляют схемотехнику устройства, увеличивают габариты, понижают надежность.
Наиболее близким по своей технической сущности и достигаемому результату к настоящей полезной модели является «Способ и устройство передачи электрической энергии»  по патенту России на ИЗ №2423772, Н02J 17/00, выбранный в качестве прототипа.
Данное устройство передачи электрической энергии содержит  передающий блок, подключенный к источнику электроэнергии, и связанный однопроводной линией электропередачи с приемным блоком, подключенным к нагрузке, при этом передающий блок имеет схему преобразователя частоты, соединенного с резонансным контуром, имеющим первичную обмотку выходного высокочастотного трансформатора, а приемный блок имеет понижающий трансформатор и выпрямитель, при этом в преобразователе частоты выполнены одна обратная связь по напряжению для поддержания значения выходного напряжения в линии электропередачи на постоянном уровне, соответствующем максимальной нагрузке, и вторая обратная связь по частоте для синхронизации задающего генератора с резонансной частотой выходного трансформатора и линии электропередачи, и третья обратная связь для стабилизации напряжения в нагрузке, соединяющая выход выпрямителя приемного блока с преобразователем частоты.
Недостатками выше приведенного устройства являются:
- необходимость использования дополнительных соединительных проводов между передающей частью резонансной однопроводной линии электропередачи и приемной частью, для образования обратных связей, которые должны поддерживать режим резонанса в данном устройстве, что повышает требования к материалам линии электропередачи и увеличивает ее стоимость,
- невозможность обеспечения плавного запуска передающей части однопроводной линии электропередачи для предотвращения перегрузки источника первичного питания однопроводной линии электропередачи.
Задачей настоящей полезной модели является создание устройства передачи электроэнергии с высокой степенью надежности за счет сокращения количества проводов, соединяющих передающую часть  устройства с его приемной частью, а также за счет обеспечения плавного запуска устройства, а также создание устройства передачи электроэнергии с  максимально высоким КПД передачи электрической энергии за счет обеспечения самостоятельного перезапуска устройства при пропадании первичного электропитания и его последующего включения.
Техническим результатом предложенной полезной модели является  повышение КПД работы устройства передачи электроэнергии при одновременном повышении надежности его работы.
Поставленный технический результат достигается за счет того, что устройство передачи электроэнергии, содержащее схему преобразователя напряжения, связанную с резонансным контуром с трансформатором, и имеющую обратную связь по частоте и по напряжению, а также содержит схему питания, соединенную со схемой управления режимами устройства передачи, которые подключены между источником электроэнергии и схемой преобразователя напряжения, а также содержит схему контроля и управления током нагрузки, подключенную между схемой преобразователя напряжения и резонансным контуром, при этом  схема питания содержит включенные последовательно входной автомат, сетевой фильтр и выпрямитель, подключенный к блоку накопительных конденсаторов, а также  вспомогательный трансформатор питания, подключенный к выпрямителю и стабилизатору питания схем управления, и к сетевому фильтру, при этом выпрямитель и стабилизатор питания схем управления подключен к схеме управления режимами устройства передачи, к схеме преобразователя напряжения и схеме контроля и управления током нагрузки, схема преобразователя напряжения содержит задающий генератор, подключенный к блоку обратных связей по частоте и напряжению, а также через драйвер управления силовыми транзисторами к усилителю мощности, подключенному к блоку накопительных конденсаторов, а также к схеме контроля и управления током нагрузки, а схема управления режимами устройства передачи содержит блок плавного заряда, соединенный с выпрямителем и блоком накопительных конденсаторов, а также блок блокировки запуска, соединенный с блоком пуска/останова, и с блоком контроля напряжения, соединенным с блоком накопительных конденсаторов, при этом блок пуска/останова имеет переключатели режимов «пуск/останов» и «ручной/автоматический», а блок плавного заряда выполнен с возможностью осуществления предварительной зарядки силовых емкостей блока накопительных конденсаторов при первичном включении и после длительного останова устройства передачи электроэнергии из-за перерыва в электропитании, а блок пуска/останова выполнен с возможностью контролирования степени заряда силовых емкостей блока накопительных конденсаторов, и при низком уровне их заряда блокирует запуск устройства передачи электроэнергии до того момента, пока силовые емкости не наберут достаточный заряд, чтобы не перегружать источник электроэнергии, а блок пуска и останова выполнен с возможностью осуществления автоматического перезапуска устройства передачи электроэнергии.
Предпочтительно, чтобы в устройстве передачи электроэнергии  схема контроля и управления током нагрузки содержала подключенные последовательно трансформатор тока, блок контроля тока нагрузки, и блок нагрузки, подключенный к однопроводной линии, при этом трансформатор тока был подключен к усилителю мощности и резонансному контуру.
Целесообразно, чтобы в устройстве передачи электроэнергии блок пуска/останова содержал генератор одиночного импульса, соединенный с логическим элементом, а также связанный с таймером, который подключен к задающему генератору, и связан с блоком конденсаторов и выпрямителем, при этом логический элемент был подключен к блоку блокировки запуска, а  генератор одиночного импульса подключен к переключателям режимов «пуск/останов» и «ручной/автоматический».
Желательно, чтобы устройство передачи электроэнергии содержало, по меньшей мере, один датчик температуры, каждый из которых установлен рядом с силовыми электронными элементами устройства передачи электроэнергии, а также рядом с трансформатором резонансного контура, и содержит, по меньшей мере, один охладитель для охлаждения  силовых электронных элементов устройства передачи электроэнергии, а также трансформатора резонансного контура,  и схему управления охладителями, к которой подключены все датчики температуры и все охладители, и которая выполнена с возможностью включения охладителей при превышении заданной температуры силовых электронных элементов, а также трансформатора резонансного контура, и последующего их отключения при охлаждении данных силовых электронных элементов и трансформатора резонансного контура.
Предпочтительно, чтобы устройство передачи электроэнергии содержало корпус из проводящего материала для размещения в нем данного устройства, при этом корпус был выполнен с его заземлением, а  устройство передачи электроэнергии соединено с однопроводной линией через специальный разъем для коаксиального кабеля.
Для более подробного раскрытия полезной модели далее приводится описание конкретных возможных вариантов ее выполнения с соответствующим чертежом.
Фиг.1 – упрощенная блок-схема устройства передачи электроэнергии,  выполненная согласно полезной модели.
Устройство передачи электроэнергии 1 (Фиг. 1) соединено однопроводной линией электропередачи 2 с приемным  блоком 3, подключенным к нагрузке. При этом устройство передачи электроэнергии 1 содержит схему питания 4, которая связана со схемой управления режимами 5 устройства передачи, и со схемой преобразователя напряжения 6,  которая подключена к схеме контроля и управления током нагрузки 7, и резонансному контуру 8, подключенному к  однопроводной линии электропередачи 2.
Схема питания 4 содержит включенные последовательно входной автомат 4.1, сетевой фильтр 4.2 и выпрямитель 4.3, а также  выпрямитель и стабилизатор питания 4.4 схем управления, соединенный с вспомогательным трансформатором питания 4.5, и блок накопительных конденсаторов 4.6, соединенный с выпрямителем 4.3.
Схема управления режимами 5 устройства передачи, содержит блок плавного заряда 5.1, соединенный с выпрямителем 4.3 и блоком накопительных конденсаторов 4.6, а также блок блокировки запуска 5.2, соединенный  с блоком контроля напряжения 5.3 и блоком пуска/останова 5.4, имеющим переключатели 5.5 режимов «пуск/останов» и «ручной/автоматический».
Схема преобразователя напряжения 6, содержит задающий генератор 6.1, подключенный  через драйвер управления 6.2 силовыми транзисторами к усилителю мощности 6.3, и блоку обратных связей по частоте и напряжению 6.4, подключенному к резонансному контуру 8.
Схема контроля и управления током нагрузки 7 содержит подключенные последовательно трансформатор тока 7.1, блок контроля тока нагрузки 7.2, и блок нагрузки 7.3, подключенный к однопроводной линии 2, при этом трансформатор тока 7.1 подключен к усилителю мощности 6.3 и резонансному контуру 8.
Выпрямитель и стабилизатор питания 4.4 схем управления подключен к схеме управления режимами 5 устройства передачи, схеме преобразователя напряжения 6 и схеме контроля и управления током нагрузки 7, блок накопительных конденсаторов 4.6 подключен к усилителю мощности 6.3, а блок пуска-останова 5.4 подключен к задающему генератору 6.1.
Блок пуска/останова 5.4 содержит генератор одиночного импульса, соединенный с логическим элементом, а также связанный с таймером (на Фиг. 1 не показаны), который подключен к задающему генератору 6.1, и связан с блоком накопительных конденсаторов 4.6 и выпрямителем 4.3, при этом логический элемент подключен к блоку блокировки запуска 5.2, а  генератор одиночного импульса подключен к переключателям 5.5 режимов «пуск/останов» и «ручной/автоматический».
Приемный блок 3 может быть выполнен в виде высокочастотного трансформатора и выпрямителя (на Фиг. 1 не показаны).
В предпочтительном варианте выполнения устройство передачи электроэнергии может содержать, по меньшей мере, один датчик температуры (на Фиг. 1 не показаны), каждый из которых установлен рядом с силовыми электронными элементами устройства передачи электроэнергии, а также рядом с трансформатором резонансного контура, и содержит, по меньшей мере, один охладитель (на Фиг. 1 не показаны), для охлаждения  силовых электронных элементов устройства передачи электроэнергии, а также трансформатора резонансного контура,  и схему управления охладителями (на Фиг. 1 не показана), к которой подключены все датчики температуры и все охладители, и которая выполнена с возможностью включения охладителей при превышении заданной температуры силовых электронных элементов, а также трансформатора резонансного контура, и последующего их отключения при охлаждении данных силовых электронных элементов и трансформатора резонансного контура.
Также устройство передачи электроэнергии, для обеспечения электромагнитной совместимости, может содержать корпус из проводящего материала (на Фиг. 1 не показан), для размещения в нем данного , при этом корпус выполнен с его заземлением, а  передающий блок соединен с однопроводной линией через специальный разъем для коаксиального кабеля. Как вариант, в данном случае можно использовать коаксиальный кабель (его центральную жилу), внешняя оплетка которого соединяется с низко потенциальным концом вторичной обмотки передающего трансформатора резонансного контура 8, и низко потенциальным концом первичной обмотки приемного трансформатора резонансного контура 8.
Устройство передачи электроэнергии работает следующим образом.
От источника электроэнергии (питания), в качестве которого может быть использована обычная трехфазная сеть переменного напряжения 380В (или однофазного -220В) частотой 50 Гц, или генератор переменного тока, электроэнергия поступает на вводной автомат 4.1 схемы питания 4. При этом в качестве источника постоянного тока могут также  использоваться аккумуляторы, системы солнечных батарей и т.д.
При первичном пуске устройства передачи энергии 1, чтобы не перегружать источник питания по току, используют схему управления режимами 5 устройства передачи. Данная схема не дает команды на включение устройства передачи энергии 1 до того момента, пока накопительные емкости  блока накопительных конденсаторов 4.6 не наберут заданную величину заряда.
Схема управления режимами 5 устройства передачи включается при начальном запуске  устройства передачи энергии 1, или при его длительном отключении.
При этом вводной автомат 4.1 схемы питания 4 осуществляет защиту линии питания от перегрузки, в следствии  чрезмерного увеличения потребляемого тока, либо увеличения значения питающего напряжения, сетевой фильтр 4.2 осуществляет защиту устройства передачи энергии 1 от импульсных помех и осуществляет фильтрацию высокочастотных помех, а выпрямитель 4.3 осуществляет выпрямление трехфазного напряжения для питания усилителя мощности 6.3.
Вспомогательный трансформатор питания 4.5 и выпрямитель и стабилизатор питания 4.4 схем управления осуществляют низковольтное питание всех схем управления устройства передачи энергии 1.
Блок плавного заряда 5.1 осуществляет плавную зарядку конденсаторов блока накопительных конденсаторов 4.6. В начальный момент времени, при срабатывании вводного автомата 4.1, заряд конденсаторов осуществляется через гасящий резистор током примерно 5 А. При этом одновременно блоком контроля напряжения 5.3 и блоком блокировки запуска 5.2 осуществляется блокировка задающего генератора 6.1 до достижения порогового напряжения на конденсаторах блока накопительных конденсаторов 4.6.
При увеличении напряжения на конденсаторах блока накопительных конденсаторов 4.6. свыше 250В срабатывает блок контроля напряжения 5.3, который снимает блокировку запуска задающего генератора 6.1.
После этого, запуск устройства передачи энергии 1 может быть осуществлен либо кнопкой «Пуск» переключателей 5.5, при выборе ручного способа управления пуском, либо запуск произойдет автоматически при выборе режима автоматического пуска и кнопки «Автом.» переключателей 5.5.
После запуска схемы управления режимами 5 устройства передачи начинает работу задающий генератор 6.1 схемы преобразователя напряжения 6, который вырабатывает противофазные управляющие импульсы, которые через драйвер управления 6.2 поступают на затворы силовых транзисторов (на Фиг. 1 не показаны) усилителя мощности 6.3.
Для предотвращения выхода из строя силовых транзисторов усилителя мощности 6.3, вследствие перегрузки или короткого замыкания в нагрузке, установлен трансформатор тока 7.1, который вместе с блоком контроля тока нагрузки 7.2 осуществляет контроль максимального и минимального тока потребления.
Контроль минимального тока потребления необходим для включения на выходе устройства передачи энергии 1 минимальной нагрузки мощностью 500Вт для предотвращения возникновения резонансных явлений в линии передачи при отсутствии нагрузки.
Выход усилителя мощности 6.3 нагружен на резонансный контур 8, в котором и происходит «раскачивание» резонанса, преобразующее постоянное напряжение с блока накопительных конденсаторов 4.6 в высокочастотное напряжение с заданными параметрами.
При этом индуктивность резонансного контура 8 совместно с резонансной емкостью образуют высокочастотную резонансную систему, при этом индуктивность является первичной обмоткой высокочастотного передающего трансформатора (на Фиг. 1 не показаны).
Вторичная обмотка высокочастотного передающего трансформатора выполняет роль согласующего звена резонансного контура 8 с однопроводной линией  2 передачи энергии потребителям.
Поскольку частота резонанса  резонансного контура 8 и однопроводной линии 2 по расчетам должны совпадать, то на вторичной обмотке высокочастотного передающего трансформатора резонансного контура 8 на одном конце возникает максимальный потенциал (пучность напряжения высокочастотной энергии), а на другом конце – низкий потенциал (узел напряжения), что обеспечивает возможность соединения устройства передачи энергии 1 и приемного блока 3 с линией передачи 2 через высокопотенциальные концы соответствующих высокочастотных трансформаторов.  Низкопотенциальные концы (узлы напряжения),  высокочастотных трансформаторов устройства передачи энергии 1 и приемного блока 3 поэтому можно заземлять, или соединять с изолированной емкостью.
Как один из вариантов (при использовании коаксиального кабеля) – высокопотенциальный выход передающего трансформатора  резонансного контура 8 подключается к центральному проводнику кабеля, а низкопотенциальный – к внешней экранирующей оплетке.
В ходе продолжительной работы однопроводной линии 2 ее параметры, влияющие на частоту резонанса, могут меняться, как из-за деградации материалов, так и за счет внешних воздействий. Поэтому для поддержания режима резонанса, а, следовательно, максимально возможного КПД передачи электроэнергии  по однопроводной линии 2, в устройстве передачи энергии 1, в частности в схеме преобразователя напряжения 6,  предусмотрен блок обратных связей по частоте и напряжению 6.4.
Этот блок  обратных связей по частоте и напряжению 6.4. предназначен для сравнения частоты задающего генератора 6.1 с частотой резонанса в однопроводной линии 2, и ее коррекции в случае отклонения от ее заданных параметров.
Кроме того, данный блок  обратных связей по частоте и напряжению 6.4. регулирует время пауз между заполняющими импульсами  ШИМ в схеме задающего генератора и усилителя мощности 6.3 для поддержания заданного напряжения в однопроводной линии 2.
При первичном запуске устройства передачи электроэнергии 1 происходит установление резонанса в однопроводной линии 2, после чего она выходит на свой расчетный режим передачи электроэнергии.
При включении устройства передачи электроэнергии 1 включается также и схема управления охладителями, которая поддерживает заданные температуры работы устройства передачи энергии 1, его основных элементов, чтобы не допустить их перегрева и выхода из строя.
Таким образом, в устройстве передачи электроэнергии 1 обеспечено значительное увеличение КПД за счет наличия схемы преобразователя напряжения 6, в которой предусмотрен блок обратных связей по частоте и напряжению 6.4, обеспечивающий коррекцию частоты задающего генератора 6.1, и поддержку режима резонанса напряжения в резонансном контуре 8.
Также в устройстве передачи электроэнергии 1 обеспечено значительное увеличение надежности за счет использования в нем схемы питания 4, соединенной со схемой управления режимами 5 устройства передачи, а также схемы преобразователя напряжения 6 и схемы контроля и управления током нагрузки 7, которые обеспечивают плавный запуск устройства,  защищают источник питания от перегрузки при включении устройства передачи электроэнергии 1, а также обеспечивают автоматический перезапуск данного устройства передачи электроэнергии 1, при пропадании электропитания.
Также надо отметить, что в устройстве передачи электроэнергии 1 обеспечена значительная надежность за счет использования схемы управления охладителями.
За счет выполнения корпуса устройства из проводящего материала с его заземлением, а также соединения устройства передачи электроэнергии 1 с однопроводной линией через специальный разъем для коаксиального кабеля, обеспечивается электромагнитная совместимость данного устройства с другими радиотехническими системами, находящимися в непосредственной близости.
Как очевидно, специалистам в данной области техники, данную полезную модель легко разработать в других конкретных формах, не выходя при этом за рамки сущности данной полезной модели.
При этом настоящие варианты осуществления необходимо считать просто иллюстративными, а не ограничивающими, причем объем полезной модели представлен ее формулой, и предполагается, что в нее включены все возможные изменения  и область эквивалентности пунктам формулы данной полезной модели.