СПОСОБ ЗАРЯДА ЕМКОСТНОГО НАКОПИТЕЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ И УСТРОЙСТВА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (ВАРИАНТЫ)
METHOD OF ELECTRIC ENERGY STORAGE CONDENSER CHARGING AND RELATED CHARGING DEVICE (VERSIONS)

Изобретение относится к электротехнике и импульсной технике и касается преобразования и распределения электрической энергии (ЭЭ), в частности схем и устройств передачи, распределения и преобразования электрической энергии с использованием источников вторичного электропитания (ИВЭП), в том числе питания контрольно-измерительной аппаратуры (КИА) аппаратов защиты электрических линий электропередач (ЛЭП) и электрооборудования от грозовых и коммутационных перенапряжений. Оно может быть использовано как для «медленного» заряда низковольтных накопительных конденсаторов (НК) ИВЭП, заряжаемых микротоками, например, за счет тока утечки ограничителей перенапряжения нелинейных (ОПН), т.е. от высоковольтного источника переменного тока ограниченной мощности с большим внутренним сопротивлением, так и для «медленного» заряда энергоемких высоковольтных НК, заряжаемых от источника ограниченной мощности.
Электрические схемы устройств заряда (УЗ) согласно изобретению представлены на фиг.1÷5.
Как пример использования данного изобретения, далее рассмотрено его применение в аппаратах защиты электрооборудования от импульсных перенапряжений.
К аппаратам защиты относят трубчатые разрядники, вентильные разрядники и ограничители перенапряжений нелинейные. Ограничители перенапряжений - относительно новый класс аппаратов защиты с улучшенными защитными характеристиками в сравнении с характеристиками ранее применяемых разрядников.
Как известно [1, 2], ОПН представляет собой последовательно/параллельно соединенные нелинейные резисторы - варисторы, заключенные в герметичный корпус. Основное отличие материала нелинейных резисторов - ограничителей от материала резисторов вентильных разрядников состоит в резко нелинейной вольт-амперной характеристике (ВАХ) и их повышенной пропускной способности. Применение в ОПН высоконелинейных резисторов позволило исключить из конструкции аппарата искровые промежутки, что устраняет целый ряд недостатков, присущих вентильным разрядникам.
При возникновении в сети грозовых или коммутационных импульсов перенапряжений сопротивление варистора весьма резко уменьшается (до долей ома). Через варисторы кратковременно протекает импульс тока, который может достигать десятков тысяч ампер. Варисторы поглощают энергию импульса перенапряжения, выделяя затем ее в виде тепла, рассеивая в окружающее пространство. Импульс перенапряжения в сети «срезается».
При работе ограничителя под напряжением сети, не превышающим наибольшего допустимого рабочего напряжения, через варисторы протекает паразитный ток, называемый током проводимости. Ток проводимости имеет активно-емкостный характер. Активная составляющая тока определяет величину потерь в ограничителе.
Величина полного тока проводимости весьма мала и, например, для варисторов диаметра 46 мм составляет порядка 0.3,…0.6 миллиампера при нормальных условиях. Величина тока проводимости не постоянна, зависит от эксплуатационных факторов и может увеличиваться по мере увеличения времени эксплуатации ОПН. При превышении допустимых значений тока, в основном его активной составляющей, нарушается тепловой баланс, и ОПН должен быть снят с эксплуатации. Поэтому основные руководящие документы по эксплуатации электрооборудования, например [3], требуют периодического контроля величины тока проводимости. Вопросы диагностики ограничителей перенапряжений и имеющиеся средства их диагностики рассмотрены, например, в [4].
В настоящее время ограничители перенапряжений могут комплектоваться регистраторами срабатывания и системами контроля технического состояния ОПН [4, 5, 6, 7, 8 и др.].
Приборы контроля простейшего типа [4, 5 и 6] не нуждаются в устройствах питания. Однако более сложные приборы контроля [7, 8 и др.], обеспечивающие не только измерение тока проводимости или только фиксацию срабатывания ОПН при перенапряжениях, но и, например, гармонический анализ тока проводимости или амплитудно-временные характеристики импульса тока перенапряжения, требуют наличия ИВЭП. Такие ИВЭП могут запитываться от сетевых высоковольтных трансформаторов различных типов или иметь в своем составе гальванические элементы, аккумуляторы, солнечные батареи [8]. Основными недостатками таких источников электропитания являются или большие габариты и масса - в случае сетевых трансформаторов, или необходимость периодической замены элементов питания или заряда аккумуляторов, что в условиях эксплуатации высоковольтного электрооборудования (например, ЛЭП) без его отключения сделать весьма сложно. Задача упрощается, если КИА питать от ИВЭП с НК, (в качестве которого могут использоваться, например, ионисторы) заряжаемым током проводимости ОПН [9]. Для преобразования этого переменного тока проводимости высокого напряжения в постоянный ток низкого напряжения можно использовать делители напряжения и выпрямители, а также совместно использовать делители напряжения и трансформатор с выпрямителем. Устройства для питания нагрузки на основе делителей напряжения подробно описаны в литературе [10÷13].
Недостатком устройств с резистивным делителем является их низкий коэффициент полезного действия, так как весь ток нагрузки проходит через активное сопротивление балластных резисторов. Поэтому такие устройства для питания низковольтной контрольно-измерительной аппаратуры от высоковольтного источника практически не применяются.
нагр.
ист.
ист.
Для питания КИА, как показано в [9], можно использовать именно ток проводимости ОПН. Этот ток путем его преобразования в ИВЭП можно использовать для заряда емкостного накопителя электрической энергии, от которого и осуществляется питание контрольно-измерительной аппаратуры. Но для эффективной передачи энергии высоковольтного источника с большим внутренним сопротивлением в низковольтную нагрузку должно соблюдаться соотношение R>>R; где R - внутреннее сопротивление первичного источника электрической энергии. В связи с этим возникает проблема согласования внутреннего сопротивления источника и сопротивления нагрузки. Эта проблема может быть решена путем использования различных промежуточных ИВЭП (с емкостными, индуктивными и иными накопителями энергии), модуляторов мощности, обеспечивающих преобразование сопротивления источника как трансформаторным, так и бестрансформаторным путями.
Системы «медленного» заряда НК и других емкостных накопителей электрической энергии (ЕНЭЭ) можно разделить условно на две разновидности:
- медленного заряда НК ИВЭП за сотни - тысячи периодов изменения тока/напряжения источника ЭЭ (т.е. от источника большой мощности - в десятки, сотни ватт и более) циклически разряжаемого на импульсную нагрузку, и
- сверхмедленного заряда - за десятки и более минут от источника малой мощности; ИВЭП таких систем работают в «буфере» с источником ЭЭ и питают нагрузку непрерывно, либо отключаются от системы заряда.
2
2
3
Преобразование параметров тока/напряжения трансформатором с коэффициентом трансформации K=W1/W2 (где W1 и W2 - число витков первичной и вторичной обмоток) приводит к увеличению сопротивления источника, приведенного ко вторичной обмотке, в К раз - повышающими, и к уменьшению сопротивления источника в К раз - понижающими трансформаторами [15, с.166]. Если при заряде НК используется вентильно-конденсаторный выпрямитель-умножитель напряжения (ВКВУН), то, наоборот, увеличение зарядного напряжения приводит к уменьшению приведенного внутреннего сопротивления источника в К раз [16].
Сочетание обоих способов уменьшения сопротивления источника электрической энергии (ИЭЭ) при зарядке НК от ИВЭП упрощает проблему увеличения эффективности передачи энергии источников электрической энергии ограниченной мощности как в импульсную нагрузку большой мощности, так и в низковольтную нагрузку малой мощности типа контрольно-измерительной аппаратуры ЛЭП при питании ее микротоками проводимости ОПН, т.е. один и тот же изобретательский замысел: уменьшение сопротивления источника при выпрямлении тока заряда лучевыми выпрямителями (ВКВУН) позволяет обеспечить эффективное питание обеих групп потребителей как низковольтных, так и высоковольтных. Более того, этот же замысел может быть использован и при заряде электрохимических накопителей энергии - аккумуляторов различных электрохимических систем от источников электрической энергии переменного тока, напряжение которых как втрое ниже зарядного напряжения, так и существенно выше зарядного напряжения. Например, при увеличении зарядного напряжения в три раза за счет использования трансформатора, масса которого обычно соизмерима с массой источника, внутренние сопротивление источника возрастает в девять раз. Если же это повышение напряжения осуществить бестрансформаторным путем - за счет использования ВКВУН, сопротивление нагрузки возрастает в 27 раз, что эквивалентно уменьшению сопротивлению источника в 27 раз. Следовательно, замена трансформаторного утроения напряжения бестрансформаторным ВКВУН снижает сопротивление более чем в 240 раз. Из этого вытекает преимущество бестрансформаторного способа преобразования зарядного напряжения с использованием ВКВУН.
нагр.
ист.
Для питания КИА и другой аппаратуры часто требуется источник постоянного тока с выходным напряжением порядка 3-12 B при максимальном токе нагрузки порядка 1А (в режиме так называемого «сеанса», длительность которого не превышает 1 секунды). Следовательно, сопротивление нагрузки должно быть порядка 3-12 Ом при потребляемой мощности до 10 Вт, а сопротивление данного источника должно быть не более 0,25 Ом. В учебниках по теоретическим основам электротехники показано, что для эффективной передачи энергии в нагрузку (когда потери в сети не превышают 5%, а КПД передачи энергии составляет соответственно 95%) необходимо, чтобы сопротивление источника, линии передачи энергии и в том числе вентилей ИВЭП находилось в соотношении R>>R, то есть сопротивление нагрузки должно превышать сопротивление источника более чем в 19 раз, тогда сопротивление источника должно быть не более 5% от полного сопротивления цепи.
Напряжение постоянного тока 3-12 B можно получить путем преобразования переменного тока высокого напряжения за счет применения высоковольтного трансформатора, понижающего напряжение с уровня порядка 10 кВ до 3-12 В и обеспечивающего гальваническую развязку. Но такие системы имеют высокие массогабаритные показатели, что усложняет аппаратуру контроля состояния ОПН.
2
Специфика питания КИА защитной аппаратуры, потребляющей милливатты (а в отдельные интервалы времени длительностью в доли секунды - до 10 Вт), от ИВЭП с НК заключается в том, что, во-первых, несинусоидальный ток проводимости варисторов ОПН (не превышающий 300 - 400 мкА в начале их эксплуатации, но увеличивающийся по мере их «старения») соизмерим с током утечки в вентилях выпрямителя и по мере совершенствования технологии изготовления ОПН будет дополнительно уменьшаться. Во-вторых, цепи заряда НК ИВЭП КИА необходимо гальванически разобщать с высоковольтными цепями ОПН. Поэтому заряд НК необходимо осуществлять, используя трансформатор, увеличивающий ток до значений, превышающих ток утечки вентилей выпрямителя (то есть понижающий напряжение), а для обеспечения напряжения на его выходной обмотке, превышающего падение напряжения на открытых вентилях выпрямителя, необходимо обеспечивать индуктивное сопротивление его первичной обмотки в сотни ом (коэффициент самоиндукции в десятки генри), то есть использовать в качестве трансформатора дроссель с вторичной обмоткой типа многообмоточного дросселя, описанного в справочнике [14, рис.7.1 на с.414]. Двухполупериодное выпрямление переменного тока такого дросселя-трансформатора с помощью лучевых выпрямителей может быть осуществлено при снабжении вторичной обмотки отводом от ее средней точки. Такой дроссель-трансформатор в К раз уменьшает внутренне сопротивление ИЭЭ, приведенное к его вторичной обмотке.
3
Выпрямление двух низковольтных напряжений, сдвинутых на 180 эл. град. двумя лучевыми выпрямителями, выполненными по схеме ВКВУН, позволяет не только повысить зарядное напряжение НК бестрансформаторным путем в 3 и более раз, но и дополнительно в К раз увеличить сопротивление НК ИВЭП, т.е. дополнительно уменьшить приведенное сопротивление ИЭЭ дросселя-трансформатора. Масса трансформатора при этом уменьшатся почти в двое.
Перечисленные два вопроса специфики питания КИА ЛЭП дополнительно усугубляются проблемой эффективности передачи энергии ИЭЭ ограниченной мощности в НК ИВЭП, так как при их заряде обычно почти половина энергии рассеивается в токоограничивающих сопротивлениях зарядных устройств. Однако эта проблема разрешима в случае рационального выполнения ВКВУН НК.
Диверсифицируя предложенный способ бестрансформаторного повышения зарядного напряжения НК ИВЭП КИА защитной аппаратов, данный способ можно использовать также для заряда высоковольтных ИВЭП от источников ИЭЭ, циклически питающих импульсную нагрузку большой мощности, то есть производить заряд НК через ВКВУН от источника с двумя или более обмотками, напряжения на которых сдвинуты друг относительно друга. Высокую эффективность передачи энергии такие ВКВУН обеспечат и при их использовании для заряда аккумуляторных батарей (АБ) в широком диапазоне изменения напряжений как ИЭЭ, так и аккумуляторов.
Питание КИА ОПН можно осуществлять от ИВЭП, использующего энергию переменного тока проводимости (утечки) ОПН. Для получения напряжения низкого уровня (3-12 В) могут использоваться ИВЭП, выполненные по схемам фиг.1-2, для этого параллельно одному из варисторов ОПН, падение напряжения на котором составляет несколько киловольт, подключается, например, резистивно-емкостный делитель напряжения (РЕДН), суммарное сопротивление которого много меньше сопротивления варистора, поэтому ток проводимости остальных варисторов ОПН в основном будет протекать по цепи данного делителя (схема на фиг.6) [9].
ИВЭП, подключаемый к делителю напряжения своими входными клеммами 1 и 2, преобразует напряжение переменного тока в напряжение постоянного тока и заряжает ЕНЭЭ. Однако этот ИВЭП не обеспечивает гальванического разобщения ОПН и ПК.
Для получения энергоемких высоковольтных импульсов от источника ограниченной мощности могут быть использованы ИВЭП, осуществляющие заряд ЕНЭЭ как от однофазного (фиг.1-2), так и трехфазного (фиг.3, 4, 5) переменного тока за много периодов измерения питающего напряжения. В этом случае ИВЭП подключается непосредственно к первичному источнику электрической энергии. Электрические схемы ИВЭП, реализующие предлагаемый способ заряда ЕНЭЭ при их питании от однофазного источника, приведены на фиг.1 и 3, а от трехфазного - на фиг.3, 4 и 5.
В настоящее время известен способ «медленного» заряда ЕНЭЭ от источника постоянного тока неизменного напряжения через токоограничивающий - балластный резистор, включенный в цепь заряда между источником и накопителем по схеме фиг.7 [10, с.60]. Недостатками такого способа являются крайне низкий коэффициент полезного действия (КПД), не превышающий 0,5 при любом значении сопротивления резистора и низкие удельные энергетические показатели.
При использовании для заряда ЕНЭЭ источника переменного тока (ИПТ) регулирование зарядного напряжения можно осуществить с помощью трансформатора. При ограничении переменного зарядного тока КПД заряда НК несколько повышается, однако не превосходит значения в 57% [10, с.219].
ср
н
Использование для так называемого медленного заряда ЕНЭЭ переменного тока с последующим его выпрямлением и включением между источником переменного тока и выпрямителем реактивного токоограничивающего сопротивления в виде дросселя или конденсатора (при так называемом «предвключении» ограничителя тока) существенно повышает не только КПД, но и коэффициент использования мощности источника, равный отношению среднезарядной мощности Р к мощности ИПТ S. При ограничении зарядного тока реактивными двухполюсниками последние, запасая избыточную энергию источника в одном такте заряда ЕНЭЭ, в последующем канализируют ее через источник для заряда ЕНЭЭ. При этом потери энергии в двухполюснике сокращаются, так как они обратно пропорциональны их добротности. Добротность силовых дросселей не превышает 8÷15, а добротность конденсаторов на порядок больше, поэтому использование конденсаторов в цепях заряда ЕНЭЭ является наиболее целесообразным. В случае ограничения тока заряда ЕНЭЭ дозирующими конденсаторами КПД зарядного устройства возрастает до значений, близких к единице [16, с.89].
Известен также способ заряда ЕНЭЭ от ИПТ, когда токоограничивающее - дозирующие конденсаторы (ТДК), используемые для ограничения тока заряда в сочетании с вентилями выпрямителя УЗ, одновременно могут осуществлять увеличение зарядного напряжения, т.е. умножать напряжение первичного ИПТ. Этот способ реализуется в УЗ ЕНЭЭ от источника переменного тока с удвоением выходного напряжения за счет использования ВКВУН по схеме Латура [10, с.58]. На фиг.8 изображена схема УЗ, реализующая этот способ. Такое УЗ позволяет зарядить ЕНЭЭ с относительно высоким КПД до напряжения, вдвое большего напряжения ИПТ.
Кроме того, известен способ заряда ЕНЭЭ, в котором высоковольтный ЕНЭЭ выполнен в виде двух конденсаторов, включенных по схеме фиг.9. Для увеличения КПД УЗ, выполненного по такой схеме, ток заряда ограничивают путем ввода дополнительного ТДК [10, с.61, п.17].
P
В рассматриваемых способах заряда используются однотактные (лучевые) выпрямители переменного тока, которые характеризуются простотой схемы и малыми потерями в выпрямительных элементах - вентилях, однако низкое использование мощности источника (трансформатора), обусловленное малой угловой длительностью импульсов тока, оцениваемое [17, с.153] отношением мощности трансформатора к мощности в нагрузке, равным 3.7, показывает, что мощность источника существенно завышается. Поэтому лучевые выпрямители используют для двух-, трех- и шеститактного выпрямления тока в нагрузке. Это обусловлено тем, что в однофазном двухполупериодном выпрямителе с трансформатором, вторичная обмотка которого снабжена отводом от ее середины, а ток выпрямляется - двумя лучевыми выпрямителями, которые работают поочередно, угловая длительность тока источника удваивается, и расчетная мощность трансформатора будет S=1.48P [18, с.46], практически в полтора раза превышающей мощность в нагрузке. При чисто активной нагрузке это превышение снижается до 20%. Но при работе на активно-индуктивную нагрузку и на противо-ЭДС это превышение составляет 34%.
Известен и достаточно распространен способ «медленного» заряда ЕНЭЭ от ИПТ через выпрямитель, последовательно с которым включается токоограничивающий элемент. В качестве токоограничивающего элемента используются резисторы, катушки индуктивности, конденсаторы и индуктивно-емкостные двухполюсники [10, с.58 и др.]; схема устройства, реализующая данный способ, приведена на фиг.10. При ограничении тока резистором КПД устройства повышается до 0,57, однако этот коэффициент имеет более низкое значение по сравнению с зарядными цепями с реактивными токоограничивающими элементами. Это связано с наличием больших потерь энергии в резисторах. Поэтому при использовании реактивных токоограничивающих элементов в виде дросселей этот способ может обеспечить более высокий КПД, так как избыток энергии источника, который гасится на резисторе (и тем снижает КПД), в реактивном элементе-дросселе запасается в одном полупериоде изменения напряжения источника питания и возвращается в него в другом. Это повышает эффективность данного способа заряда ЕНЭЭ, поэтому он является энергосберегающим. Электрическая схема УЗ с индуктивными ограничителями тока приведена на фиг.11. Недостатком этого способа является пониженный коэффициент мощности ИПТ при реактивном балласте из-за отставания тока от напряжения источника. Индуктивный балласт позволяет повысить КПД УЗ, но понижает внешнюю выходную ВАХ источника.
Известны схемы УЗ ЕНЭЭ от трехфазных ИПТ (схемы на фиг.12 и 13), токи лучевых выпрямителей в которых ограничивают соответственно резисторами или дросселями. Последние, повышая КПД УЗ, так же относятся к энергосберегающим, однако зарядное напряжение в них имеет значение, близкое к напряжению самого ИПТ. Эти схемы также имеют устройства с предвключенными ограничителями зарядного тока ЕНЭЭ.
3
2
1
2
3
s
s
1
2
3
4
5
В системах заряда ЕНЭЭ с использованием ВКВУН ограничение тока заряда ЕНЭЭ осуществляется ТДК, и КПД возрастает до значений, близких к единице. В [16, с.308-309] отмечается: «умножители напряжения не только позволяют получить ряд выходных напряжений, отличающихся друг от друга почти в целое число раз при наличии одного ИПТ, но и позволяют сделать это при использовании малогабаритных и недорогих деталей с низкими номинальными напряжениями. Поскольку внутреннее сопротивление умножителя пропорционально n, увеличение напряжения источника даже в 2 раза, а затем умножение его до требуемого уровня приведет к уменьшению внутреннего сопротивления почти в 8 раз» (под коэффициентом n в данном случае понимают коэффициент умножения напряжения). В качестве примера ВКВУН автор рассматривает каскадный умножитель напряжения по схеме Кокрофта-Уолтона, образованный 4 конденсаторами и 4 диодами, обеспечивающий повышение зарядного напряжения практически в 4 раза. Там же отмечается, что «учетверитель напряжения по схеме Кокрофта-Уолтона широко применяется в устройствах электроники, в том числе для получения напряжения 200 кВ. Емкость конденсаторов ВКВУН в ступенях умножения напряжения выбирают C>C>C>…>C и часто определяют исходя из соотношения CS=const, где S - номер ступени, что обеспечивает одинаковую энергию в ступенях умножения [5, с.61]. Так, при упятирении напряжения емкости ВКВУН C:C:C:C:C=25:6,25:2,78:1,56:1. Число ступеней умножения напряжения обычно не превышает двух-четырех. Именно такие ВКВУН широко используют и для заряда НК».
Таким образом, главнейшими вопросами эффективной передачи энергии в НК любых ИВЭП являются как вопросы уменьшения потерь мощности в устройствах заряда накопителя, так и внутреннего сопротивления ИЭЭ, приведенного к заряжаемому накопителю.
Наиболее близким по технической сущности к изобретению по п.1 является способ заряда емкостного накопителя электрической энергии, преимущественно накопительного конденсатора, от источника электрической энергии переменного тока, например трансформатора с двумя или более обмотками, напряжения которых сдвинуты друг относительно друга, основанный на использовании лучевых выпрямителей для детектирования тока каждой обмотки и реактивных двухполюсников для его ограничения, заключающийся в ограничении величин постоянной составляющей зарядного тока каждым реактивным двухполюсником в одном такте его изменения и запасании при этом избыточной энергии источника, а также последующей передаче этой энергии в емкостный накопитель энергии в следующем такте зарядного тока [10, с.58.] (схема на фиг.11).
Существенным недостатком такого способа является относительно низкое значение КПД при ограничении постоянной составляющей зарядного тока дросселем из-за малого значения его добротности (и невозможностью использования в качестве реактивных токоограничивающих двухполюсников ТДК из-за неспособности их пропускать постоянную составляющую зарядного тока), а также плохим использованием мощности трансформатора из-за однополупериодного использования его выходных полуобмоток. Максимальное значение зарядного напряжения ЕНЭЭ при этом не превышает значения амплитудного напряжения полуобмотки трансформатора ИПТ.
Целью изобретения по п.1 формулы изобретения является улучшение удельных энергетических показателей систем заряда НК путем увеличения скорости передачи энергии источника электрической энергии в накопитель за счет повышения зарядного напряжения и интенсификации отбора энергии от источника за счет увеличения угловой длительности импульсов тока источника. Это достигается путем бестрансформаторного повышения зарядного напряжения в три раза. Это может быть выполнено в одно- и трехфазном вариантах за счет использования соответствующих ВКВУН.
Поставленная цель по пункту 1 формулы изобретения достигается тем, что устройства для его реализации снабжают дополнительными вентилями в количестве, равном числу обмоток источника электрической энергии для создания дополнительных лучевых выпрямителей, а в качестве реактивных двухполюсников используют ТДК, при этом величину энергии, запасенной ими в интервалах между импульсами зарядного тока накопителя, дополнительно увеличивают при их подзаряде через дополнительные лучевые выпрямители от смежной обмотки упомянутого источника энергии.
Наиболее близким по технической сущности к изобретению по п.2 и п.3 является устройство для заряда накопительного конденсатора, содержащее выпрямитель и трансформатор, первичная обмотка которого своими выводами соединена с клеммами источника переменного тока, а вторичная обмотка выводами своего начала и конца через реактивные токоограничивающие двухполюсники - дроссели подключена к анодам первого и второго вентилей выпрямителя соответственно, катоды которых образуют положительную выходную клемму выпрямителя для подключения заряжаемого накопительного конденсатора, причем отрицательную выходную клемму этого выпрямителя образует отвод от середины вторичной обмотки трансформатора (схема на фиг.11) [10, с.58].
Несомненным достоинством этого УЗ является малое значение потерь мощности в его двухполупериодном выпрямителе с двумя лучевыми выпрямителями (потери мощности в которых вдвое меньше, чем в мостовом), однако низкое значение добротности дросселей ограничивает КПД устройства в целом. Кроме того, поочередная работа вторичных полуобмоток завышает расчетную мощность трансформатора, так как каждая из полуобмоток находится в течение полупериода в режиме холостого хода, т.е. не используется в работе. И, наконец, низкое значение зарядного напряжения НК, - не превышающего амплитуды напряжения полуобмотки, - ограничивает область использования таких УЗ.
Целью изобретения по п.2 и п.3 формулы изобретения является улучшение удельных энергетических показателей устройств путем увеличения скорости передачи энергии источника электрической энергии в накопитель за счет повышения зарядного напряжения и интенсификации отбора энергии от источника за счет увеличения угловой длительности импульсов тока источника при работе его полуобмоток в обоих полупериодах изменения тока ИПТ и его работе в режиме автотрансформатора. В таких устройствах вторичная обмотка работает поочередно в трансформаторном и в автотрансформаторном режимах.
Поставленная цель по п.2 формулы изобретения (схема на фиг.1) достигается тем, что устройство для заряда ЕНЭЭ, содержащее выпрямитель и трансформатор, первичная обмотка которого своими выводами 1, 2 соединена с клеммами источника переменного тока, а вторичная обмотка выводами своего начала 3 и конца 4 через реактивные токоограничивающие двухполюсники 5 и 6 подключена к анодам первого 7 и второго 8 вентилей выпрямителя соответственно, катоды которых образуют положительную выходную клемму 9 выпрямителя для подключения заряжаемого НК 10, причем отрицательную выходную клемму 11 этого выпрямителя образует отвод 12 от середины вторичной обмотки трансформатора, оно снабжено третьим 13 и четвертым 14 вентилями, а в качестве реактивных токоограничительных двухполюсников использованы конденсаторы, при этом вторичная обмотка упомянутого трансформатора своим началом 3 и концом 4 соединена с анодами третьего 13 и четвертого 14 вентилей соответственно, катоды которых подключены к анодам соответственно второго 8 и первого 7 вентилей выпрямителя.
Поставленная цель по п.3 формулы изобретения достигается тем, что в устройстве для заряда ЕНЭЭ, выполненного по п.2 формулы изобретения, в качестве третьего 13 и четвертого 14 вентилей использованы тиристоры, и в него введен блок контроля напряжения и фазового управления тиристорами (БКН ФУТ) 15, который формирует управляющие импульсы, регулирующие скорость заряда и предельную величину напряжения (фиг.2).
Принцип действия и схемы БКН ФУТ известны и детально описаны в технической литературе. Они позволяют изменять напряжение на выходе в широких пределах (от амплитудного значения напряжения вторичной полуобмотки трансформатора до его утроенного значения). Необходимо отметить, что основную массу УЗ составляют ИПТ и ТДК, а масса тиристоров и БКН ФУТ не превышают 2-5% от общей массы устройства. Для обеспечения требуемого уровня напряжения на ЕНЭЭ при изменении напряжения питания даже в указанных пределах нередко бывает необходимо регулировать величину выходного напряжения выпрямительного устройства. Это также достигается с помощью использования в выпрямительном устройстве тиристоров.
Генерирование, передача, распределение и потребление электрической энергии в промышленности осуществляется от трехфазного ИПТ. Так как силовые потребители, питающиеся от одной фазы источника, создают перекос токов/напряжений в трехфазной сети, заряд ЕНЭЭ, питающего мощную импульсную нагрузку, целесообразно производить от всех его трех фаз.
Известны способы заряда накопителей электрической энергии от трехфазных ИПТ через трехфазный однополупериодный выпрямитель, в фазные линии которого включены токоограничивающие элементы, в качестве которых используются активные и реактивные двухполюсники. Схема устройства, использующего в качестве токоограничителей резисторы, приведена на фиг.12 [10, с.59]. Такое УЗ характеризуется низким КПД, что связано с большими потерями энергии в резисторах.
Наиболее близким по технической сущности к изобретению по п.4 формулы изобретения является устройство для заряда НК, содержащее выпрямитель и трехфазный четырехпроводный источник переменного тока с выведенной нейтралью, которая образует отрицательную выходную клемму 11 для подключения накопительного конденсатора 10, реактивные токоограничивающие двухполюсники 16, 17, 18, которые одними своими выводами подключены к первому 19, второму 20 и третьему 21 выводам трехфазного ИПТ, а их другие выводы - к анодам первого 22, второго 23 и третьего 24 вентилей выпрямителя соответственно, при этом катоды этих вентилей образуют положительную клемму 9 выпрямителя (схема на фиг.13) [10, с.59].
Существенными недостатками такого УЗ являются низкие значения выходного зарядного напряжения, не превышающего амплитудного значения фазного напряжения ИПТ, а также пониженный коэффициент мощности ИПТ.
Целью изобретения по п.4 формулы изобретения является улучшение удельных энергетических показателей системы заряда путем увеличения скорости передачи энергии источника, электрической энергии в накопитель за счет повышения зарядного напряжения и интенсификации отбора энергии от источника путем увеличения угловой длительности импульсов тока источника.
m ф
Поставленная цель по п.4 формулы изобретения (фиг.3) достигается тем, что устройство для заряда НК, содержащее выпрямитель и трехфазный четырехпроводный источник переменного тока с выведенной нейтралью, которая образует отрицательную выходную клемму 11 для подключения ПК 10, реактивные токоограничивающие двухполюсники 16, 17, 18, которые одними своими выводами подключены к первому 19, второму 20 и третьему 21 выводам трехфазного источника переменного тока, а их другие выводы - к анодам первого 22, второго 23 и третьего 24 вентилей выпрямителя соответственно, при этом катоды этих вентилей образуют положительную клемму 9 выпрямителя, причем в качестве реактивных токоограничивающих двухполюсников используют конденсаторы, а устройство снабжают дополнительными четвертым 25, пятым 26 и шестым 27 вентилями, причем их аноды подключены к первому 19, второму 20 и третьему 21 выводам источника соответственно, а их катоды подключены к анодам второго 23, третьего 24 и первого 22 вентилей выпрямителя соответственно. Устройство обеспечивает заряд НК до напряжения, равного 2.73 U.
Наиболее близким по технической сущности к изобретению по п.5 формулы изобретения является устройство для заряда накопительного конденсатора, содержащее три вентиля выпрямителя и трехфазный источник переменного тока, два линейных вывода которого через реактивные токоограничивающие двухполюсники подключены к первому и второму вентилям, катоды которых образуют положительную выходную клемму выпрямителя для подключения накопительного конденсатора (схема на фиг.13) [10, с.59]. Существенными недостатками такого УЗ являются низкие значения КПД и выходного зарядного напряжения.
Целью изобретения по п.5 формулы изобретения является улучшение удельных энергетических показателей систем заряда путем увеличения скорости передачи энергии источника электрической энергии в накопитель за счет повышения зарядного напряжения и интенсификации отбора энергии от источника за счет увеличения угловой длительности импульсов тока источника.
m ф
Поставленная цель по п.5 формулы изобретения (фиг.4) достигается тем, что устройство для заряда НК, содержащее три вентиля 22, 23 и 24 выпрямителя и трехфазный источник переменного тока, два линейных вывода 19, 20 которого через реактивные токоограничивающие двухполюсники 16, 17 подключены к первому 22 и второму 23 вентилям, катоды которых образуют положительную выходную клемму 9 выпрямителя для подключения НК 10, при этом при заряде НК 10 от трехфазного трехпроводного источника оно дополнительно снабжено четвертым вентилем 25, а в качестве реактивных токоограничивающих двухполюсников используют конденсаторы, при этом третий линейный вывод 21 упомянутого источника подключен непосредственно к отрицательной выходной клемме 11 для подключения НК 10 и к анодам третьего 24 и четвертого 25 вентилей, катоды которых подключены к анодам первого и второго вентилей соответственно. Это устройство обеспечивает заряд НК до напряжения, равного 3.4 U.
В системах электроснабжения импульсных нагрузок с ЕНЭЭ (при одной и той же массе НК) основную составляющую массы системы определяет масса источника электрической энергии. Масса же самого УЗ ЕНЭЭ значительно меньше массы источника. Масса источника электрической энергии определяется величиной его выходной (так называемой расчетной - «габаритной») мощности. Поэтому УЗ НК, входящие в состав системы электроснабжения, должны не только ограничивать при необходимости величину зарядной мощности, но и передавать энергию источника с практически постоянной скоростью, т.е. стабилизировать ее значение. Это условие автоматически требует применения УЗ ЕНЭЭ, выходная ВАХ которых имеет практически гиперболический характер, так как при линейной вольтамперной характеристике «габаритная» мощность ИПТ практически в пять раз будет превышать среднезарядную мощность ЕНЭЭ [10, с.12].
Кроме того, в [10, с.13] отмечается, что улучшение характеристик УЗ возможно за счет использования «специальных систем с промежуточными накопителями энергии». В вентильно-конденсаторных выпрямителях-умножителях напряжения ТДК, дозируя энергию путем отбора постоянной мощности (из-за заряда их до постоянного значения напряжения), деформируют внешнюю статическую вольт-амперную характеристику, приближая ее к гиперболической. При этом типовая (габаритная) мощность самого источника существенно уменьшается.
m
Прежде чем рассматривать работу заявляемых УЗ, следует отметить, что в любой системе циклического заряда накопительного конденсатора процесс обычно завершают при достижении зарядного напряжения 0,92÷0,95 от его максимально возможного значения, т.к. дальнейший заряд накопительного конденсатора осуществляется с малой скоростью, что ухудшает энергетические показатели системы в целом. В [19, с.39] показано, что при пессимистической оценке КПД зарядного устройства ВКВУН с токоограничивающими конденсаторами в случае заряда до напряжения U по цепям с резистивным ограничением тока и дальнейшего дозаряда через ТДК КПД составит
2
2
2
c max
c max
m
η≥0,9U / (U +0,78U ),
c max
где U - максимальное значение зарядного напряжения ЕНЭЭ;
m
U - амплитудное значение фазного напряжения;
m
поэтому при «прямом» заряде ЕНЭЭ от источника до U и его дозаряде через ТДК до напряжения, втрое превышающего начальное, КПД устройства составит не ниже 82%, т.е. такое зарядное устройство является энергосберегающим.
Реализация способа заряда ЕНЭЭ по п.1 формулы изобретения осуществляется при работе УЗ, выполненных по п.п. 2÷5 формулы изобретения.
В данном способе рассматривается заряд ЕНЭЭ от источника ограниченной мощности за много периодов изменения напряжения (ИН), т.е. происходит «медленный» заряд. Длительность этого процесса зависит от мощности первичного источника, его внутреннего сопротивления и емкости ЕНЭЭ. В рассматриваемом способе отбор энергии от источника и ее передача в ЕНЭЭ производиться одновременно по нескольким каналам. Число работающих каналов в процессе заряда не остается постоянным, а изменяется в зависимости от степени заряда ЕНЭЭ. Это позволяет на определенном участке ВАХ ИЭЭ осуществлять заряд ЕНЭЭ практически постоянной мощностью, т.е. внешний вид ВАХ приближается к гиперболе.
При подаче напряжения на УЗ отбор и передача энергии в ЕНЭЭ сразу происходит по 8 каналам, работу которых можно разделить на две группы. Одна группа работает в первом и последующих нечетных полупериодах ИН, а другие - в четных. При этом в процессе заряда по мере увеличения напряжения на ЕНЭЭ число работающих каналов уменьшается.
m
На первом этапе, когда напряжение на ЕНЭЭ изменяется от нуля и до U, в нечетных полупериодах ИН ток протекает по каналам:
1. 3-5-7-9-10-11-12-3 (ток протекает под действием полуобмотки 3-12);
2. 3-13-6-4-3 (под действием обеих полуобмоток 3-12 и 12-4);
3. 3-13-8-9-10-11-12-3 (под действием напряжения полуобмотки 3-12);
4. 6-8-9-10-11-12-4-6.
m
Прохождение тока по первым трем каналам завершается в конце первой четверти периода ИН источника. Так как емкость ТДК 6 много меньше емкости НК 10, этот ТДК заряжается много быстрее, чем ПК и в момент окончания заряда ТДК напряжением, равным 2U, вентиль 13 запирается.
Убывание напряжения источника во второй четверти периода открывает четвертый канал, и ТДК 6 через вентиль 8, передавая энергию в НК 10, подразряжается, в результате чего напряжение на ТДК уменьшается.
Так как нагрузка УЗ носит емкостный характер, токи и напряжения в этих каналах сдвинуты по фазе, и напряжение отстает от тока на 90 электрических градусов. При этом ток заряда НК пропорционален разности напряжений источников, действующих в зарядной цепи, и обратно пропорционален сопротивлению зарядной цепи.
В этом УЗ ТДК 5/6, ограничивая ток заряда НК 10 лучевыми выпрямителями 7/8 в одном такте заряда накопителя по первым каналам, запасают избыточную энергии ИЭЭ, затем по вторым каналам через лучевые выпрямители 13/14 увеличивают запасаемую от смежных обмоток ИЭЭ энергию при их перезаряде до удвоенного амплитудного значения соответствующих обмоток. Эту энергию в следующем такте они через лучевые выпрямители 7/8 частично передают в накопитель по четвертым каналам, а затем, через те же вентили 7/8, - по первым же каналам, ограничивая ток заряда НК 10, запасают избыточную энергию ИЭЭ и т.д. Это интенсифицирует отбор энергии от источника за счет увеличения угловой длительности тока в обмотках и позволяет увеличить зарядное напряжение на следующих этапах заряда ЕНЭЭ.
Во втором и следующих четных полупериодах ток протекает так же по четырем каналам, подобным рассмотренным выше:
1. 4-6-8-9-10-11-12-4;
2. 4-14-5-3-4;
3. 4-14-7-9-10-11-12-4;
4. 5-7-9-10-11-12-3-5.
Далее процессы работы каналов повторяются циклически.
m
На втором этапе, когда напряжение на НК 10 достигнет U, канал третий перестает проводить ток, т.к. напряжение на НК 10 становится больше амплитуды напряжения полуобмотки.
m
Зарядные импульсы тока на втором этапе формируются за счет работы первого, второго и четвертого каналов. Когда напряжение на НК 10 достигнет значения 2U, разряд ТДК по четвертому каналу прекратится.
m
На третьем этапе зарядные импульсы НК будут формироваться по первому каналу под действием суммарного напряжения ТДК, равного 2U и подзаряжаемого по второму каналу, напряжениями полуобмоток трансформатора и напряжения НК 10. Когда алгебраическая сумма этих напряжений станет равной нулю, заряд емкостного накопителя прекратится.
На этом этапе ТДК разряжается не полностью и глубина его подразряда по мере заряда НК уменьшается. Это приводит к уменьшению зарядной мощности, передаваемой в НК.
Так как в этом УЗ обе полуобмотки работают в режиме автотрансформатора с коэффициентом трансформации 2, его расчетная (типовая) мощность по сравнению с прототипом уменьшается практически вдвое.
Работа УЗ по п.3 формулы изобретения, электрическая схема которого приведена на фиг.2, происходит аналогично работе устройства, выполненному по фиг.1. Отличие заключается в том, что напряжение, до которого заряжается ЕНЭЭ, может регулироваться с помощью изменения угла управления тиристорами, которые регулируются БКН ФУТ. Это позволяет изменять напряжение НК от амплитудного значения напряжения полуобмотки до его утроенного значения.
mф
mл
mф
Работа УЗ по п.4 формулы изобретения, электрическая схема которого приведена на фиг.3, происходит следующим образом. При подаче переменного напряжения на выводы 19, 20, 21 и 11 трехфазного ИПТ в течение одного периода изменения фазных напряжений происходит заряд ТДК 16, 17 и 18. Они будут заряжены до амплитуды линейного напряжения. Конденсатор 16 заряжается по цепи: 21-27-16-19-21; конденсатор 17 - по цепи: 19-25-17-20-19; конденсатор 18 - по цепи: 20-26-18-21-20. В течение первого периода изменения напряжения трехфазного ИПТ будет происходить заряд НК фазными напряжениями по цепям: 19-25-23-9-10-11-19; 20-26-24-9-10-11-20; 21-27-22-9-10-11-21. Начиная со следующего периода изменения напряжения ИПТ, зарядные импульсы тока будут формироваться под действием суммарного напряжения фазы и ТДК, заряженного на предыдущем периоде до амплитуды линейного напряжения. За период УЗ будет формировать три таких зарядных импульса тока, сдвинутых относительно друг друга на 120 эл. град. Таким образом, за много периодов изменения питающего напряжения ЕНЭЭ будет заряжен до U+U, то есть до 2.73U.
mл
mл
mф
Работа УЗ по п.5 формулы изобретения, электрическая схема которого приведена на фиг.4, происходит следующим образом. При положительном потенциале на выводе 21 относительно выводов 19 и 20 конденсаторы 16 и 17 будут заряжаться до амплитуды линейного напряжения трехфазного источника. На последующих тактах напряжение этих конденсаторов суммируется с линейным напряжением этих фаз. Это обеспечивает заряд ЕНЭЭ до удвоенного значения амплитуды линейного напряжения источника (2U). УЗ за период генерирует два зарядных импульса, формируемых под действием линейного напряжения соответствующих фаз и напряжения ТДК, заряжаемых до амплитудного значения линейного напряжения. Это обеспечивает заряд ЕНЭЭ до напряжения 2U или 3.46U.
Данный способ заряда может быть использован для заряда НК ИВЭП от одно-, двух- и более, т.е. m-фазных источников электрической энергии для питания КИА ОПН на основе рассмотренных схем по фиг.1-4. Возможны и другие варианты выполнения ИВЭП.
Пример подключения УЗ по схеме фиг.1 для трехфазных сетей приведен на схеме фиг.5. В этом случае каждое однофазное УЗ подключается к ОПН соответствующей фазы ЛЭП и ее три УЗ заряжают одновременно один ПК ИВЭП. Это увеличивает втрое скорость отбора энергии в НК, обеспечивает его ускоренный заряд и повышает надежность обеспечения КИА ОПН энергией.
При заряде НК ИВЭП с помощью УЗ по схеме фиг.3 и 4 в качестве источников фазного напряжения используют дроссель-трансформатор, первичные обмотки которых подключаются к ОПН соответствующих фаз, а вторичные обмотки соединяют в звезду, лучи которой подключают к клеммам 19, 20, 21.
mф
mф
mф
Предложенные схемотехнические решения УЗ ЕНЭЭ позволяют осуществить бестрансформаторное повышение зарядного напряжения от однофазного источника до 3U, а УЗ, получающие энергию от трехфазного источника, до 2.73U или 3.46U - в зависимости от схемы соединения фазных обмоток источника и используемого УЗ. Это, снижая требования к изоляции ИПТ, обеспечивает уменьшение массы самого источника, а также снижает требования по напряжению к дозирующим конденсаторам, что улучшает массогабаритные показатели УЗ. Кроме того, предложенные устройства имеют вольтамперную характеристику, близкую к гиперболической, что позволяет существенно уменьшить типовую (габаритную) мощность самого источника.
Новизна предложения не следует явным образом из известного уровня техники, обеспечивает изобретательский уровень данных изобретений, которые могут быть использованы, как отмечено выше, для «медленного» заряда ЕНЭЭ генераторов мощных импульсов, применяемых для питания оптических квантовых генераторов, импульсных электрореактивных двигателей, устройств экспериментальной физики и т.п., а также применяют для питания КИА ОПН, используя ток проводимости ОПН.
mф
mф
mф
Таким образом, схемотехнические решения выполнения ВКВУН для заряда ЕНЭЭ охвачены единством изобретательского замысла, связанного с обеспечением работы УЗ как от однофазного, так и различных вариантов трехфазных ИПТ, повышения бестрансформаторным путем зарядного напряжения ЕНЭЭ до 2.73U, 3U, 3.46U, т.е. увеличения энергии, запасаемой в ЕНЭЭ от источника ограниченной мощности на 790, 900 и 1150 процентов, а также увеличение скорости передачи ее в накопитель при снижении удельных массогабаритных показателей.
Экспериментальные исследования макетов устройств для заряда ЕНЭЭ, проведенные в лаборатории кафедры электроснабжения, подтвердили их хорошую работоспособность и реальность достижения цели изобретений.
Источники информации
1. Александров Г.Н. Молния и молниезащита / Г.Н.Александров; [отв. ред. Козлов]; Ин-т электрофизики и электроэнергетики РАН. - М.: Наука, 2008. - 274 с.
2. Афанасьев А.И. и др. Аппараты для ограничения перенапряжений в высоковольтных сетях: Учеб. пособие / Под ред. А.И.Афанасьева. СПб.: Изд-во СПБГТУ, 2000, 164 с., илл.
3. Объем и нормы испытаний электрооборудования. СО 34.45-51.300 - 97; РД 34.45 - 51.300 - 97. - 6 изд., с изм. и доп. - М.: Изд.-во НЦ ЭНАС, 2006. - 256 с.
4. Минакова Л.В., Попов Д.К. (ГУП ВЭИ г.Москва) Вопросы диагностики ограничителей перенапряжения и обзор имеющихся средств диагностики. Сборник докладов IX Симпозиума "Электротехника 2030" 29-30 мая 2007 г.//www.energo-info.ru/images/pdf/4-32.pdf
5. Счетчик разрядов и нелинейный материал для нелинейного резистора. Патент США №6.208.496, кл. H02H 1/00, 27.03.01 г.
6. Устройство контроля ОПН в процессе эксплуатации. Компания Севзаппром. Продукция. ОПН. // http://szp.spb.ru/html/modules.pnp?name=Pages&go=Showcat&cid=30.
7. Регистратор срабатываний типа GLX. РК Таврида - Электрик. Продукция. ОПН/TEL //http://www.tavrida.ru/products/opn/?mode=glx.
8. Система мониторинга EXCOUNT -II. ABB - Россия. Продукция. //http://www.abb.ru/product/seitp332/C1256ccb004e670dc1256a1700369fdb.aspx.
9. Способ питания нагрузки постоянным током и устройства для его осуществления. Патент РФ RU2360346, МПК H02H 1/00 // H02M 7/00
10. Пентегов И.В. Основы теории зарядных цепей емкостных накопителей энергии. Киев, Наукова думка, 1982, 420 с.
11. Ховайко О. Источники питания с конденсаторным делителем напряжения. - Радио, 1997, №11, с.56.
12. Бирюков С. Расчет сетевого источника питания с гасящим конденсатором. - Радио, 1997, №5, с.48-50.
13. Бирюков С.А. Устройства на микросхемах: цифровые измерительные приборы, источники питания, любительские конструкции. М.: Символ - Р, 1998, 192 с., илл.
14. Акимов Н.И. и др. Резисторы, конденсаторы, трансформаторы, дроссели, коммутационные устройства РЭА. Справочник. Минск: "Беларусь", 1994, 590 с., илл.
15. Пожидаев В.М. Электрические машины и электропривод. Уч. пос. Л., ВИКИ им. Можайского, 1988, 284 с., илл.
16. Справочник по полупроводниковой электронике. Под ред. Л.П.Хантера Сокр. перевод с англ. под ред. д.т.н. С.Я.Шаца и к.т.н. И.И.Литвинова. М., Машиностроение, 1975 г., 508 с., илл.
17. Рогинский В.Ю. Электрическое питание радиотехнических устройств. Госэнергоиздат, 1957, 516 с., илл.
18. Беркович Е.И. и др. Под ред. Ф.И.Ковалева и Г.П.Мостового. Полупроводниковые выпрямители. 2-е изд. Энергия, 1978, 448 с., илл.
19. Быстров В.К., Николаев А.Г. Определение среднеквадратических значений КПД выпрямителей - умножителей напряжения // Известия АН ЛатвССР, Серия физических и технических наук. №5, 1988 г., с.38-41.