СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ (ВАРИАНТЫ)
METHOD AND DEVICE FOR ELECTRICAL ENERGY TRANSMISSION (VERSIONS)

Изобретение относится к области электротехники, в частности к способу и устройству для передачи электрической энергии.
Известен способ и устройство для передачи электроэнергии по замкнутой цепи, состоящей из двух или более проводов, трансформаторных подстанций и линий электропередач (Электропередачи переменного и постоянного тока. Электротехнический справочник. - Энергоатомиздат. 1988. С.337-352).
Недостатком известного способа и устройства является передача электрической энергии в одном направлении от генератора к потребителю энергии.
Известен реверсивный преобразователь напряжения для передачи электрической энергии между сетями переменного и постоянного тока, содержащий три инвертора-выпрямителя с автоматическим управлением работой второго инвертора-выпрямителя в режиме передачи электроэнергии от сети переменного тока в сеть постоянного тока автоматического нормального или ускоренного заряда аккумуляторной батареи сети напряжения постоянного тока, автоматического скоординированного управления работой третьего и первого инвертора-выпрямителя в режиме передачи энергии от сети напряжения постоянного тока с аккумуляторной батареей в сеть напряжения переменного тока (в режиме рекуперации энергии, при разряде аккумуляторной батареи сети напряжения постоянного тока), автоматического перехода к режиму рекуперации энергии после аварийного отключения источника напряжения сети переменного тока, автоматического возврата, при восстановлении напряжения в сети переменного тока, к режиму передачи электроэнергии от сети напряжения переменного тока в сеть напряжения постоянного тока (Пат. РФ №2343615, Бюл. №1, 10.01.2009).
Недостатком известных устройства и способа являются потери в линиях, составляющие от 5 до 20%, в зависимости от длины ЛЭП, и высокая стоимость оборудования в расчете на 1 км линии электропередачи.
Известен способ и устройство питания электротехнических устройств с использованием генератора переменного напряжения, подключаемого к потребителю, отличающегося тем, что 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, 1998, Авраменко С.В. Способ питания электротехнических устройств и устройство для его осуществления).
Известно устройство для преобразования и передачи электрической энергии по однопроводной линии на большое расстояние, разработанное Н.Тесла в 1897 году. Согласно изобретению Н.Тесла, устройство состоит из двух трансформаторов, один для повышения, а другой для уменьшения потенциала тока, указанные трансформаторы имеют вывод обмотки с проводом большой длины, соединенный с линией, и другой вывод этой обмотки, примыкающий к обмотке из провода более короткой длины, соединен электрически с ней и с землей.
Повышающий трансформатор имеет первичную обмотку, соединенную с электрическим генератором повышенной частоты. Первичная обмотка намотана на вторичную высоковольтную обмотку, длина провода которой значительно больше длины первичной обмотки и приблизительно равна четверти длины волны электромагнитного поля в линии. В этом случае потенциал одного внутреннего вывода высоковольтной обмотки равен нулю, а потенциал другого наружного вывода будет максимальный. Внутренний конец высоковольтной вторичной обмотки соединен с линией передачи электрической энергии, а наружный конец вторичной обмотки и прилегающий вывод первичной обмотки в целях электробезопасности соединен с землей. Понижающий трансформатор выполнен аналогично. Выводы низковольтной обмотки соединены с электрической нагрузкой в виде ламп накаливания и электродвигателей. Однопроводная линия электропередач имеет длинные изоляторы на опорах для снижения потерь на утечку тока (Н.Тесла. Электрический трансформатор. Пат. США №593138 от 2.11.1897 г.).
AB
AB
Известны способ и устройство передачи электрической энергии путем создания резонансных колебаний повышенной частоты в цепи, состоящей из высокочастотного генератора и двух, повышающего и понижающего, высокочастотных трансформаторов Тесла, передачи высоковольтного потенциала и электрической энергии по однопроводной линии к понижающему трансформатору Тесла, выпрямления тока и передачи электрической энергии нагрузке, резонансные колебания электромагнитной энергии с длиной волны λ=2L/n, где n - целое число, L - длина изолированной от земли электрической однопроводной линии, передают от настроенного на частоту высокочастотного генератора резонансного контура низковольтной обмотки повышающего высокочастотного трансформатора Тесла к резонансному контуру низковольтной обмотки понижающего трансформатора Тесла по изолированной от земли однопроводной электрической цепи, преобразуют реактивный ток в изолированной от земли электрической однопроводной линии в переменный ток высокой частоты, содержащий векторную сумму активного и реактивного токов, который затем преобразуют в постоянный ток, преобразуемый в переменный ток промышленной частоты (Пат. РФ №2555406. Бюл. №18, 27.06.2004 г.)
Указанные способ и устройство имеют малые потери в однопроводной линии и возможность передавать электрическую энергию на большое расстояние.
Недостатком известных способов и устройств является невозможность передавать электрическую энергию в двух направлениях вдоль однопроводной линии.
Задачей изобретения является повышение эффективности передачи энергии, увеличение длины линий передач и возможность передачи электроэнергии по однопроводной линии в двух направлениях между двумя энергосистемами.
В результате использования предлагаемого изобретения повышается эффективность и снижаются потери при передаче электрической энергии стационарным и мобильным потребителям и электротранспортным средствам и появляется возможность рекуперации энергии и возврата энергии в сеть при торможении электротранспортного средства.
Указанный результат достигается тем, что в способе передачи электрической энергии путем создания резонансных колебаний от преобразователя частоты в цепи, состоящей из двух резонансных контуров, двух высокочастотных трансформаторов и однопроводной линии между ними, и передачи резонансных колебаний электромагнитной энергии от резонансного контура первого высокочастотного трансформатора к резонансному контуру второго высокочастотного трансформатора по однопроводной изолированной от земли электрической линии, преобразования тока высокой частоты в постоянный ток и затем в инверторе в переменный ток промышленной частоты, передачу электрической энергии осуществляют симметрично вдоль однопроводной линии в обоих направлениях путем создания резонансных колебаний от преобразователя-инвертора с каждой стороны линии, преобразования тока высокой частоты в постоянный ток и затем в переменный ток промышленной частоты в преобразователе-инверторе с каждой стороны однопроводной линии, при этом преобразователь частоты используют в качестве инвертора при приеме электрической энергии, а инвертор используют в качестве преобразователя частоты при передаче электрической энергии.
В варианте способа передачи электрической энергии электрическую энергию передают по n-однопроводным линиям в обоих направлениях вдоль каждой однопроводной линии, причем все однопроводные линии имеют точки пересечения между собой с электрическим контактом.
В варианте способа передачи электрической энергии электрическую энергию передают между двумя отрезками однопроводной линии симметрично в обоих направлениях через воздушный конденсатор, одна обкладка конденсатора и первый отрезок однопроводной линии устанавливают стационарно, а вторая обкладка конденсатора и второй отрезок однопроводной линии, второй высокочастотный трансформатор, второй резонансный контур и преобразователь-инвертор устанавливают на мобильном электрическом транспортном средстве.
В способе передачи электрической энергии путем создания резонансных колебаний от преобразователя частоты в цепи, состоящей из двух резонансных контуров и однопроводной линии между ними, преобразования тока высокой частоты в постоянный ток и затем в инверторе в переменный ток промышленной частоты передачу электрической энергии осуществляют между средним выводом первого резонансного контура и средним выводом второго резонансного контура симметрично вдоль однопроводной изолированной от земли электрической линии в обоих направлениях путем создания резонансных колебаний от преобразователя-инвертора с каждой стороны однопроводной линии, преобразования тока высокой частоты в постоянный ток и затем в переменный ток промышленной частоты в преобразователе-инверторе с каждой стороны однопроводной линии, при этом преобразователь частоты используют в качестве инвертора при приеме электрической энергии, а инвертор используют в качестве преобразователя частоты при передаче электрической энергии.
В варианте способа передачи электрической энергии электрическую энергию передают по n-однопроводным линиям (n=1,2,3…) в обоих направлениях вдоль каждой однопроводной линии, причем все однопроводные линии имеют точки пересечения между собой с электрическим контактом.
В варианте способа передачи электрической энергии электрическую энергию передают между двумя отрезками однопроводной линии симметрично в обоих направлениях через воздушный конденсатор, одна обкладка которого и первый отрезок однопроводной линии устанавливают стационарно, а вторая обкладка конденсатора и второй отрезок однопроводной линии, второй резонансный контур и преобразователь-инвертор устанавливают на мобильном электрическом транспортном средстве.
В устройстве для передачи электрической энергии, содержащем на входе выпрямитель преобразователя частоты и преобразователь частоты, два резонансных контура и два высокочастотных трансформатора, соединенные однопроводной линией, выпрямитель инвертора и инвертор, соединенные с нагрузкой, на входе и выходе устройства установлены многофункциональные блоки, совмещающие функции преобразователя частоты, выпрямителя, инвертора и блока управления, при этом на входе параллельно выпрямителю преобразователя частоты установлен дополнительно инвертор, соединенный через выпрямитель инвертора и блок управления с выходом преобразователя частоты и входом первого резонансного контура, а на выходе устройства параллельно инвертору установлен выпрямитель преобразователя частоты, соединенный через преобразователь частоты и блок управления с выходом второго резонансного контура и входом выпрямителя инвертора.
В варианте устройства для передачи электрической энергии оно содержит n пересекающихся однопроводных линий (n=1,2,3…), электрически соединенных в точках пересечения, каждая однопроводная линия содержит на входе и выходе многофункциональные блоки, совмещающие функции преобразователя частоты, выпрямителя, инвертора и блока управления и которые соединены с однопроводной линией через резонансные контуры и высокочастотные трансформаторы.
В варианте устройства для передачи электрической энергии однопроводная линия выполнена из двух частей, соединенных между собой через воздушный конденсатор, одна часть однопроводной линии вместе с многофункциональным блоком, совмещающим функции преобразователя частоты, выпрямителя, инвертора и блока управления, а также первым резонансным контуром и высокочастотным трансформатором и одна обкладка воздушного конденсатора установлены стационарно, а вторая обкладка конденсатора и вторая часть однопроводной линии вместе со вторым резонансным контуром, вторым высокочастотным трансформатором и многофункциональным блоком инвертор-выпрямитель-преобразователь частоты и блоком управления установлены на мобильном электрическом транспортном средстве.
В устройстве для передачи электрической энергии, содержащем на входе выпрямитель преобразователя частоты и преобразователь частоты, первый резонансный контур, однопроводную линию, второй резонансный контур, выпрямитель инвертора и инвертор, соединенные на выходе с нагрузкой, на входе и выходе устройства установлены многофункциональные блоки, совмещающие функции преобразователя частоты, выпрямителя, инвертора и блока управления, при этом однопроводная линия соединена со средними выводами первого, и второго резонансных контуров, на входе параллельно выпрямителю преобразователя частоты установлен дополнительный инвертор, который соединен через выпрямитель инвертора и блок управления с выходом преобразователя частоты и входом первого резонансного контура, а на выходе устройства параллельно инвертору установлен выпрямитель преобразователя частоты, который соединен через преобразователь частоты и блок управления со входом выпрямителя инвертора и выходом второго резонансного контура.
В варианте устройства для передачи электрической энергии оно содержит n однопроводных линий (n=1,2,3…), электрически соединенных (n+1)-й однопроводной линией, каждая однопроводная линия содержит на входе и выходе многофункциональные блоки, совмещающие функции преобразователя частоты, выпрямителя, инвертора и блока управления, которые соединены с однопроводной линией через резонансные контуры.
В варианте устройства для передачи электрической энергии однопроводная линия выполнена из двух частей, соединенных между собой через воздушный конденсатор, одна часть однопроводной линии с функциональным блоком, совмещающим функции преобразователя частоты, выпрямителя, инвертора и блока управления, который соединен с резонансным контуром, и одна обкладка воздушного конденсатора установлена стационарно, а вторая обкладка конденсатора и вторая часть однопроводной линии вместе с резонансным контуром с многофункциональным блоком инвертор-выпрямитель-преобразователь частоты и блок управления установлены на мобильном электрическом транспортном средстве.
Способ и устройство для передачи электрической энергии иллюстрируются на чертеже, где:
на фиг.1 показана блок-схема способа и устройства для передачи электрической энергии с двумя резонансными трансформаторами;
на фиг.2 блок-схема способа и устройства для передачи электрической энергии с двумя резонансными трансформаторами и многофункциональными блоками;
на фиг.3 блок-схема способа и устройства для передачи электрической энергии с тремя пересекающимися однопроводными линиями;
на фиг.4 блок-схема способа и устройства для передачи электрической энергии на мобильное электротранспортное средство;
на фиг.5 показана блок-схема способа и устройства для передачи электрической энергии с двумя резонансными контурами;
на фиг.6 блок-схема способа и устройства для передачи электрической энергии с двумя резонансными контурами для электроснабжения мобильного электротранспортного средства;
на фиг.7 блок-схема способа и устройства для передачи электрической энергии с тремя соединенными между собой однопроводными линиями.
Блок-схема способа и устройства для передачи электрической энергии на фиг.1 содержит источник питания 1, выпрямитель 2 преобразователя частоты 3, первый резонансный контур 4, первый высокочастотный трансформатор 5, однопроводную линию 6, второй высокочастотный трансформатор 7, второй резонансный контур 8, выпрямитель 9 инвертора 10 и электрическую нагрузку 11. Для обеспечения передачи электрической энергии по однопроводной линии 6 в двух противоположных направлениях на входе у источника питания 1 параллельно с выпрямителем 2 преобразователя частоты 3 установлен дополнительный инвертор 12, который через выпрямитель 13 инвертора 12 и блок управления 14 присоединен к выходу преобразователя частоты 3 и ко входу первого резонансного контура 4. У нагрузки 11 на выходе устройства параллельно инвертору 10 установлен выпрямитель 15 преобразователя частоты 16, который через блок управления 17 соединен с выходом второго резонансного контура 8 и входом выпрямителя 9 инвертора 10.
На фиг.2 на входе и выходе устройства для передачи электрической энергии установлены многофункциональные блоки 18 и 19, каждый из которых выполняет функции преобразователя частоты, выпрямителя, инвертора и блока управления.
На фиг.3 устройство для передачи электрической энергии содержит три пересекающиеся однопроводные линии 20, 21, 22, которые электрически соединены в точках пересечения 23. Каждая однопроводная линия содержит на входе и выходе многофункциональные блоки 18 и 19, выполняющие функции преобразователя частоты, выпрямителя, инвертора и блока управления. Многофункциональные блоки, 18 и 19 соединены с однопроводными линиями 20, 21 и 22 через резонансные контуры 4 и 8 и высокочастотные трансформаторы 5 и 7.
На фиг.4 однопроводная линия 24 выполнена из двух частей 25 и 26. Одна часть 25 однопроводной линии 24 установлена стационарно в виде кабеля, встроенного в дорожное покрытие 27. Однопроводная линия 24 присоединена к источнику питания 1 через многофункциональный блок преобразователь/инвертор 18, первый резонансный контур 4 и первый высокочастотный трансформатор 5, которые также установлены стационарно. Две части 25 и 26 однопроводной линии 24 соединены друг с другом через воздушный конденсатор 28, одна обкладка конденсатора 28 представляет часть 25 однопроводной кабельной линии 24 в дорожном покрытии 27. Вторая обкладка конденсатора 28 выполнена из металлической изолированной пластины 29, которая частью 26 однопроводной линии 24 соединена через второй высокочастотный трансформатор 7, второй резонансный контур 8 и многофункциональный блок 19 преобразователь/инвертор с электрической нагрузкой 11. Вторая часть 25 однопроводной линии 23, высокочастотный трансформатор 7, резонансный контур 8, многофункциональный блок 19 и электрическая нагрузка 11 установлены на мобильном электрическом транспортном средстве 30.
На фиг.5 многофункциональный блок 18 преобразователь/инвертор на входе устройства присоединен к источнику питания 1 и первому резонансному контуру 31, а многофункциональный блок 19 преобразователь/инвертор на выходе устройства присоединен ко второму резонансному контуру 32 и к нагрузке 11. Однопроводная линия 6 присоединена к средним выводам 33 и 34 резонансных контуров 31 и 32.
На фиг.6 в разрыв однопроводной линии 24 включен воздушный конденсатор 28. Одна часть 25 однопроводной линии 24 установлена стационарно и присоединена к среднему выводу 33 первого резонансного контура 31, который присоединен к стационарному источнику питания 1 через многофункциональный блок 18 преобразователь/инвертор. Вторая часть 26 однопроводной линии 24 соединена с обкладкой 29 воздушного конденсатора 28 и со средним выводом 34 второго резонансного контура 32. Резонансный контур 32 соединен через многофункциональный блок 19 преобразователь/инвертор с электрической нагрузкой 11. Все элементы электрической цепи устройства передачи электрической энергии, соединенные со второй частью 26 однопроводной линии 24, установлены на мобильном электрическом транспортном средстве 30.
На фиг.7 устройство для передачи электрической энергии содержит три однопроводные линии 35, 36, 37, электрически соединенные между собой однопроводной линией 38 в точках 39, 40 и 41. Каждая однопроводная линия содержит на входе и выходе функциональные блоки 18 и 19, выполняющие функции преобразователя частоты, выпрямителя, инвертора и блока управления. Функциональные блоки 18 и 19 соединены с резонансными контурами 31 и 32, средние выводы 33 и 34 которых присоединены к однопроводным линиям 35, 36 и 37.
Способ передачи электрической энергии реализуется следующим образом. В обычном режиме работы электрическую энергию передают от генератора 1 к нагрузке 11 по однопроводной линии 6. При этом блок управления 14 (фиг.1) сравнивает напряжение на входе и выходе блока 14 и при повышении напряжения на преобразователе частоты 3 соединяет преобразователь частоты 3 с резонансным контуром 4. Управляющий блок 17 при повышении напряжения на резонансном контуре 8 соединяет резонансный контур 8 с выпрямителем 9 инвертора 10 и с нагрузкой 11 (фиг.1). Многофункциональные блоки 18 на фиг.2, 3, 4, 5, 6, 7 при передаче энергии от генератора 1 к нагрузке 11 работают в режиме преобразователя частоты, а функциональные блоки 19 работают в режиме инвертора. При увеличении напряжения на нагрузке 11 за счет рекуперации энергии при торможении электрического транспортного средства (фиг.4 и 6) или при включении у потребителя нагрузки 11 (фиг.1, 2, 3, 5, 7) автономного генератора 39 (фиг.7) на основе дизель-генератора или солнечной батареи 3 (на фиг.1, 2, 3, 5, 7 не показано) блок управления 14 на фиг.1 или функциональный блок преобразователь/инвертор 19 на фиг.2, 3, 4, 5, 6, 7 присоединяет нагрузку 11 через выпрямитель 15 и преобразователь частоты 16 к резонансному контуру 8. Электрическую энергию передают (на фиг.1) через высокочастотный трансформатор 7, однопроводную линию 6, высокочастотный трансформатор 5 на резонансный контур 4. Блок управления 14 сравнивает напряжение на входе и выходе блока 14 и при повышении напряжения на резонансном контуре 4 присоединяет контур 4 к выпрямителю 13 инвертора 12. Передаваемую электрическую энергию вдоль однопроводной линии 6 от нагрузки 11 к генератору 1 используют в нагрузке 40 генератора 1 (фиг.7). При увеличении напряжения на шинах генератора 1 устройство управления 41 генератором 1 на фиг.7 уменьшает мощность генератора 1.
Примеры осуществления способа и устройства для передачи электрической энергии.
Пример 1. Генератор 1 на фиг.3 имеет электрическую мощность 150 кВт. В качестве электрического транспортного средства используют троллейбус с мощностью электропривода нагрузки 11 100 кВт. Электрическая мощность многофункциональных блоков 18 и 19 преобразователь/инвертор 150 кВт. Рабочая частота генератора 1 50 Гц, рабочая частота однопроводной линии 6 25 кГц. Напряжение генератора 1 220/380 В. Напряжение в однопроводной кабельной линии 10 кВ. Длина стационарной части 25 однопроводной кабельной линии 6 10 км. Расстояние между обкладками 25 и 21 воздушного конденсатора 28 0,3 м, напряжение на нагрузке 11 220/380 В, частота 50 Гц. В качестве электропривода используют асинхронный электродвигатель с частотным регулятором числа оборотов. В нормальном режиме при передаче электрической энергии от генератора 1 к нагрузке 11 многофункциональный блок 18 работает в режиме преобразователя частот и многофункциональный блок 19 в режиме инвертора. При торможении троллейбуса механическая энергия торможения преобразуется в электрическую энергию, напряжение на входе асинхронного двигателя нагрузки повышается, и электрическую энергию передают от нагрузки 11 к генератору 1. При этом многофункциональный блок 19 работает в режиме преобразователя частоты, а многофункциональный блок 18 в режиме инвертора. Вместо генератора 1 может быть использована энергосистема или электрическая сеть из нескольких генераторов (фиг.6), а вместо троллейбуса - электроскутер, электровелосипед, электромобиль. При этом способ и устройство позволяют использовать несколько электрических транспортных средств при питании от однопроводной линии 6 или нескольких однопроводных линий (фиг.6) с рекуперацией энергии и передачей электрической энергии от нескольких электрических транспортных средств по одной или нескольким однопроводным линиям от потребителя нагрузки 11 к генератору 1 и в обратном направлении или отключает генератор 1. Функциональные блоки 19 на фиг 2, 3, 4, 5, 6, 7 при передаче электрической энергии от нагрузки 11 к генератору 1 работают в режиме преобразователя частоты, а функциональные блоки 18 - в режиме инвертора.
Пример 2. Три генератора 1 на фиг.7 образуют энергосистему, к которой подключены три однопроводные линии 25, 36, 37, которые соединены дополнительной однопроводной линией 38. Электрическую энергию передают от трех генераторов 1 к трем потребителям нагрузки 11, при этом многофункциональные блоки 18 работают в режиме преобразователя частоты, а многофункциональные блоки 19 - в режиме инвертора. Электрическая мощность каждого генератора 1500 кВт, напряжение 220/380 В, частота 50 Гц. Каждый генератор 1 имеет электрическую нагрузку 40 электрической мощностью 1-500 кВт, которая соединена с шинами генератора 1. У каждого потребителя нагрузки 11 установлен резервный генератор 39 электрической мощностью 500 кВт, напряжением 220/380 В, частотой 50 Гц. Электрическая мощность каждого потребителя нагрузки изменяется от 1 до 500 кВт, напряжение 220/380 В, частота 50 Гц, напряжение на однопроводных линиях 35, 36, 37, 38 30 кВ, частота 30 кГц. При включении одного, двух или трех генераторов 39 у потребителя нагрузки 11 напряжение на выходе многофункциональных блоков 18 и 19 преобразователь/инвертор повышается, и многофункциональные блоки 19 переключаются с режима инвертора в режим преобразователя частоты, а многофункциональные блоки 18 - из режима преобразователя частоты в режим инвертора. Электрическую энергию передают вдоль однопроводных линий 35, 36, 37 от генераторов 39 на стороне потребителя нагрузки 11 к нагрузкам 40 на стороне генераторов 1. В режиме неполных нагрузок 11 и 40 электрическую энергию передают по различным однопроводным линиям в различных, в том числе встречных направлениях, например, по однопроводной линии 35 от генератора 1 к нагрузке 11, а по однопроводным линиям 36 и 37 от генераторов 39 к нагрузке 40.