СИСТЕМА РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ НА ПОСТОЯННОМ ТОКЕ ОТ ШИН ОБЩЕГО ИСТОЧНИКА Российский патент 2003 года по МПК H02J1/00 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к преобразовательной технике, и может быть использовано для распределения мощности между одновременно работающими потребителями электроэнергии, например, на космических аппаратах.

В системах электроснабжения постоянного тока распределение электроэнергии от шин общего источника электроэнергии производится с помощью дистанционных переключателей (ДП), контакторов (К), магнитных пускателей (МП), реле (Р), автоматов защиты сети с ручным приводом или дистанционным управлением (АЗС) [1, 2, 3].

Недостатками известных устройств распределения электроэнергии от общего источника по потребителям являются:
1) возникновение электрических помех на выходных клеммах или распределительных шинах общего источника электроэнергии вследствие пусковых токов;
2) возникновение пульсаций напряжения на распределительных шинах источника вследствие отключения потребителей с большой индуктивностью (обмоток реле, двигателей, приводов);
3) возникновение высокочастотных пульсаций напряжения вследствие переходных процессов в линиях, поскольку линии с распределенными параметрами являются динамическим звеном чистого запаздывания, склонным к резонансам на различных частотах;
4) возникновение электромагнитных помех вокруг кабелей, доставляющих электроэнергию к потребителям, вследствие изменения в этих кабелях величины потребляемого тока и передача этих помех через электромагнитные поля и третьи цепи в другие электрические цепи, например измерительные;
5) возникновение помех на клеммах общего источника вследствие потери динамической устойчивости системы источник - потребитель при случайном стечении неблагоприятных условий в системе электроснабжения;
6) возникновение помех на общих распределительных шинах при возникновении коротких замыканий у отдельных потребителей или просто при подключениях потребителей, имеющих на входе конденсаторные фильтры.

Вероятность возникновения помех многократно увеличивается при высоких напряжениях (особенно выше 60 В), когда всякая коммутация электрической цепи и короткие замыкания сопровождаются возникновением электрической дуги, в которой, как известно, имеется широкий спектр высокочастотных колебаний тока.

При этом у потребителей электроэнергии, содержащих вычислительные устройства, высокоточные системы автоматического управления, при помехах по цепи питания возникают сбои в работе, приводящие к нарушению работоспособности, к выходу из строя дорогостоящей материальной части, а при использовании таких систем на космических объектах или на воздушном транспорте - к появлению опасности для здоровья и жизни экипажа и пассажиров.

В конце 1990-х годов во многих фирмах США, Европы, России и Японии наблюдается широкое применение для коммутации потребителей электроэнергии полупроводниковых ключей, сущность которых состоит в использовании вместо электромеханических контактов, подающих напряжение к потребителям, полевых транзисторов. Эти ключи кроме простой подачи питающего напряжения выполняют ряд дополнительных функций:
- ограничивают по величине пусковые токи и токи коротких замыканий, защищая провода фидеров от перегорания, а потребителей от всплесков и провалов напряжения;
- обеспечивают измерение пульсаций напряжения и тока в фидерах и при опасных значениях этих пульсаций для потребителей производят автоматическое отключение фидеров;
- практически не ограничивают число включений и отключений фидеров;
- обеспечивают измерение значений токов и напряжений в фидерах;
- имеют очень маленькое внутреннее сопротивление.

Одной из таких схем, взятой за прототип, является система распределения электроэнергии на постоянном токе, содержащая коммутаторы на транзисторных ключах фирмы Сименс [4].

Тем не менее такая система распределения электроэнергии на постоянном токе не способна решить все проблемы, связанные с распределением электроэнергии по потребителям от общего источника. Линии электропередачи остаются источниками и приемниками различного рода помех (от динамических переходных процессов системы источник - потребитель, от переходных процессов в линиях, связанных с падающими и отраженными волнами, от несогласованности волновых сопротивлений линий и потребителей, от наводок и т.д.).

Возникновение помех в линиях связано в основном с:
1) изменениями величины потребляемого тока приемниками электроэнергии;
2) наличием падений напряжения в каждой линии, являющимся причиной возникновения пульсаций напряжения при пульсирующем характере потребляемого тока;
3) наличием распределенных по длине линии электропередачи электрической емкости и индуктивности;
4) взаимовлияниями через внутренний импеданс общего источника электроэнергии;
5) наводками от соседних линий с пульсирующим характером потребляемого тока.

Актуальность борьбы с помехами в сетях постоянного тока возникла в связи с широким применением среди потребителей электроэнергии компьютеров, различного рода адаптеров (тоже по существу вычислителей), программников и точной измерительной аппаратуры, использующих современную микроминиатюрную элементную базу и микропроцессоры.

На рубеже XXI века проблема борьбы с помехами чрезвычайно обострилась вследствие распространения автоматизации на все отрасли человеческой деятельности. Без кардинального решения проблемы помехозащищенности электрических сетей становится затруднительным дальнейшее совершенствование средств автоматизации, особенно на автономных космических аппаратах, самолетах и других автономных объектах.

Задачами, решаемыми изобретением, являются:
1) существенное уменьшение помех в линиях, возникающих как от электрической нагрузки конкретной линии, так и от нагрузок в соседних линиях;
2) увеличение (по сравнению с электромеханическими коммутаторами) числа допустимых коммутаций электрической нагрузки;
3) уменьшение сечения проводов каждой линии электропередачи, отходящей от шин общего источника, за счет вновь появившейся возможности по увеличению напряжения в линиях и возможности по увеличению допустимого падения напряжения;
4) упрощение требований к динамическим свойствам линии;
5) обеспечение такой величины питающего напряжения для каждого потребителя, которая для него является желаемой, при одном и том же напряжении на общем источнике.

Эта задача решается следующим образом: в системе распределения электроэнергии на постоянном токе от шин общего источника, содержащей коммутаторы и линию электропередачи, состоящую из прямого и обратного проводов, коммутаторы, установленные на шинах общего источника, выполнены в виде статического преобразователя напряжение - ток, а коммутаторы, установленные на концах линий электропередачи, выполнены в виде статического преобразователя ток - напряжение, представляющего собой параллельный транзисторный ключ, к которому подключен широтно-импульсный модулятор с конденсаторным фильтром на выходе, при этом между транзисторным ключом и конденсаторным фильтром подсоединен диод в прямом направлении для исключения обратной реакции по напряжению в линию питания от потребителя электроэнергии.

На фиг.1 представлена схема предлагаемой системы.

На фиг. 2 изображена вольт-амперная характеристика статического преобразователя ток - напряжение (стабилизатора напряжения).

На фиг. 3 изображена вольт-амперная характеристика статического преобразователя напряжение - ток (стабилизатора тока).

На распределительных шинах общего источника постоянного тока 1 к конкретному потребителю электроэнергии 9 установлен коммутатор 2 в виде статического преобразователя напряжение - ток, представляющий собой стабилизатор тока, воспринимающий команды на включение и отключение (ВКЛ, ОТКЛ). От коммутатора 2 отходит линия электропередачи 3, содержащая два провода (прямой и обратный). На конце линии электропередачи 3 в непосредственной близости от потребителя электроэнергии 9 подсоединен другой коммутатор 4 в виде статического преобразователя ток - напряжение, представляющий собой стабилизатор напряжения, с дискретным регулированием и широтно-импульсным модулятором 7, параллельный транзисторный ключ 5 которого подсоединен между прямым и обратным проводами. На выходе коммутатора 4 подключен конденсаторный фильтр 6, а между ним и исполнительным элементом 5 широтно-импульсного модулятора 7 подсоединен диод 8 в прямом направлении. С выхода коммутатора 4 электроэнергия поступает к конкретному потребителю электроэнергии 9. Номинальное значение выходного напряжения коммутатора 4 определяется скважностью импульсов управляемого тока параллельного транзисторного ключа 5 широтно-импульсного модулятора 7.

Система работает следующим образом.

Ток от коммутатора 2, выполненного в виде статического преобразователя напряжение - ток (стабилизатора тока), поступает на вход коммутатора 4, выполненного в виде статического преобразователя ток - напряжение, преобразуясь в стабилизированное напряжение питания потребителя электроэнергии 9.

За счет параллельного включения транзисторного ключа 5 по отношению к коммутатору 2, выполненному в виде статического преобразователя напряжение - ток (стабилизатора тока), ток в линии электропередачи 3 подается постоянным независимо от изменения режимов работы потребителя электроэнергии 9, стабилизация напряжения которого обеспечивается за счет изменения скважности управляющих импульсов на входе параллельного транзисторного ключа 5, являющихся функцией сравнения напряжения к потребителю 9 и напряжения на выходе параллельного транзисторного ключа 5. Эта функция сравнения осуществляется широтно-импульсным модулятором 7. Конденсаторный фильтр 6 обеспечивает сглаживание выходного напряжения. Диод 8 в прямом направлении служит для исключения обратной реакции по напряжению в линию питания от потребителя электроэнергии 9.

Напряжение постоянного тока с шин общего источника 1 поступает на коммутатор 2, выполненный в виде статического преобразователя напряжение - ток (стабилизатор тока). Наличие упомянутого коммутатора 2 позволяет исключить ступенчатое изменение тока на шинах общего источника постоянного тока 1, что позволяет сделать более плавным изменение напряжения на входе в период переходного процесса, что в свою очередь уменьшает экстремальное воздействие токовых перегрузок в линии.

Исполнение коммутатора 2 в виде статического преобразователя напряжение - ток, другими словами стабилизатора тока, позволяет уменьшить требование к динамическим параметрам линии, следствием чего является уменьшение электромагнитных помех, а также возникает возможность упростить линию.

Коммутатор 2 в виде статического преобразователя напряжение - ток воспринимает и реализует две внешне команды на включение (ВКЛ) и отключение (ОТКЛ) потребителя и не ограничивает число коммутаций, поскольку эта функция реализуется на полупроводниковых элементах. При выполнении этой функции можно заменить ступенчатое воздействие на потребитель на более "мягкое" экспоненциальное, что способствует уменьшению величины пускового тока, и за счет этого происходит уменьшение возмущающего воздействия на источник электроэнергии и, как следствие, уменьшение пульсации напряжения на шинах.

Следующее положительное качество новой системы распределения электроэнергии возникает в связи с передачей по линии электропередачи 3 тока стабильной величины. К линии при этом не предъявляется ни каких динамических требований. Для стабильного тока линия является статическим звеном. Поэтому в ней допустимы более высокие падения напряжения, допустима более высокая индуктивность и емкость. Поэтому допустимо выполнение этой линии из проводов меньшего сечения, меньшей стоимости и меньшего веса. Изменение величины потребляемой мощности конкретным потребителем ведет только к изменению величины напряжения в этой линии, которое не приводит к появлению помех ни для нагрузки на конце линии, ни для соседних линий, поскольку ток в линии всегда стабилен. Если оба провода линии расположены рядом, суммарное магнитное и электрическое поле всегда будет равно нулю.

Коммутатор 4, выполненный в виде статического преобразователя ток - напряжение, стабилизируя напряжение, во-первых, обеспечивает конкретному потребителю 9 напряжение желаемой величины и желаемого качества при неизменном напряжении на общем источнике. Получение напряжения высокого качества обеспечивается местной короткой обратной связью. Во-вторых, все помехи, возникающие в связи с особенностью работы конкретного потребителя 9, локализуются непосредственно в цепях этого потребителя в районе от коммутатора 4 до потребителя. Коммутатор 4 в виде статического преобразователя ток - напряжение является как бы "фильтром-пробкой", защищающим линии и общий источник от помех, имеющихся на клеммах потребителя.

Таким образом:
1) не возникает помех в линиях от изменения потребляемой мощности приемниками электроэнергии;
2) допустимо уменьшение сечения проводов каждой линии, отходящей от шин общего источника, за счет вновь появившейся возможности по увеличению напряжения и возможности по увеличению допустимого падения напряжения в этих проводах;
3) имеется возможность обеспечить на потребителях электроэнергии напряжение необходимой для конкретного потребителя величины, отличающейся от напряжения на общем источнике без специального вторичного преобразователя;
4) обеспечивается большое количество включений и отключений потребителей электроэнергии за счет замены электромеханических коммутаторов статическим преобразователем, включающимся и выключающимся с помощью подачи команд.

На предприятии опробован предлагаемый способ подключения потребителей электроэнергии к общепромышленной системе электроснабжения, испытания подтвердили осуществимость предлагаемой системы и его практическую ценность.

Литература
1. Справочник инженера по авиационному и электронному оборудованию самолетов и вертолетов, М., Транспорт, 1979 г.

2. И.М. Синдеев. Электроснабжение летательных аппаратов, М., Транспорт, 1982 г.

3. Описание изобретения к патенту российской федерации RU 2105988 С1, 27.02.98.

4. Материал из Интернета "SIEMENS. PROFET, Funktional Description & Application Notes" Semiconductor Group, 04.03.97, стр.2-1, рис.2.1.

Использование: для распределения электроэнергии от шин общего источника напряжения постоянного тока на объектах, на которых потребителями электроэнергии являются высокоточные системы автоматического управления. Технический результат заключается в устранении помех по цепям питания, уменьшении сечения проводов каждой линии электропередачи, обеспечении напряжения на потребителях электроэнергии необходимой величины, отличной от напряжения на общем источнике без специального вторичного преобразователя. В системе распределения электроэнергии на постоянном токе от шин общего источника коммутаторы, установленные на шинах общего источника, выполнены в виде статического преобразователя напряжение - ток, а коммутаторы, установленные на конце линий электропередачи, выполнены в виде статического преобразователя ток - напряжение, представляющего собой параллельный транзисторный ключ, к которому подключен широтно-импульсный модулятор с конденсаторным фильтром на выходе, при этом между транзисторным ключом и конденсаторным фильтром подсоединен диод в прямом направлении для исключения обратной реакции по напряжению в линию питания от потребителя электроэнергии. 3 ил.

Система распределения электроэнергии на постоянном токе от шин общего источника, содержащая коммутаторы и линию электропередачи, состоящую из прямого и обратного провода, отличающаяся тем, что коммутаторы, установленные на шинах общего источника, выполнены в виде статического преобразователя напряжение - ток, а коммутаторы, установленные на конце линий электропередачи, выполнены в виде статического преобразователя ток - напряжение, представляющего собой параллельный транзисторный ключ, к которому подключен широтно-импульсный модулятор с конденсаторным фильтром на выходе, при этом между транзисторным ключом и конденсаторным фильтром подсоединен диод в прямом направлении для исключения обратной реакции по напряжению в линию питания от потребителя электроэнергии.