СПОСОБ ПИТАНИЯ НАГРУЗКИ ПОСТОЯННЫМ ТОКОМ И УСТРОЙСТВА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2009 года по МПК H02H1/00 H02M7/00 

Изобретение относится к электротехнике и касается преобразования и распределения электрической энергии (ЭЭ), в частности схем и устройств передачи, распределения и преобразования электрической энергии, в том числе аппаратов защиты электрических линий электропередач (ЛЭП) и электрооборудования от грозовых и коммутационных перенапряжений.

К аппаратам защиты относят трубчатые разрядники, вентильные разрядники и ограничители перенапряжений нелинейные (ОПН). Ограничители перенапряжений - относительно новый класс аппаратов защиты с улучшенными защитными характеристиками в сравнении с характеристиками указанных 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. Для защиты электрооборудования от грозовых и коммутационных перенапряжений ограничители включают параллельно оборудованию.

При работе ограничителя под напряжением, не превышающим наибольшего допустимого рабочего напряжения, сопротивление варисторов достигает сотен мегаом. В силу неидеальности материала варисторов сопротивление их хотя и велико, но не бесконечно, поэтому через варисторы протекает ток, называемый током проводимости. Величина тока проводимости весьма мала и, например, для ОПН напряжением 110,…,220 кВ составляет порядка 0.2,…0.8 миллиампера. Ток проводимости имеет активно-емкостной характер. Активная составляющая тока определяет величину потерь в ограничителе. Величина тока проводимости непостоянна и увеличивается по мере времени эксплуатации ОПН. При превышении допустимых значений тока, в основном его активной составляющей, ОПН должен быть снят с эксплуатации из-за нарушения его теплового баланса. Поэтому основные руководящие документы по эксплуатации электрооборудования, например [3], требуют периодического контроля величины тока проводимости. В настоящее время ограничители перенапряжений комплектуются измерителями тока проводимости различных типов, например, выполненных в соответствии с [4].

При возникновении грозовых или коммутационных импульсов перенапряжений в сети сопротивление варистора 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".

Для контроля режимов грозовых и коммутационных перенапряжений сети и срабатывания ОПН ограничители комплектуются регистраторами срабатывания различных типов, например, выполненных в соответствии с [4].

Приборы контроля, выполненные на основе патента [4], например [5, 6], являются приборами простейшего типа и не нуждаются в устройствах питания. Однако более сложные приборы контроля [7, 8 и др.], обеспечивающие не только измерение величины тока проводимости или только фиксацию срабатывания ОПН при перенапряжениях, но и, например, гармонический анализ тока проводимости или амплитудно-временные характеристики импульса тока перенапряжения, требуют устройств питания постоянным током. Такие приборы контроля могут запитываться от гальванических элементов, аккумуляторов, солнечных батарей [7], сетевых источников питания различных типов. Основным недостатком таких устройств питания приборов контроля ОПН является необходимость периодической замены элементов питания или заряда аккумуляторов, что в условиях эксплуатации высоковольтного электрооборудования без его отключения сделать весьма сложно.

Данные изобретения, в частности, касаются устройств питания постоянным током непосредственно приборов контроля ограничителей перенапряжений нелинейных. Суть предложения состоит в том, что питание этих приборов контроля осуществляется преобразованием самого тока проводимости ограничителя перенапряжения.

Электрические схемы устройств согласно изобретению представлены на фиг.1, 2, 3 и 4.

С точки зрения электротехники, ОПН может быть представлен как высоковольтный источник переменного тока ограниченной мощности. Его основными параметрами являются:

1) переменное высокое напряжение величиной 35-750 кВ;

2) относительно малое значение переменного тока проводимости - в диапазоне 0.2-0.8 миллиампера;

3) непостоянство величины этого тока в зависимости от условий эксплуатации ограничителя, например изменения температуры и др.;

4) периодическое, причем случайное по времени, протекание импульсов тока сверхбольшой величины - десятки и сотни килоампер.

В то же время электронная аппаратура приборов контроля предполагает питание постоянным током при низковольтном стабилизированном напряжении порядка 3-12 В мощностью от десятков милливатт до единиц и десятков ватт.

Известны следующие способы преобразования переменного тока высокого напряжения в постоянный ток низкого напряжения:

1) с использованием понижающих трансформаторов и выпрямителей;

2) с использованием делителей напряжения и выпрямителей;

3) с совместным использованием делителей и трансформатора.

Устройства питания постоянным током на основе понижающих трансформаторов используются, в основном, с двухполупериодной схемой выпрямления. Двухполупериодные схемы выполняются как мостовые [9, рис.3.8а, с.62] или по так называемой схеме с нулевым выводом трансформатора [10, рис.1.9а, с.27], в которой переменный ток выпрямляется двумя однополупериодными лучевыми выпрямителями. Схемы указанных устройств питания приведены на фиг.5 и 6 соответственно.

Указанные устройства для питания нагрузки (УПН) постоянным током по схемам фиг.5 и 6 обеспечивают гальваническое разобщение низковольтной нагрузки от высоковольтного источника, в частности ЛЭП. Основным недостатком подобных устройств является то, что указанные УПН характеризуются низкими значениями удельных энергетических показателей [Вт/кг, Вт/дм³ и пр.]. Это объясняется тем, что даже при малых значениях выходной мощности высоковольтный трансформатор характеризуется сравнительно большой массой, обусловленной использованием высоковольтной изоляции. Масса такого трансформатора может превышать массу самого ОПН. Кроме того, такие УПН при низком значении выходного напряжения U₂ (порядка 2-5 вольт), соизмеримом с падением напряжения на двух вентилях выпрямительного моста, характеризуются и низкими значениями КПД.

Однако использование источника электрической энергии переменного тока (ИЭЭПТ) с отводом от его средней точки позволяет питать нагрузку постоянным током через два однополупериодных лучевых выпрямителя, поочередно проводящих токи этих источников, создаваемых на основе делителя напряжения переменного тока.

Устройства для питания нагрузки на основе делителей напряжения достаточно полно описаны в литературе [11, 12 и 13]. Делители напряжения таких устройств могут быть выполнены на основе резисторов, конденсаторов или в сочетании друг с другом.

Недостатком УПН с резистивным делителем является его низкий КПД, так как весь ток нагрузки проходит через активное сопротивление балластных резисторов. Поэтому такие УПН практически не применяются.

Своеобразным ИЭЭ переменного тока с двумя выходными напряжениями (находящимися также в противофазе относительно вывода его средней точки) является конденсаторный делитель напряжения (КДН). Строго говоря, КДН, проводящий переменный ток ИЭЭ, внешне похож на трансформаторный с отводом от средней точки его вторичной обмотки и поэтому теоретически также может быть использован вкупе с двумя лучевыми выпрямителями, однако конденсаторы проводят только переменный ток и не способны проводить постоянную составляющую тока. В самом деле, неравенство емкостей КДН, обусловленное технологическими и иными причинами, практически исключают возможность использования его для питания нагрузки через два лучевых выпрямителя, поочередно шунтирующие конденсаторы сопротивлением нагрузки.

Действительно, при прохождении тока через конденсаторы КДН из-за неравенства их реактивных сопротивлений создается неравенство вольт-секундных за полупериод площадей, и конденсатор меньшей емкости (большего сопротивления) создает большую вольт-секундную площадь. Энергия, запасаемая этими конденсаторами, обратно пропорциональна их емкостям. Подключение к КДН сопротивления нагрузки, через вентили лучевых выпрямителей, создает неравенство ампер-секундных площадей, в результате чего в переходном процессе на обкладках конденсаторов, соединенных с анодами вентилей выпрямителей, накапливаются отрицательные, а на противоположных - положительные заряды, и напряжения на обоих конденсаторах оказываются направленными встречно друг другу и приблизительно равными по величине (из-за неравенства их емкостей). По этой причине ток ИЭЭ, проходя через этот КДН, сначала подразряжая конденсаторы до нуля напряжения, затем их подзаряжает, а вентили, запертые этими напряжениями, ток в нагрузку не проводят. Таким образом, КДН с выводом его средней точки принципиально не может обеспечивать работу лучевых выпрямителей.

Однако известен также источник питания постоянным током с двухступенчатым составным делителем напряжения [10, рис.3], схема которого приведена на фиг.7. В этом источнике одна ступень (конденсатор 2) используется для ограничения величины тока, а другая, выполненная из конденсаторов равной емкости 11 и 12, питает сопротивление нагрузки током через два квазилучевых выпрямителя 6 и 7, снимаемым поочередно с этих конденсаторов.

Работоспособность такого устройства достигается за счет двух дополнительных вентилей - 26 и 27, обеспечивающих шунтирование конденсаторов для предотвращения их перезаряда. В данном устройстве совокупность четырех вентилей создает мостовой выпрямитель, потери в котором вдвое превышают потери в лучевых выпрямителях.

Так как во время работы (в течение каждого такта) происходит заряд и разряд конденсаторов 11 и 12, мощность источника поступает в нагрузку и в конденсаторы, один из которых будет заряжаться, а другой - разряжаться через источник питания. Таким образом, энергия, запасенная в конденсаторах в течение одного полупериода, будет возвращаться в источник питания в течение другого полупериода. Это означает, что коэффициент использования энергии источника ограниченной мощности (малого тока) будет очень низким. Это практически исключает возможность работы такого устройства от источника малого тока.

Исключение из данной схемы диодов 26 и 27, как отмечено выше, приводит к неработоспособности УПН.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению по пункту 1 формулы изобретения является способ питания нагрузки постоянным током от источника электрической энергии переменного тока с использованием делителя напряжения, например, конденсаторно-резистивного (КРДН) и двухполупериодного выпрямителя, вход которого шунтируют резистором этого делителя напряжения, заключающийся в ограничении величины тока в сопротивлении нагрузки емкостным сопротивлением конденсатора конденсаторно-резистивного делителя напряжения, которое снимают с резистора, и сглаживают выпрямленный ток фильтром низких частот (ФНЧ) [4, схема по фиг.3 патента] - см. схему на фиг.8. Под понятием "нагрузка" здесь и далее понимается" устройство, потребляющее мощность" согласно СТ МЭК 50 (151) - 78 (Электротехника. Терминология: Справочное пособие. - Вып.3. - М.: Изд. стандартов, 1989, с.133).

В связи с тем, что переменный ток, снимаемый с резистора, выпрямляется мостовым выпрямителем, то есть проводится в нагрузку одновременно двумя вентилями, эффективность передачи энергии в низковольтную нагрузку весьма мала.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному устройству по пункту 2 формулы изобретения является устройство для питания нагрузки постоянным током, содержащее конденсаторно-резистивный делитель напряжения 2-3 и двухполупериодный выпрямитель переменного тока 30, аноды двух вентилей 6 и 7 которого подключены к крайним выводам резистора 3, а катоды образуют положительный выходной вывод выпрямителя 8, соединенный с одним выводом сопротивления нагрузки и одной клеммой конденсатора 10 фильтра низких частот [4, фиг.3], схема которого представлена на фиг.8. Недостатком этого устройства, как отмечено выше, является использование 4 (четырех) вентилей для выпрямления тока мостовым выпрямителем.

Кроме того, оно имеет ограничитель напряжения, выполненный на стабилитронах 13 и 14, соединенных в цепочку последовательно-встречно друг другу, соединенных своими катодами, а их аноды подключены к выводам резистора 3. Входные выводы 4 и 5 этого УПН подключены параллельно к защитному варистору 16 и через ОПН 17 непосредственно или через датчик тока проводимости - к выводу 18. Параллельно конденсатору 2 подключен регистратор срабатывания ОПН 17 - электромеханический счетчик 23. Вывод 18 подключен к сетевому проводу защищаемой ЛЭП, а вывод 5 - к контуру заземления. В данном устройстве нагрузкой 1 является микроамперметр постоянного тока, измеряющий ток проводимости ОПН 17.

В связи с тем, что основными элементами УПН (включенным параллельно защитному варистору 16 и последовательно с ОПН 17) являются КРДН и выпрямитель, соединенные с выводами 4 и 5, схемы УПН рассматриваются именно соединенными с этими выводами 4 и 5.

Наиболее близким по технической сущности к вариантам заявляемого устройства по пунктам 3 и 4 формулы изобретения является устройство для питания нагрузки постоянным током, содержащее положительный и отрицательный выходные выводы для подключения сопротивления нагрузки и конденсатора фильтра низких частот, двухплечевой комбинированный делитель напряжения, одно плечо которого образует конденсатор, а другое - резистор, к выводам которого подключены аноды двух стабилитронов, включенных в цепочку последовательно-встречно друг другу и соединенных своими катодами [4]. Недостатки данного устройства рассмотрены выше.

Целью изобретения по пункту 1 формулы изобретения в способе питания нагрузки постоянным током от ИЭЭПТ с использованием КРДН и двухполупериодного выпрямителя, вход которого шунтируют резистором этого делителя напряжения, является улучшение удельных энергетических показателей устройств для его реализации. Эта цель достигается путем уменьшения потерь энергии в резисторе КРДН и в вентилях его выпрямителя. С этой целью резистор КРДН выполняют потенциометрическим делителем напряжения, и напряжение, снимаемое с него, делят надвое вновь введенным конденсаторным делителем напряжения, при этом напряжения, снимаемое с потенциометрического и емкостного делителей напряжения, компаундируют и каждую сумму половин этого напряжения выпрямляют лучевыми выпрямителями, а реактивное сопротивление конденсаторов дополнительного конденсаторного делителя напряжения на частоте источника электрической энергии переменного тока выбирают, например, на порядок меньше сопротивления потенциометра и их емкость C_g определяют по формуле C_g=U·C/Uc, где U - напряжение на токоограничивающем конденсаторе конденсаторно-резистивного делителя напряжения; С - емкость токоограничивающего конденсатора упомянутого делителя напряжения; U_C - напряжение на входе лучевых выпрямителей, а напряжение источника электрической энергии переменного тока U₁ и максимальное выходное напряжение выпрямителя определяется по формулам U₁=U+2U_C и U₂=√2U_C.

Главной задачей, то есть ведущим мотивом - лейтмотивом изобретения по п.п.2-4 формулы изобретения является обеспечение выпрямления лучевыми выпрямителями переменного тока в постоянный, в которых он детектируется - выпрямляется.

Целью изобретения в УПН по пункту 2 формулы изобретения (схема по фиг.1) является улучшение технико-экономических, в основном, удельных энергетических показателей путем уменьшения потерь энергии в резисторе КРДН и вентилях его двухполупериодного выпрямителя. С этой целью УПН на базе КРДН и двухполупериодного выпрямителя, аноды двух вентилей которого соединены с крайними выводами резистора, а катоды образуют положительный выходной вывод выпрямителя, соединенный с одним выводом сопротивления нагрузки и одной клеммой конденсатора ФНЧ, снабжено двумя дополнительными конденсаторами, а в качестве резистора упомянутого делителя напряжения использован потенциометр - переменное сопротивление с подвижным ползунком-движком, при этом дополнительные конденсаторы соединены в цепь последовательно друг с другом, крайние выводы цепи подключены к анодам вентилей выпрямителя, вывод ползунка потенциометра соединен с точкой соединения конденсаторов и образует отрицательный выходной вывод выпрямителя переменного тока, который соединен со свободными выводами сопротивлениями нагрузки и с другой клеммой фильтра низких частот.

Целью изобретения в УПН по п.3 формулы изобретения (схема по фиг.2) является упрощение схемы устройства путем объединения функций выпрямления переменного тока и защиты его от перенапряжения за счет использования в качестве вентилей лучевого выпрямителя стабилитронов, включенных в плечи двух лучевых выпрямителей.

С этой целью УПН на основе КРДН, содержащее положительный и отрицательный выходные выводы для подключения сопротивления нагрузки и конденсатора фильтра низких частот, двухплечевой комбинированный делитель напряжения, одно плечо которого образует конденсатор, а другое - резистор, к выводам которого подключены аноды двух стабилитронов, включенных в цепочку последовательно-встречно друг другу и соединенных своими катодами, в качестве резистора применен потенциометр с движком, который образует отрицательный, а точки соединения катодов стабилитронов - положительный выходные выводы упомянутого выпрямителя.

Целью изобретения по п.4 формулы изобретения (схема по фиг.3) является улучшение удельных энергетических показателей УПН по п.3 формулы путем уменьшения потерь энергии в делителе напряжения и увеличения скорости передачи энергии в конденсаторный фильтр низких частот (КФНЧ). Поставленная цель достигается за счет использования (применения) в качестве другого плеча делителя напряжения линейного дросселя, обмотка которого выполнена из двух равных половин и снабжена отводом от ее середины.

На фиг.1-4 представлены схемы устройств для питания нагрузки постоянным током в системе защиты ЛЭП с ОПН. В устройстве по схеме фиг.1 сопротивление нагрузки 1 получает ЭЭ от конденсаторно-резистивного делителя напряжения, выполненного в виде цепи из соединенных последовательно конденсатора 2 и резистора-потенциометра 3, подключенной к клеммам 4 и 5. К крайним выводам резистора 3 подключены аноды вентилей 6 и 7, катоды которых образуют положительный выходной вывод 8 выпрямителя. Сопротивление нагрузки, подключенное к положительной 8 и отрицательной 9 клеммам выпрямителя, зашунтировано конденсатором 10 фильтра низких частот, сглаживающим пульсации выпрямленного тока. Конденсатор ФНЧ, включенный на выход лучевых выпрямителей (то есть параллельно выходу), является интегрирующим звеном, и при большой его емкости он представляет собой накопитель энергии, особенно в тех устройствах с ОПН, в которых сопротивление нагрузки 1 подключается к этому накопителю периодически.

Конденсаторы 11 и 12, соединенные последовательно друг с другом, образуют емкостной делитель напряжения, включенный параллельно потенциометру 3. Точка соединения этих конденсаторов друг с другом объединена с подвижным движком потенциометра и образует отрицательный выходной вывод выпрямителя. Параллельное соединение емкостного делителя напряжения 11-12 и резистивного делителя напряжения - потенциометра 3 образуют блок компаундирования - смешивания токов в отдельных ветвях - плечах этого четырехплечевого блока, в результате которого симметрируется напряжение на его выходе. Это, устраняя несимметрию напряжений на плечах емкостного делителя напряжения 11-12 (обусловленную неравенством емкостей этих конденсаторов), обеспечивает нормальную работоспособность двух лучевых выпрямителей, образуемых вентилями 6 и 7. При необходимости стабилизации напряжения параллельно резистору, как и в прототипе, может быть подключена цепь из двух стабилитронов или один двуханодный стабилитрон.

На фиг.2 представлен именно упрощенный вариант УПН с ОПН, в котором конденсаторы 11 и 12 отсутствуют, а в качестве вентилей лучевых выпрямителей применены стабилитроны 13 и 14. Они не только обеспечивают выпрямление переменного тока, но и стабилизацию напряжения на нагрузке 1. Этот вариант возможен для применения в двух случаях: 1) при редком подключении нагрузки 1 к накопителю 10, в этом случае КПД устройства не особо важен, так как накопитель успевает заряжаться даже при увеличенных потерях мощности; 2) если недопустимо вносить в цепь тока проводимости дополнительную емкость, например, в случае использования анализатора спектра тока проводимости в качестве нагрузки.

На фиг.3 представлена схема УПН по п.4 формулы изобретения. В этом устройстве последовательно с конденсатором 2 включена обмотка линейного дросселя 15, отвод от середины которой образует отрицательный выходной вывод выпрямителя 9. Стабилитроны 13 и 14, своими анодами подключенные к крайним выводам дросселя 15, катодами образуют положительный выходной вывод 8 лучевых выпрямителей. Напряжение U₁, снимаемое с клемм 4 и 5, как и в УПН по схемам фиг.1 и 2, равно напряжению, снимаемому с защитного варистора 16 (на схемах не показанному), который через ОПН 17 подключен к защищаемому оборудованию (клеммы 18 и 5).

Все три схемы УПН (по фиг.1-3) охвачены единством изобретательского замысла - выпрямления малых и сверхмалых значений тока лучевыми выпрямителями (с одновременной стабилизацией выпрямленного напряжения при использовании стабилитронов в этих выпрямителях, в том числе и по схеме фиг.1), могут быть использованы и при значительно больших токах нагрузки.

На фиг.4 представлен один из ряда возможных примеров использования предлагаемого устройства в системе защиты электрооборудования с ОПН. Согласно [5], ограничитель перенапряжения 17 соединен последовательно с защитным варистором 16, при этом входная клемма 18 ограничителя 17 подсоединена к сетевому проводу, а выходная клемма 5 защитного варистора 16 подсоединена к контуру заземления. Устройство контроля ОПН, состоящее, например, из датчика тока 19, включенного в цепь делителя напряжения, и счетчика или измерителя нагрузки 1 для рассматриваемого устройства питания, клеммами 4 и 5 подключено параллельно к защитному варистору 16. Питание током электронного счетчика (измерителя) осуществляется предлагаемым УПН. Датчик тока и устройство для питания нагрузки дополнительно защищается от перенапряжений защитными малогабаритными разрядниками или, как показано на фиг.4, защитными диодами 20 и 21.

Реализацию способа питания нагрузки согласно п.1 формулы изобретения рассмотрим при выполнении УПН по схеме фиг.1.

При рассмотрении работы УПН будем считать, что до подачи напряжения на выводы-клеммы 4 и 5 конденсатор ФНЧ (накопитель энергии) 10 разряжен. Разряжены также и конденсаторы 11 и 12. Будем также считать, что в момент подключения УПН к сети напряжение равно нулю и в последующие моменты времени возрастает по абсолютному значению, причем к клеммам 18-4 в первый (и последующие нечетные полупериоды) приложено положительное, а к клемме 5 - отрицательное напряжение.

В связи с тем, что сопротивление в цепи с конденсатором 2 имеет емкостной характер (сопротивлением конденсаторов 11, 12 можно при этом практически пренебречь в силу их малости по сравнению с сопротивлением конденсатора 2, а сопротивление резистора 3 в это время зашунтировано разряженными конденсаторами, сопротивление которых равно нулю), ток опережает напряжение практически на 90 эл. град. Этот ток, проходя по цепи 4-2-11-12-5 (будем считать ее первой цепью), разветвляется в точке соединения конденсаторов 2 и 11 и через диод 6 лучевого выпрямителя заряжает конденсатор 10 ФНЧ (накопитель энергии) по цепи: 2-6-8-10-9-12-5 (считаем эту цепь второй).

В момент достижения напряжением сети максимального амплитудного значения ток становится равным нулю, а конденсаторы 2, 11 и 12 имеют на верхних обкладках по схеме фиг.1 положительный потенциал. Конденсатор 10 при этом частично заряжается и имеет положительный заряд на правой по схеме фиг.1 обкладке. Так как ток в первой цепи в это время изменяет знак и потечет в обратном направлении по цепи: 5-12-11-2-4, а так же и по третьей цепи: 5-7-8-10-9-11-2-4, конденсатор 10 будет подзаряжаться по второй и третьей цепям, попутно подразряжаясь на сопротивлении 1 (если оно подключено ключом 22, как это показано на схеме фиг.4).

Во втором (и следующих четных) полупериодах изменения напряжения сети ток проводимости системы с ОПН, подзаряжая-разряжая конденсаторы 11-12 делителя напряжения, обеспечивает заряд накопителя-конденсатора ФНЧ 10 до напряжения, не превышающего амплитудную величину напряжений на плечах делителя напряжения.

Резистор-потенциометр 3, сопротивление которого по крайней мере на порядок превышает емкостное (на частоте источника) сопротивление конденсаторов 11 и 12 введенного емкостного делителя напряжения, как отмечено выше, обеспечивая фазовое компаундирование - смешивание напряжений/токов, снимаемых с плеч резистивного делителя напряжения (потенциометра 3) и емкостного (конденсаторы 11 и 12, практически всегда имеющие различную емкость), в результате чего конденсаторы 11 и 12, заряжаясь в одном полупериоде изменения тока источника, разряжаются в другом и одновременно служат источниками электрической энергии для двух лучевых выпрямителей, вентили-диоды 6 и 7 которых заряжают конденсатор 10 ФНЧ. Именно этот конденсатор служит источником питания для сопротивления нагрузки 1, включенного параллельно конденсатору 10 постоянно или подключаемого к этому накопителю периодически.

Конденсаторы 11 и 12, заряжаясь-разряжаясь током, изменяющимся по гармоническому закону без их перезаряда, создают на потенциометрическом делителе 3 напряжение, вдвое превышающее напряжение на каждом из этих конденсаторов. Именно этот эффект фазового компаундирования токов/напряжений в делителе 3-11-12 обеспечивает работоспособность конденсаторного делителя напряжения 11-12 при неравенстве емкостей его конденсаторов.

При емкости С токоограничивающего конденсатора 2 КРДН и емкости C_g конденсаторов 11 и 12 напряжение U_c на входе лучевых выпрямителей в √2 раз превышает напряжение U₂ на их выходе (клеммах 8 и 9), а напряжение U₁ на клеммах 4-5 УПН равно сумме напряжений U на конденсаторе 2 и напряжения на входе лучевых выпрямителей U₁=U+2U_C.

При работе УПН по схеме фиг.2 стабилитроны 13 и 14 лучевых выпрямителей, осуществляя питание нагрузки 1 и заряд конденсатора ФНЧ 10, обеспечивает также защиту их от перенапряжений. В качестве резистора 3 можно использовать два соединенных резистора равных сопротивлении, точка соединения которых образует вывод 9.

Ток в первом и последующих нечетных полупериодах изменения напряжения проходит в виде импульсов по цепям 4-2-3-5, минуя нагрузку и 4-2-13-8-1-9-3 (нижняя часть резистора)-5, а в четных полупериодах по цепи: 5-3-2-4, также минуя нагрузку и 5-14-8-1-3 (верхняя часть резистора)-2-4.

Конденсатор 10 ФНЧ заряжается током выпрямителей при прохождении тока через нагрузку 1 и обеспечивает ее питание в промежутках времени между импульсами тока выпрямителей. Импульсы тока лучевых выпрямителей в нечетных полупериодах ограничиваются сопротивлением нижней половины резистора (в четных - верхней половины), которые можно рассматривать как Г-образный RC-фильтр выпрямителя (см., например, Рогинский В.Ю. Расчет устройств электропитания. М.: Связь, 1972, §5.2. Расчет простых LC- и RC-фильтров. - 149-167 с.). По мере заряда конденсатора 10 импульсы тока уменьшаются по амплитуде и длительности и напряжение на нем достигает ¹/₂ амплитуды напряжения на резисторе 3. Если это напряжение превысит напряжение "пробоя" стабилитронов 13-14, последние, пробиваясь, предотвращают дальнейший заряд конденсатора 10, и ток в нечетном полупериоде будет проходить по цепи: 4-2-13-8-14-5, а в четном - по цепи: 5-14-8-13-2-4.

В случае выполнения УПН по схеме фиг.3 индуктивный делитель напряжения 15 в сочетании со стабилитронами 13 и 14 обеспечивает не только двухполупериодное выпрямление тока проводимости ОПН двумя лучевыми выпрямителями и защиту нагрузки от перенапряжения, но и увеличение скорости передачи энергии в нагрузку. Увеличение этой скорости осуществляется за счет того, что энергия в нагрузку передается не только электрическим, но и электромагнитным путями по цепям: 4-2-13-8-1-9-15 (верхняя полуобмотка) и 4-2-13-8-1-9-15 (нижняя полуобмотка)-5 в одном полупериоде и по цепям: 5-14-8-1-9-15(нижняя полуобмотка) и 5-14-8-1-9-15 (верхняя полуобмотка)-2-4.

Автотрансформатор с коэффициентом трансформации К_Т=2, снижая напряжение вдвое, вдвое увеличивает ток на выходе выпрямителей, т.е. удваивает величину тока заряда конденсатора 10.

Рассмотренные УПН по схемам фиг.1, 2 и 3 могут быть использованы для питания любых низковольтных нагрузок, в том числе и устройств контроля ОПН, от высоковольтных источников электрической энергии переменного тока. Реализация предложенных УПН, например, выполненного по схеме фиг.1, в приборе контроля ОПН может быть более подробно рассмотрена на примере схемы фиг.4.

Прибор контроля ОПН, включающий как основные элементы защитный варистор 16, датчик тока 19 и счетчик импульсов перенапряжений и/или измеритель тока проводимости 1, подключен к ограничителю 17 постоянно. В режиме отсутствия перенапряжений в сети ток проводимости протекает только через датчик тока прибора и УПН из-за большого сопротивления защитного варистора 16. Сигнал о величине тока подается на измеритель 1. Одновременно происходит заряд накопительного конденсатора 10 (электрические процессы при заряде конденсатора описаны выше).

Индикация величины тока или передача данных, например, по радиоканалу, когда необходим большой расход электроэнергии, происходит периодически, в так называемом импульсном режиме. Указанный режим работы накопительного конденсатора описан в литературе (см., например, Векслер Г.С. Электропитание спецаппаратуры: Учебник для вузов. 2-е изд. - Киев: Вища школа. Головное изд-во. 1979. - 368 с. в разделе " Работа на накопительную емкость", с.93-95). Измеритель подключается к конденсатору 10 с помощью встроенного ключа 22. По окончанию сеанса вновь происходит заряд конденсатора 10.

При перенапряжениях сети через датчик тока 19 протекает лишь часть тока перенапряжения, основной ток при этом протекает через защитный варистор 16. Измеритель/счетчик 1 накапливает информацию и индицирует/передает ее в указанном режиме. Дополнительная защита радиоэлементов прибора от перенапряжений обеспечивается стабилитронами или так называемыми защитными диодами 20 и 21.

Таким образом, если устройство для питания нагрузки постоянным током, содержащее конденсаторно-резистивный делитель напряжения и двухполупериодный выпрямитель переменного тока, аноды двух вентилей которого подключены к крайним выводам резистора, а катоды образуют положительный выходной вывод выпрямителя, соединенный с одним выводом сопротивления нагрузки и одной клеммой конденсатора фильтра низких частот, снабдить двумя дополнительными конденсаторами, а в качестве резистора упомянутого делителя напряжения использовать потенциометр - переменное сопротивление с подвижным ползунком, при этом дополнительные конденсаторы соединить в цепь последовательно друг другом, крайние выводы цепи подключить к анодом вентилей выпрямителей, вывод ползунка потенциометра соединить с точкой соединения этих конденсаторов, он образует отрицательный выходной вывод выпрямителя переменного тока, который надо соединить со свободными выводами сопротивления нагрузки и с другой клеммой конденсатора фильтра низких частот, то напряжения, снимаемые с потенциометрического и емкостного делителей напряжения, компаундируются, и каждая половина этого компаундированного напряжения выпрямляется лучевыми выпрямителями, потери энергии в резисторе и вентилях двухполупериодного выпрямителя уменьшаются, что обеспечивает улучшение удельных энергетических показателей устройства по п.2 формулы изобретения.

Если в УПН, содержащем положительный и отрицательный выходные выводы для подключения сопротивления нагрузки и конденсатора фильтра низких частот, двухплечевой комбинированный делитель напряжения, одно плечо которого образует конденсатор, а другое - резистор, к выводам которого подключены аноды двух стабилитронов, включенных в цепочку последовательно-встречно друг другу и соединенных своими катодами, в качестве резистора применить потенциометр с движком, который образует отрицательный, а точка соединения катодов стабилитронов - положительный выходные выводы упомянутого выпрямителя, конструкция устройства упрощается и предотвращает перенапряжение на нагрузке. А если в качестве делителя напряжения использовать линейный дроссель с отводом от его средней точки, потери энергии в УПН сокращаются и вдвое увеличивается ток заряда, что увеличивает скорость передачи тока в накопительный конденсатор ФНЧ.

Отсутствие в технической и патентной литературе сведений (рекомендаций) по выполнению описанных схем устройств в целях достижения описанного эффекта (результата) двухполупериодного выпрямления переменного тока двумя, работающими поочередно, лучевыми выпрямителями при их питании от емкостного, резистивного или индуктивного делителей напряжения, показывает новизну взаимосвязи между совокупностью существенных признаков описанных изобретений и положительным эффектом. Это обеспечивает существенное отличие данных изобретений от всех известных устройств аналогичного назначения, а новизна предложения не следует явным образом из уровня техники, что обеспечивает изобретательский уровень данных изобретений.

Предложенный способ и УПН могут быть использованы, как отмечено выше, не только для работы устройств с ОПН, но и для питания иных низковольтных (преимущественно информационных) устройств, работающих как в непрерывном, так и в импульсном режимах.

Экспериментальные исследования макета устройства для питания нагрузки подтвердили работоспособность и реальность достижения цели, сформулированной в изобретении.

Источники информации

1. Афанасьев А.И. и др. Аппараты для ограничения перенапряжений в высоковольтных сетях: Учебн. пособие. /Под ред. А.И.Афанасьева. СПб.: Изд-во СПБГТУ, 2000, 164 с., илл.

2. Афанасьев А.И., Богатенков И.М. Высоковольтные испытания электрических аппаратов. Часть 1. Испытание нелинейных ограничителей перенапряжений. Учеб. пособие. /Под ред. А.И.Афанасьева. СПб.: Изд-во СПБГТУ, 1998, 136 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. Счетчик разрядов и нелинейный материал для нелинейного резистора. Патент США №6.208.496, Кл. Н02Н 1/00, 27.03.01 г.

5. Устройство контроля ОПН в процессе эксплуатации. Компания Севзаппром. Продукция. ОПН. - http://szp.spb.ru/html/modules.pnp?name=Pages&go=Showcat&cid=30.

6. Регистратор срабатываний типа GLX. РК Таврида-Электрик. Продукция. ОПН/TEL. - http://www.tavrida.ni/products/opn/?mode=glx.

7. Система мониторинга EXCOUNT - II. ABB - Россия. Продукция. - http://www.abb.ru/product/seitp332/C1256ccb004e670dc1256a1700369fdb.aspx.

8. ОПН-Монитор - система мониторинга состояния ограничителей перенапряжений. Фирма Вибро-Центр. Электроэнергетика. - http://www.vibrocenter.ni/opn.htm.

9. Чиженко И.М. и др. Основы преобразовательной техники. Учебн. пособие для специальности "Промышленная электроника". М.: Высш. школа, 1974, 430 с., илл.

10. Здрок А.Г. и Салютин А.А. Выпрямительные устройства электропитания и управления (теория и расчет). М.: "Энергия", 1975, 328 с., илл.

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.

Изобретение может найти применение в энергетике, в частности в приборах контроля параметров высоковольтного электрооборудования, в том числе аппаратов защиты электрических сетей от перенапряжений. В способе питания нагрузки постоянным током от источника электрической энергии переменного тока с использованием делителя напряжения резистор выполняют потенциометрическим делителем напряжения и напряжение, снимаемое с него, делят надвое вновь введенным конденсаторным делителем напряжения, питание приборов осуществляется преобразованием малых токов утечки самого электрооборудования. Это исключает необходимость применения периодически заменяемых источников питания приборов контроля, например гальванических элементов, аккумуляторов и т.п. За счет введения в цепь токов утечки реактивного (емкостного или индуктивного) или активного делителей напряжения, выпрямления падений напряжений, создаваемых на этих элементах, лучевыми выпрямителями и заряда выпрямленным током накопительного конденсатора, от которого, периодически подключаясь, питаются приборы контроля, достигается технический результат, состоящий в улучшении технико-экономических удельных энергетических показателей. 3 н. и 1 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Способ питания нагрузки постоянным током от источника электрической энергии переменного тока с использованием делителя напряжения, конденсаторно-резистивного и двухполупериодного выпрямителя, вход которого шунтируют резистором этого делителя напряжения, заключающийся в ограничении величины тока в сопротивлении нагрузки емкостным сопротивлением конденсатора конденсаторно-резистивного делителя напряжения, которое снимают с резистора и сглаживают выпрямленный ток фильтром низких частот, отличающийся тем, что резистор выполняют потенциометрическим делителем напряжения и напряжение, снимаемое с него, делят надвое вновь введенным конденсаторным делителем напряжения, при этом напряжения, снимаемые с потенциометрического и емкостного делителей напряжения, компаундируют и каждую сумму половин этого напряжения выпрямляют лучевыми выпрямителями, а реактивные сопротивления конденсаторов дополнительного конденсаторного делителя напряжения на частоте источника электрической энергии переменного тока выбирают, например, на порядок меньше сопротивления потенциометра и их емкость C_g определяют по формуле C_g=U·C/U_C, где U - напряжение на токоограничивающем конденсаторе конденсаторно-резистивного делителя напряжения; С - емкость токоограничивающего конденсатора упомянутого делителя напряжения; U_C - напряжение на входе лучевых выпрямителей, а напряжение источника электрической энергии переменного тока U₁ и максимальное выходное напряжение выпрямителя определяется по формулам U₁=U+2U_C и U₂=√2U_C.

2. Устройство для питания нагрузки постоянным током, содержащее конденсаторно-резистивный делитель напряжения и двухполупериодный выпрямитель переменного напряжения, аноды двух вентилей которого подключены к крайним выводам резистора, а катоды образуют положительный выходной вывод выпрямителя, соединенный с одним выводом сопротивления нагрузки и одной клеммой конденсатора фильтра низких частот, отличающееся тем, что оно снабжено двумя дополнительными конденсаторами, а в качестве резистора упомянутого делителя напряжения использован потенциометр - переменное сопротивление с подвижным ползунком, при этом дополнительные конденсаторы соединены в цепь последовательно друг с другом, крайние выводы цепи подключены к анодам вентилей выпрямителя, вывод ползунка потенциометра соединен с точкой соединения этих конденсаторов и образует отрицательный выходной вывод выпрямителя переменного тока, который соединен со свободными выводами сопротивления нагрузки и с другой клеммой конденсатора фильтра низких частот.

3. Устройство для питания нагрузки постоянным током, содержащее положительный и отрицательный выходные выводы для подключения сопротивления нагрузки и конденсатора фильтра низких частот, двухплечевой комбинированный делитель напряжения, одно плечо которого образует конденсатор, а другое - резистор, к выводам которого подключены аноды двух стабилитронов, включенных в цепочку последовательно-встречно друг другу и соединенных своими катодами, отличающееся тем, что в качестве резистора применен потенциометр с подвижным ползунком, который образует отрицательный, а точка соединения катодов стабилитронов - положительный выходные выводы упомянутого выпрямителя.

4. Устройство для питания нагрузки постоянным током по п.3, отличающееся тем, что другое плечо делителя напряжения выполнено в виде линейного дросселя, обмотка которого снабжена отводом от ее середины.