СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ПЕРЕДАЧИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2011 года по МПК H02J17/00 

Изобретение относится к способу и устройству для передачи электрической энергии. Известно устройство для передачи электрической энергии, содержащее генератор переменного тока 50 Гц, трансформаторную подстанцию в начале и конце высоковольтной кабельной линии.

Задачей данного изобретения является повышение КПД передачи, увеличение расстояний передачи электрической энергии от источника энергии до потребителя и уменьшение цветных металлов в линиях электропередачи.

Указанный результат достигается путем преобразования электрической энергии от источника энергии в высокое напряжение повышенной частоты и передачи электрической энергии по одному проводу до потребителя, у которого установлен понижающий преобразователь.

Известен способ и устройство передачи электрической энергии (патент РФ №2340064, Бюл.33), в котором напряжение генератора повышают в высоковольтном трансформаторе до 1-1000 кВ и подают на управляемый быстродействующий коммутатор тока и на последовательный резонансный контур из емкости и индуктивности, образующей первичную обмотку высокочастотного высоковольтного трансформатора. Заряжают емкость резонансного контура до напряжения 1-1000 кВ, разряжают ее в резонансном режиме на частоте 0,4-1000 кГц. Через индуктивность и быстродействующий прерыватель тока за время 10-1000 мкс при токе 1-500 кА накапливают энергию генератора в магнитном поле высокочастотного трансформатора. Разрывают цепь коммутатора тока первичной обмотки и преобразуют накопленную энергию магнитного поля в электрическую энергию во вторичной обмотке высокочастотного трансформатора. Повышают напряжение до 10-100000 кВ и передают его в резонансном режиме потребителю. Устройство содержит повышающий трансформатор с выходным напряжением 1-1000 кВ, вход которого соединен с генератором и имеет с ним одинаковую частоту, а выход соединен параллельно к управляемому быстродействующему коммутатору тока с током коммутации 1-500 кА при длительности импульса тока 10-1000 мкс. Коммутатор тока соединен параллельно с последовательным резонансным контуром повышающего высокочастотного трансформатора с резонансной частотой 0,4-1000 кГц и напряжением в однопроводниковой линии 10-100000 кВ.

Известен способ и устройство передачи электрической энергии (патент №2273939, Бюл. 10), в котором передачу электрической энергии осуществляют под землей или под водой в резонансном режиме при резонансной частоте 50 Гц - 50 кГц и напряжении 1-1000 кВ, плотности тока 1-500 А/мм² по однопроводниковому электроизолированному кабелю, в частности, многожильному длиной 1-20000 км сечением 0,01-1000 см², у которого диаметр кабеля в 5-100 раз превышает диаметр проводника. В другом варианте передачу электрической энергии осуществляют под землей или под водой в резонансном режиме по осесимметричному однопроводниковому волноводу внутри герметичного пустотелого диэлектрического цилиндрического канала в атмосфере изолирующего газа, в частности элегаза, при давлении 1-10 кг/см².

В еще одном варианте способа электрическую энергию передают по одиночному электростатически экранированному и электроизолированному волноводу поверхностной волны внутри пустотелого цилиндрического экрана и герметичного диэлектрического канала в атмосфере изолированного газа. Высоковольтная линия может быть выполнена под землей или под водой в виде однопроводникового волновода длиной 1-20000 км, сечением 0,01-1000 см, установленного осесимметрично внутри трубопровода диаметром 0,02-10 м из диэлектрического материала. Для повышения передаваемого напряжения и мощности волновод выполнен из электроизолированного кабеля с толщиной изоляции 3-300 мм, а пространство между волноводом и трубопроводом заполнено электроизолирующим газом под давлением, например элегазом. Высоковольтная линия выполнена в виде однопроводникового волновода длиной 1-20000 км, сечением 0,01-1000 см², установленного осесимметрично внутри трубопровода диаметром 0,02-10 м из диэлектрического материала, и содержит электрический экран, выполненный в виде множества электроизолированных друг от друга незамкнутых проводящих цилиндрических оболочек, общая длина которых равна длине волновода, а длина каждой проводящей оболочки составляет 1-1000 м.

Известен способ передачи электрической энергии по однопроводной линии (патент №97117756) путем получения токов высокой частоты с помощью высокочастотного генератора, имеющего активный усилительный элемент, и подачи указанных токов на первичную обмотку повышающего трансформатора, вторичная обмотка которого разомкнута и к которому присоединена однопроводная линия передачи и нагрузка, отличающийся тем, что используют повышающий трансформатор, первичная обмотка которого выполнена трехполюсной, ее выводы соединены с активным усилительным элементом высокочастотного генератора с образованием автогенератора, работающего по трехточечной схеме с автоматическим установлением и поддержанием резонансных электрических колебаний в системе, содержащей автогенератор, повышающий трансформатор, однопроводную линию передачи и нагрузку, при этом однопроводная линия передачи присоединена к одному из выводов вторичной обмотки повышающего трансформатора или повышающий трансформатор дополнительно содержит однополюсный изолированный элемент, расположенный внутри или снаружи повышающего трансформатора и служащий для сбора энергии, излучаемой повышающим трансформатором, а однопроводная линия передачи присоединена к указанному элементу.

Недостатками этих способов является то, что нагрузка (потребитель) входят в состав резонансного контура и изменение нагрузки влияет на параметры контура. В связи с этим меняется напряжение на линии электропередачи и соответственно в нагрузке у потребителя. К тому же в этих способах передачи электрической энергии при работе на холостом ходу в контурах генерируются напряжения, превышающие в несколько раз значения при работе под нагрузкой, в связи с этим в передающих устройствах протекают значительные реактивные токи, на которые расходуется электрическая энергия генератора.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение стабильности передающегося напряжения независимо от нагрузки и повышение КПД передачи.

Указанный результат достигается тем, что в предлагаемом способе передачи электрической энергии путем передачи резонансных колебаний повышенной частоты в цепи, состоящей из резонансного контура и резонансного трансформатора и однопроводной линии электропередачи между ними, напряжение источника питания преобразуют по частоте с обратной связью, снимаемой с контура, для поддержания значения выходного напряжения в линии электропередачи на постоянном уровне, соответствующем максимальной нагрузке, и обратной связью по частоте для синхронизации задающего генератора с резонансной частотой выходного трансформатора и линии электропередачи.

В другом варианте способа передачи электрической энергии путем передачи резонансных колебаний повышенной частоты в цепи, состоящей из двух резонансных трансформаторов и однопроводной линии электропередачи между ними, напряжение источника питания преобразуют по частоте с обратной связью с выходного трансформатора для поддержания значения выходного напряжения в линии электропередачи на постоянном уровне, соответствующем максимальной нагрузке, и обратной связью по частоте для синхронизации задающего генератора с резонансной частотой выходного трансформатора и линии электропередачи.

В другом варианте способа передачи электрической энергии путем передачи резонансных колебаний повышенной частоты в цепи, состоящей из двух резонансных трансформаторов и однопроводной линии электропередачи между ними, напряжение источника питания преобразуют по частоте с тремя обратными связями, первую по напряжению для поддержания значения напряжения в линии электропередачи на постоянном уровне, соответствующем максимальной нагрузке, вторую обратную связь по частоте для синхронизации задающего генератора с резонансной частотой выходного трансформатора и линии электропередачи и третью обратную связь для стабилизации напряжения в нагрузке.

В другом варианте способа передачи электрической энергии путем передачи резонансных колебаний повышенной частоты в цепи, состоящей из резонансного контура и резонансного трансформатора и однопроводной линии электропередачи между ними, напряжение источника питания преобразуют по частоте с тремя обратными связями, первую по напряжению для поддержания значения напряжения в линии электропередачи на постоянном уровне, соответствующем максимальной нагрузке, вторую обратную связь по частоте для синхронизации задающего генератора с резонансной частотой выходного трансформатора и линии электропередачи и третью обратную связь для стабилизации напряжения в нагрузке.

Технический результат достигается также тем, что в устройстве передачи электрической энергии, содержащем преобразователь частоты, повышающий резонансный контур, однопроводную линию электропередачи и понижающий трансформатор, в преобразователе частоты выполнены одна обратная связь по напряжению для поддержания значения выходного напряжения в линии электропередачи на постоянном уровне, соответствующем максимальной нагрузке, другая обратная связь по частоте для синхронизации задающего генератора с резонансной частотой выходного контура и линии электропередачи, при этом преобразователь соединен с последовательным резонансным контуром, средняя точка которого соединена с линией электропередачи, к которой на другом конце подсоединен понижающий трансформатор с нагрузкой.

В другом варианте в устройстве передачи электрической энергии, содержащем преобразователь частоты, повышающий резонансный трансформатор, однопроводную линию электропередачи и понижающий трансформатор, в преобразователе частоты выполнены одна обратная связь по напряжению для поддержания значения выходного напряжения в линии электропередачи на постоянном уровне, соответствующем максимальной нагрузке, вторая обратная связь по частоте для синхронизации задающего генератора с резонансной частотой выходного трансформатора и линии электропередачи, при этом преобразователь частоты соединен с резонансным трансформатором, к высоковольтному выходу которого подсоединена линия электропередачи, к которой на другом конце подсоединен понижающий трансформатор с нагрузкой.

В другом варианте устройства передачи электрической энергии, содержащем преобразователь частоты, повышающий резонансный трансформатор, однопроводную линию электропередачи и понижающий трансформатор, в преобразователе частоты выполнены одна обратная связь по напряжению для поддержания значения напряжения в линии электропередачи на постоянном уровне, соответствующем максимальной нагрузке, вторая обратная связь по частоте для синхронизации задающего генератора с резонансной частотой выходного трансформатора и линии электропередачи и третья обратная связь для стабилизации напряжения в нагрузке, при этом преобразователь частоты соединен с резонансным трансформатором, к высоковольтному выходу которого подсоединена линия электропередачи, к которой на другом конце подсоединен понижающий трансформатор с нагрузкой.

В другом варианте устройства передачи электрической энергии, содержащем преобразователь частоты, повышающий резонансный контур, однопроводную линию электропередачи и понижающий трансформатор, в преобразователе частоты выполнены одна обратная связь по напряжению для поддержания значения напряжения в линии электропередачи на постоянном уровне, соответствующем максимальной нагрузке, вторая обратная связь по частоте для синхронизации задающего генератора с резонансной частотой выходного контура и линии электропередачи и третья обратная связь для стабилизации напряжения в нагрузке, при этом преобразователь соединен с последовательным резонансным контуром, средняя точка которого соединена с линией электропередачи, к которой на другом конце подсоединен понижающий трансформатор с нагрузкой.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется фиг.1, 2, 3 и 4.

На фиг.1 представлена система передачи электрической энергии по однопроводной линии использованием резонансного контура и резонансного трансформатора. В этой системе преобразователь частоты имеет обратную связь по выходному напряжению и резонансной частоте.

На фиг.2 представлена система передачи электрической энергии по однопроводной линии использованием резонансных трансформаторов. В этой системе преобразователь частоты имеет обратную связь по выходному напряжению и резонансной частоте.

На фиг.3 представлена система передачи электрической энергии по однопроводной линии использованием резонансных трансформаторов. В этой системе преобразователь частоты имеет обратную связь по выходному напряжению и резонансной частоте и обратную связь по напряжению в нагрузке.

На фиг.4 представлена система передачи электрической энергии по однопроводной линии использованием резонансного контура и резонансного трансформатора. В этой системе преобразователь частоты имеет обратную связь по выходному напряжению и резонансной частоте и обратную связь по напряжению в нагрузке.

Устройство фиг.1 содержит блок управления 1, силовой каскад 2, блок обратной связи для стабилизации напряжения и частоты 3, резонансную катушку 4, конденсатор 5, линию обратной связи 6, линию электропередачи 7, входную обмотку приемного трансформатора 8, выходную обмотку приемного трансформатора 9, выпрямитель или инвертор 10, изолированную емкость или заземление 11.

Устройство фиг.2 содержит блок управления 1, силовой каскад 2, блок обратной связи для стабилизации напряжения и частоты 3, линию обратной связи 6, линию электропередачи 7, входную обмотку приемного трансформатора 8, выходную обмотку приемного трансформатора 9, выпрямитель или инвертор 10, изолированную емкость или заземление 11, конденсатор 12, первичную обмотку резонансного трансформатора 13, вторичную обмотку резонансного трансформатора 14.

Устройство фиг.3 содержит блок управления 1, силовой каскад 2, блок обратной связи для стабилизации напряжения и частоты 3, линию обратной связи 6, линию электропередачи 7, входную обмотку приемного трансформатора 8, выходную обмотку приемного трансформатора 9, выпрямитель или инвертор 10, изолированную емкость или заземление 11, конденсатор 12, первичную обмотку резонансного трансформатора 13, вторичную обмотку резонансного трансформатора 14, блок стабилизации в нагрузке 15, линию обратной связи 14.

Устройство фиг.4 содержит блок управления 1, силовой каскад 2, блок обратной связи для стабилизации напряжения и частоты 3, резонансную катушку 4, конденсатор 5, линию обратной связи 6, линию электропередачи 7, входную обмотку приемного трансформатора 8, выходную обмотку приемного трансформатора 9, выпрямитель или инвертор 10, изолированную емкость или заземление 11, блок стабилизации в нагрузке 15, линию обратной связи 14.

Устройство передачи электрической энергии работает следующим образом.

Электрическая энергия от электрической сети, солнечной батареи, аккумуляторной батареи и т.п. подается на преобразователь частоты, затем через конденсатор 12 на низковольтную обмотку 13 повышающего высокочастотного резонансного трансформатора (фиг.2, 3) или на последовательный резонансный контур, состоящий из конденсатора 5 и высоковольтного дросселя 4 (фиг.1, 4). Высоковольтная обмотка 14 высокочастотного резонансного трансформатора своим высоковольтным выводом соединена однопроводной линией 7. Низкопотенциальный вывод высоковольтной обмотки 14 трансформатора заземлен через конденсатор или без него. Резонансная частота высокочастотного резонансного трансформатора или контура составляет 1…100 кГц. Напряжение однопроводной линии 7 составляет 0,5…100 кВ.

К однопроводной линии электропередачи подключена одна или несколько нагрузок через обратные преобразователи, состоящие из трансформатора, у которого входная обмотка 8 соединена одним выводом с линией электропередачи, другим выводом - с изолированным проводящим телом 11 или с заземлением. Выходная обмотка 9 трансформатора соединена с выпрямителем 10 или с инвертором, со стандартным выходным напряжением. Преобразователь частоты состоит из блока управления 1, силового блока 2 и блоков обратной связи 3, 15. Блок обратной связи 3 подключен к средней точке резонансного контура (фиг.2, 4), или к средней точке резонансного контура выходного трансформатора (фиг.1, 3), или к линии электропередачи и синхронизирует рабочую частоту преобразователя частоты с резонансной частотой контура и линии электропередачи и стабилизирует выходное напряжение. Блок обратной связи 15 подключен к нагрузке и дополнительно стабилизирует выходное напряжение в нагрузке.

Изобретение относится к электротехнике, к передаче электрической энергии. Технический результат состоит в повышение кпд, увеличении расстояний передачи электрической энергии от источника энергии до потребителя, уменьшении расхода цветных металлов и повышении стабильности передающегося напряжение независимо от нагрузки. Передача электрической энергии осуществляется путем передачи резонансных колебаний повышенной частоты в цепи, состоящей из преобразователя частоты, повышающего резонансного трансформатора, однопроводной линии электропередачи и понижающего высокочастотного трансформатора. Преобразователь частоты имеет обратную связь по напряжению для поддержания значения выходного напряжения в линии электропередачи на постоянном уровне, соответствующем максимальной нагрузке, и обратную связь по частоте для синхронизации задающего генератора с резонансной частотой выходного трансформатора и линии электропередачи. Приведены другие варианты передачи электрической энергии со второй обратной связью по частоте для синхронизации задающего генератора с резонансной частотой выходного резонансного контура и линии электропередачи, а также с третьей обратной связью для стабилизации напряжения в нагрузке. 8 н.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ передачи электрической энергии путем передачи резонансных колебаний повышенной частоты в цепи, состоящей из резонансного контура и резонансного трансформатора и однопроводной линии электропередачи между ними, отличающийся тем, что напряжение источника питания преобразуют по частоте с обратной связью, снимаемой с контура, для поддержания значения выходного напряжения в линии электропередачи на постоянном уровне, соответствующем максимальной нагрузке, и обратной связью по частоте для синхронизации задающего генератора с резонансной частотой выходного трансформатора и линии электропередачи.

2. Способ передачи электрической энергии путем передачи резонансных колебаний повышенной частоты в цепи, состоящей из двух резонансных трансформаторов и однопроводной линии электропередачи между ними, отличающийся тем, что напряжение источника питания преобразуют по частоте с обратной связью с выходного трансформатора для поддержания значения выходного напряжения в линии электропередачи на постоянном уровне, соответствующем максимальной нагрузке, и обратной связью по частоте для синхронизации задающего генератора с резонансной частотой выходного трансформатора и линии электропередачи.

3. Способ передачи электрической энергии путем передачи резонансных колебаний повышенной частоты в цепи, состоящей из двух резонансных трансформаторов и однопроводной линии электропередачи между ними, отличающийся тем, что напряжение источника питания преобразуют по частоте с тремя обратными связями, первую по напряжению для поддержания значения напряжения в линии электропередачи на постоянном уровне, соответствующем максимальной нагрузке, вторую обратную связь по частоте для синхронизации задающего генератора с резонансной частотой выходного трансформатора и линии электропередачи и третью обратную связь для стабилизации напряжения в нагрузке.

4. Способ передачи электрической энергии путем передачи резонансных колебаний повышенной частоты в цепи, состоящей из резонансного контура и резонансного трансформатора и однопроводной линии электропередачи между ними, отличающийся тем, что напряжение источника питания преобразуют по частоте с тремя обратными связями, первую по напряжению для поддержания значения напряжения в линии электропередачи на постоянном уровне, соответствующем максимальной нагрузке, вторую обратную связь по частоте для синхронизации задающего генератора с резонансной частотой выходного трансформатора и линии электропередачи и третью обратную связь для стабилизации напряжения в нагрузке.

5. Устройство передачи электрической энергии, содержащее преобразователь частоты, повышающий резонансный контур, однопроводную линию электропередачи и понижающий трансформатор, отличающееся тем, что в преобразователе частоты выполнены одна обратная связь по напряжению для поддержания значения выходного напряжения в линии электропередачи на постоянном уровне, соответствующем максимальной нагрузке, другая обратная связь по частоте для синхронизации задающего генератора с резонансной частотой выходного контура и линии электропередачи, при этом преобразователь соединен с последовательным резонансным контуром, средняя точка которого соединена с линией электропередачи, к которой на другом конце подсоединен понижающий трансформатор с нагрузкой.

6. Устройство передачи электрической энергии, содержащее преобразователь частоты, повышающий резонансный трансформатор, однопроводную линию электропередачи и понижающий трансформатор, отличающееся тем, что в преобразователе частоты выполнены одна обратная связь по напряжению для поддержания значения выходного напряжения в линии электропередачи на постоянном уровне, соответствующем максимальной нагрузке, вторая обратная связь по частоте для синхронизации задающего генератора с резонансной частотой выходного трансформатора и линии электропередачи, при этом преобразователь частоты соединен с резонансным трансформатором, к высоковольтному выходу которого подсоединена линия электропередачи, к которой на другом конце подсоединен понижающий трансформатор с нагрузкой.

7. Устройство передачи электрической энергии, содержащее преобразователь частоты, повышающий резонансный трансформатор, однопроводную линию электропередачи и понижающий трансформатор, отличающееся тем, что в преобразователе частоты выполнены одна обратная связь по напряжению для поддержания значения напряжения в линии электропередачи на постоянном уровне, соответствующем максимальной нагрузке, вторая обратная связь по частоте для синхронизации задающего генератора с резонансной частотой выходного трансформатора и линии электропередачи и третья обратная связь для стабилизации напряжения в нагрузке, при этом преобразователь частоты соединен с резонансным трансформатором, к высоковольтному выходу которого подсоединена линия электропередачи, к которой на другом конце подсоединен понижающий трансформатор с нагрузкой.

8. Устройство передачи электрической энергии, содержащее преобразователь частоты, повышающий резонансный контур, однопроводную линию электропередачи и понижающий трансформатор, отличающееся тем, что в преобразователе частоты выполнены одна обратная связь по напряжению для поддержания значения напряжения в линии электропередачи на постоянном уровне, соответствующем максимальной нагрузке, вторая обратная связь по частоте для синхронизации задающего генератора с резонансной частотой выходного контура и линии электропередачи и третья обратная связь для стабилизации напряжения в нагрузке, при этом преобразователь соединен с последовательным резонансным контуром, средняя точка которого соединена с линией электропередачи, к которой на другом конце подсоединен понижающий трансформатор с нагрузкой.