СПОСОБ ПИТАНИЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2012 года по МПК H02M5/12 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к способам и устройствам для питания электротехнических устройств.

Принято считать, что для реактивной мощности отсутствует единое физически обоснованное определение, что может быть связанно с отсутствием для нее универсальной физической конструкции (Зиновьев Г.С. О реактивной мощности в электрической цепи. Известия АН СССР. Энергетика и транспорт, 1986, №4, с.80-86).

Известно, что определение реактивной мощности связанно с интенсивностью колебательных процессов обмена электромагнитной реактивной энергии между реактивными элементами электрической цепи (Демирчан К.С. Реактивная или обменная мощность. Известия АН СССР. Энергетика и транспорт, 1984, №2, с.66-72).

Существуют электрические устройства, в которых активная мощность пренебрежительно мала, а основной компонентной мощности является реактивная мощность. Это например, синхронные компенсаторы, которые при перевозбуждении являются источниками, а при недовозбуждении - потребителями реактивной мощности (Копылов И.П. Электрические машины. М., Логос, 2000, с.436-438).

Примером электрических цепей, в которых основной компонентой является реактивная мощность в цепи, является резонансный контур.

Источником реактивной мощности являются конденсаторы, а индуктивность и шунтовые реакторы являются потребителями реактивной мощности. В резонансном контуре происходит обмен реактивной энергии между конденсаторами и катушкой индуктивности контура. В процессе колебаний энергия электрического поля конденсатора превращается в энергию магнитного поля катушки, и затем происходит обратный процесс. При резонансном контуре ЭДС емкости и ЭЗС самоиндукции катушки индуктивности в Q раз больше напряжения внешнего генератора, приложенного к этой цепи, где - добротность контура, X_L и R - индуктивное и активное сопротивление контура. Обычно Q=10-100. Если реактивное сопротивление резонансного контура является индуктивным сопротивлением низковольтной обмотки трансформатора, увеличенное в Q раз напряжение внешнего генератора увеличивается еще в n раз на выходе трансформатора, где - коэффициент трансформации, W₁, W₂ обмоток трансформатора ЭДС самоиндукции и ЭДС взаимной индукции в индуктивных сопротивлениях трансформатора отстает от тока на четверть периода или на 90° (Калашников A.M., Степук Я.В. Основы радиотехники и радиолокации. Колебательные системы. М., 1965, с.33-35, 138).

Известны способ и устройство для передачи электрической энергии по высоковольтной линии постоянного тока. В известном способе напряжение и ток генератора электрической энергии выпрямляют и передают по кабельной или воздушной линии постоянного тока потребителю, у потребителя производят преобразование постоянного тока в переменный промышленной частоты с помощью инвертора.

Недостатком известных способа и устройства являются большие потери энергии на сопротивлении линии и большой расход проводникового материала. В кабельной линии постоянного тока между Грецией и Италией длиной 163 км при передаваемой мощности 500 МВт и напряжении 400 кВ сечение проводника из меди составляет 1250 м² при плотности тока 1 А/мм² и потерях мощности в линии 11 МВт (Power Engineering, 2002, v.10, №10, с.25, 27).

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ питания электротехнических устройств с использованием генератора переменного напряжения, подключаемого к потребителю, в котором 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, 11.04.1995).

Вместо понижающего трансформатора Тесла может быть использован диодно-конденсаторный блок, который используется в схемах удвоения напряжения и выполнен из двух встречно включенных диодов, соединенных с конденсатором, общая точка диодов соединена с источником питания (Электротехнический справочник. М., Энергия, т.1, 1971, с.871).

При подаче на диодно-конденсаторный блок переменного напряжения положительная волна переменного реактивного тока идет на одну обкладку конденсатора, а отрицательная - на другую обкладку. Конденсатор будет накапливать заряды, пока напряжение на его выводах не достигнет положительной и отрицательной амплитуды переменного напряжения на общей точке диодов, тогда диоды окажутся запертыми и заряд конденсатора прекратится. Так работает известная схема выпрямителя с удвоением напряжения.

Недостатком всех известных способов и устройств питания электротехнических устройств является недостаточно высокий КПД из-за потерь высокочастотной энергии на сопротивлении и на рассеяние в окружающей проводящей среде.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение КПД способа и устройств питания электротехнических приборов и снижение потерь при питании электротехнических устройств.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение эффективности и снижение потерь при питании электротехнических устройств.

Вышеуказанный технический результат достигается тем, что в способе питания электротехнических приборов с использованием генератора переменного напряжения путем передачи напряжения от генератора на низковольтную обмотку высокочастотного трансформатора, соединения выводов высоковольтной обмотки этого преобразователя с выходными клеммами питаемого электрического прибора и установления резонансных колебаний в электрической цепи, электрическую энергию на низковольтовую обмотку высокочастотного трансформатора передают через блок от двух высокочастотных генераторов через блок из последовательно включенных с генераторами конденсаторов с разностью частот Δ=f₁-f₂, где f₁ - частота первого генератора, f₂ - частота второго генератора, f₂ - составляет 1-100 кГц, а Δ=0,01-0,1f₁, а часть электрической энергии с высоковольтной обмотки передают через блок преобразователя напряжения обратной связи на генераторы, питающие низковольтную обмотку.

В устройстве для питания электротехнических приборов, содержащем источник переменного напряжения с регулируемой частотой, высокочастотный трансформатор, устройство содержит два высокочастотных генератора, выводы которых через конденсаторы соединены последовательно с низковольтной обмоткой высокочастотного трансформатора и имеет дополнительный пятый конденсатор, который параллельно соединен с низковольтной обмоткой, высоковольтная обмотка высокочастотного трансформатора соединена с электротехническим прибором и через преобразователь напряжения соединена со входами двух высокочастотных генераторов.

Способ и устройство для питания электротехнических приборов иллюстрируется фиг.1, на которой представлена электрическая схема способа и устройства питания электротехнических приборов.

На фиг.1 два высокочастотных генератора 1 и 2 получают электрическую энергию от источника внешнего питания 3 через переключатель 4. Генератор 1 через конденсаторы 5 и 6 и генератор 2 через конденсаторы 7 и 8 последовательно соединены с низковольтной обмоткой 9 повышающего высокочастотного трансформатора 10. Выводы низковольтной обмотки 9 соединены через конденсатор 11. Выводы высоковольтной обмотки 12 трансформатора 10 соединены с питаемым электротехническим электротехническим прибором 13 и через блок преобразователя напряжения обратной связи 14 и переключатель 15 соединены с источником внешнего питания 3.

Способ и устройство работают следующим образом. При подаче напряжения от внешнего источника 3 через переключатель 4 на высоковольтные генераторы 1 и 2 напряжение от генераторов 1 и 2 через конденсаторы 5, 6, 7, 8 подается на низковольтную обмотку 9 высокочастотного трансформатора 10. В последовательном контуре из конденсаторов 1, 2, 3, 4 и индуктивности 9 возникает резонанс напряжений и колебания реактивной мощности с частотой биений Δ=f₁-f₂, равной разности частот генераторов 1 и 2. В низковольтной обмотке 9 и в высоковольтной обмотке 12 ток опережает напряжение на 90°. Напряжение с высоковольтной обмотки 12 поступает на электротехнический прибор 13 и через блок преобразователя напряжения обратной связи 14 и переключатель 15 на выход высоковольтных генераторов 1 и 2. Наличие блока обратной связи 1 увеличивает эффективность работы устройства и повышает надежность его функционирования.

Пример осуществления способа и устройства питания электротехнического прибора.

В качестве источника внешнего питания 3 используют аккумуляторную батарею 12 В, 65 А·ч. Высоковольтные генераторы 1 и 2 выполнены в виде транзисторных преобразователей частоты мощностью по 150 Вт каждый с частотой f₁=50кГц и f₂=55 кГц с разностью частот Δ=f₁-f₂=5 кГц=0,1·f₁.

Напряжение на выводах высоковольтной обмотки 12 составляет 220 В, электрическая мощность 300 Вт. В качестве электротехнического прибора 13 использованы 5 ламп мощностью 30 Вт, соединенные параллельно. Блок преобразователя обратной связи 14 преобразует напряжение 220 В напряжение 12 В постоянного тока и подает его через переключатель 15 в виде энергии обратной связи на подзарядку аккумуляторной батареи 3 и на питание преобразователей частоты 1 и 2.

Источники информации

1. Зиновьев Г.С. О реактивной мощности в электрической цепи. Известия АН СССР. Энергетика и транспорт, 1986, №4, с.80-86.

2. Демирчан К.С. Реактивная или обменная мощность. Известия АН СССР. Энергетика и транспорт, 1984, №2, с.66-72.

3. Копылов И.П. Электрические машины. М., Логос, 2000, с.436-438.

4. Калашников A.M., Степук Я.В. Основы радиотехники и радиолокации. Колебательные системы. М., 1965, с.33-35, 138.

5. Power Engineering, 2002, v.10, №10, с.25, 27.

6. Патент РФ №2108649, 11.04.1995.

7. Электротехнический справочник. М., Энергия, т.1, 1971, с.871.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к способам и устройствам для питания электротехнических устройств. Задачей предлагаемого изобретения является повышение КПД способа и устройств питания электротехнических приборов и снижение потерь при питании электротехнических устройств. Технический результат достигается тем, что в способе питания электротехнических приборов с использованием генератора переменного напряжения путем передачи напряжения от генератора на низковольтную обмотку высокочастотного трансформатора электрическую энергию на низковольтную обмотку высокочастотного трансформатора передают через блок от двух высокочастотных генераторов через блок из последовательно включенных с генераторами конденсаторов с разностью частот Δ=f_1-2, где f₁ - частота первого генератора, f₂ - частота второго генератора, f₁ - составляет 1-100 кГц, a Δ=0,01-0,1f₁, а часть электрической энергии с высоковольтной обмотки передают через блок преобразователя напряжения обратной связи на генераторы, питающие низковольтную обмотку. В устройстве для питания электротехнических приборов, содержащем источник переменного напряжения с регулируемой частотой, высокочастотный трансформатор, устройство содержит два высокочастотных генератора, выводы которых через конденсаторы соединены последовательно с низковольтной обмоткой высокочастотного трансформатора, и имеет дополнительный пятый конденсатор, который параллельно соединен с низковольтной обмоткой, высоковольтная обмотка высокочастотного трансформатора соединена с электротехническим прибором и через преобразователь напряжения соединена с входами двух высокочастотных генераторов. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ питания электротехнических приборов с использованием генератора переменного напряжения путем передачи напряжения от генератора на низковольтную обмотку высокочастотного трансформатора, соединения выводов высоковольтной обмотки этого преобразователя с выходными клеммами питаемого электротехнического устройства и установления резонансных колебаний в электрической цепи, отличающийся тем, что электрическую энергию на низковольтную обмотку высокочастотного трансформатора передают от двух высоковольтных генераторов через блок из последовательно включенных с генераторами конденсаторов с разностью частот Δ=f₁-f₂, где f₁ - частота первого генератора, f₂ - частота второго генератора, f₁ - составляет 1-100 кГц, a Δ=0,01-0,1f₁, а часть электрической энергии с высоковольтной обмотки передают через блок преобразователя напряжения обратной связи на генераторы, питающие низковольтную обмотку.

2. Устройство для питания электротехнических приборов, содержащее источник переменного напряжения с регулируемой частотой, высокочастотный трансформатор, отличающееся тем, что устройство содержит два высокочастотных генератора, выводы которых через конденсаторы соединены последовательно с низковольтной обмоткой высокочастотного трансформатора, и имеет дополнительный пятый конденсатор, который параллельно соединен с низковольтной обмоткой, а высоковольтная обмотка соединена с электротехническим прибором и через преобразователь соединена с входами двух высокочастотных генераторов.