СИСТЕМА ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ Российский патент 2013 года по МПК B60M3/00 H02J3/38 B60L9/14 G05F1/70 

Изобретение относится к системе энергоснабжения.

Компоненты, в частности разнообразные потребители, расположены вдоль трасс линейной формы. Примерами подобных трасс являются проезжая дорога, скоростной участок пути, трубопровод, улица, железнодорожная ветка или телекоммуникационная линия.

Подобные компоненты часто требуют электрических компонентов, например, для усиления сигналов, для контроля состояний установок или для децентрализованного управления установкой.

При этом компоненты часто располагаются с подобными пространственными интервалами друг от друга, например, через каждые 5 км.

Компоненты демонстрируют, например, относительно умеренное энергопотребление (примерно менее 1 кВт), так как часто энергией снабжаются электронные схемы и меньше приводы.

Также часто вдоль трассы не имеется никакой иной инфраструктуры для энергоснабжения, с помощью которой могло бы осуществляться энергоснабжение компонентов.

Ввиду длины трассы, например, от 10 км до 100 км, электрическое питание посредством сетевого напряжения 230 В является неблагоприятным, так как падение напряжения на питающих линиях было бы слишком высоким, или необходимое сечение кабеля привело бы к несопоставимо высоким затратам на кабели.

По этой причине питание осуществляется, как правило, посредством среднего напряжения.

Фиг.1 показывает устройство для энергоснабжения трассы 101, вдоль которой расположено множество компонентов 102-107. В примере по фиг.1, соответственно, каждые два компонента питаются сетевым напряжением 230 В, которое предоставляется от распределительной станции 108, 109 и 110. Среднее напряжение высотой 15 кВ питает распределительные станции 108-110.

Каждый компонент включает в себя, в основном, приборы, которые в качестве нагрузки подключены к сетевому напряжению 230 В.

Эта структура имеет, в частности, следующие недостатки:

а. Распределительные станции 108-110 являются дорогостоящими. Они должны сооружаться и эксплуатироваться (например, контролироваться) и содержат, наряду с трансформатором, также соответствующая необходимая техника среднего напряжения.

b. Дополнительно к кабелям среднего напряжения, параллельно трассе еще требуются линии межсистемной связи с компонентами (сетевые линии на 230 В). Именно при длинных трассах отсюда возникают значительные затраты на кабели.

с. Для эксплуатации техники среднего напряжения необходим специально обученный персонал. Кроме того, из-за сравнительно высокого напряжения требуется много строительного пространства.

d. Отдельные потребители в компонентах неэффективно нагружают имеющиеся кабели.

Задача изобретения состоит в том, чтобы устранить вышеназванные недостатки и, в частности, предоставить решение, благоприятное с точки зрения установки, для энергоснабжения компонентов.

Эта задача решается признаками независимых пунктов формулы изобретения. Дальнейшие варианты осуществления изобретения следуют из зависимых пунктов формулы изобретения.

Для решения задачи предлагается система энергоснабжения вдоль трассы, содержащая

- по меньшей мере, одну распределительную станцию, на входе которой приложено первое напряжение, и которая на своем выходе обеспечивает второе напряжение, причем второе напряжение ниже или выше, чем первое напряжение;

- множество компонентов, которые размещены вдоль трассы, причем компонент питается вторым напряжением и содержит сетевой блок питания, посредством которого второе напряжение может быть преобразовано в третье напряжение.

При этом является предпочтительным, что только второе напряжение, которое является более низким, чем первое напряжение, служит для питания компонентов. Высокое первое напряжение преобразуется только в, по меньшей мере, одной распределительной станции.

В варианте осуществления первое напряжение является средним напряжением. В частности, первое напряжение может быть напряжением в диапазоне от 5 кВ до 20 кВ.

В другом варианте осуществления второе напряжение является низким напряжением. В частности, второе напряжение может быть напряжением менее (равным) 1000 В.

В еще одном варианте осуществления второе напряжение является переменным напряжением. В качестве альтернативы, второе напряжение также может быть постоянным напряжением. Кроме того, возможно, что второе напряжение выполнено как система трехфазного тока.

Одно выполнение состоит в том, что с помощью сетевого блока питания второе напряжение преобразуется в регулируемое третье напряжение, причем третье напряжение является переменным напряжением или постоянным напряжением. При этом, в частности, третье напряжение может представлять собой напряжение величиной 12 В, 24 В, 48 В, 110 В, 230 В.

Также в одном варианте выполнения компонент содержит потребителя или выводы для потребителя, причем потребитель размещен вдоль трассы. При этом потребитель может включать в себя блок регулирования для трассы.

Следующий вариант осуществления предусматривает, что компонент включает в себя следующие блоки:

- входной трансформатор;

- блок коррекции коэффициента мощности, который связан с входным трансформатором;

- регулятор напряжения, который связан с блоком коррекции коэффициента мощности;

- инвертор (преобразователь постоянного тока в переменный), который связан с регулятором напряжения, причем инвертор вырабатывает третье напряжение.

В качестве альтернативы, компонент может включать в себя следующие блоки:

- входной трансформатор;

- регулятор напряжения, который связан с входным трансформатором;

- инвертор, который связан с регулятором напряжения, причем инвертор вырабатывает третье напряжение.

Кроме того, компонент может включать в себя конденсатор промежуточной цепи, который размещен перед инвертором.

Также компонент может включать в себя преобразователь-регулятор постоянного напряжения, если второе напряжение является постоянным напряжением.

Также в варианте осуществления трасса (линейной формы) включает в себя:

- проезжую дорогу;

- скоростной участок пути;

- трубопровод;

- улицу;

- железнодорожную ветку;

- телекоммуникационную линию.

Примеры выполнения изобретения далее представляются на чертеже и поясняются.

На фиг.2 показана система энергоснабжения вдоль трассы, в частности, для множества компонентов, которые размещены вдоль трассы, а также возможная структура одного компонента.

Фиг.2 показывает систему энергоснабжения вдоль трассы 201, в частности, для множества компонентов 202-206 и 210, которые размещены вдоль трассы 201.

Энергоснабжение осуществляется в начале трассы 201 посредством среднего напряжения 207 величиной, например, 15 кВ.

В качестве альтернативы, также возможно питание на конце или в середине или питание с избыточностью в нескольких местах трассы 201.

Среднее напряжение 207 преобразуется с помощью распределительной станции 209 в низкое напряжение 208.

Питание компонентов 202-206 и 210 осуществляется посредством низкого напряжения 208, которое предпочтительно ниже, чем 1000 В. Предпочтительным образом напряжение устанавливается несколько ниже 1000 В, чтобы, в частности, обеспечить возможность использования меньшего поперечного сечения кабеля. Низкое напряжение 208 предпочтительно выполнено как система трехфазного переменного тока.

Преимущество этого выполнения состоит в том, что распределительная станция 209 и, тем самым, инфраструктура среднего напряжения требуется только однократно (на распределительную станцию).

Для примера показана структура компонента 210. В компоненте 210 дополнительно к нагрузке 211 предусмотрен сетевой блок 212 питания. В качестве альтернативы этому, нагрузка также может располагаться вне компонента.

Входной трансформатор 213 снижает напряжение для последующих компонентов и создает гальваническое разделение. Ввиду расположения непосредственно на входе компонента, предпочтительно могут быть предусмотрены дополнительные меры грозозащиты. На выходе входного трансформатора приложено напряжение, которое, в частности, и при максимальном входном напряжении (например, при 1000 В), меньше, чем напряжение промежуточного контура.

Входной трансформатор 213 связан с блоком 214 коррекции коэффициента мощности, который обеспечивает синусоидальное изменение тока в кабеле и, тем самым, эффективное использование кабеля. В частности, блок 214 коррекции коэффициента мощности является факультативным и иногда, например, при малых нагрузках, он может отсутствовать.

В частности, из-за длины кабеля 208 для питания компонентов 202-206 и 210, на кабеле, при минимальном поперечном сечении кабеля в рамках эффективного по затратам выполнения, могут проявляться значительные падения напряжения, т.е. входное напряжение компонента может снизиться до 50% выходного напряжения распределительной станции 209 (таким образом, до менее чем 500 В). Подобные падения напряжения, а также иные колебания входного напряжения компенсируются сетевым блоком 212 питания.

Регулятор 215 напряжения подключен на выходе блока 214 коррекции коэффициента мощности и вырабатывает постоянное напряжение промежуточной цепи на конденсаторе 216 промежуточной цепи (при необходимости также может использоваться альтернативный накопитель энергии, например промежуточная цепь тока).

В частности, регулятор 215 напряжения измеряет напряжение промежуточной цепи и управляет блоком 214 коррекции и коэффициента мощности так, чтобы в промежуточной цепи возникало (приблизительно) постоянное напряжение.

Блок 214 коррекции коэффициента мощности и регулятор 215 напряжения могут также быть реализованы в собственном (отдельном) схемном блоке. Они обеспечивают то, что независимо от входного напряжения в распоряжение предоставляется постоянное напряжение промежуточной цепи. При изменяющемся напряжении промежуточной цепи такие колебания напряжения компенсирует предпочтительным образом включенный далее инвертор 217.

Инвертор 217 вырабатывает на своем выходе из напряжения промежуточной цепи постоянное выходное напряжение, например обычное сетевое напряжение величиной 230 В. При необходимости, может также предоставляться постоянное напряжение неизменной величины, например 24 В, или изменяемой величины.

За счет изменения величины конденсатора 216 промежуточной цепи в комбинации с дополнительным ограничением тока и регулированием в инверторе 217 может достигаться то, что импульсное потребление тока снимается с конденсатора 216 промежуточной сети и не наблюдается в кабеле 208 для напряжения 1000 В (буферное действие конденсатора 216 промежуточной цепи). Такое импульсное потребление тока типично проявляется при подключении потребителей. За счет этого буферного действия кабель 208 может рассчитываться более эффективным образом, так как каждый потребитель снимает только свою среднюю мощность из кабеля энергоснабжения (1000 В), а выбросы тока, например, при упомянутом включении потребителя, буферизуются с помощью конденсатора промежуточной цепи.

Особенно для случая, когда низкое напряжение 208 является постоянным напряжением, входной трансформатор 213 и блок 214 коррекции коэффициента мощности могут быть заменены преобразователем постоянного тока в постоянный ток (DC-DC).

Дополнительные преимущества:

а. Не требуется вести высокое среднее напряжение вдоль трассы. Среднее напряжение предпочтительным образом предоставляется однократно распределительной станции. В остальном вся установка выполняется по технологии низкого напряжения (предпочтительно ниже 1000 В). Тем самым можно заметно снизить затраты на изготовление и эксплуатацию. Кроме того, упрощается подключение компонентов к кабелю на 1000 В (соединение раструбом).

b. Необходим только единственный кабель, параллельный трассе. Дополнительное соединение кабелей по схеме звезды, исходящее из распределительной станции, может отсутствовать. Тем самым заметно сокращаются расходы на кабель и прокладку кабеля.

с. Коррекция коэффициента мощности может осуществляться более эффективно. Тем самым сокращаются затраты на кабели и трансформаторы.

d. На основе предусмотренной в компоненте электроники может эффективно осуществляться блокирование импульсных нагрузок, что положительным образом отражается на затратах на кабели и трансформаторы.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в системе электроснабжения потребителей, расположенных вдоль трасс. Техническим результатом является упрощение и снижение затрат на изготовление и эксплуатацию. Система энергоснабжения вдоль трассы содержит: (i) по меньшей мере, одну распределительную станцию, на входе которой приложено первое напряжение, а на ее выходе обеспечивается второе напряжение, причем второе напряжение ниже или выше, чем первое напряжение; (ii) множество компонентов, которые размещены вдоль трассы, причем компонент питается вторым напряжением и содержит сетевой блок питания, посредством которого второе напряжение может быть преобразовано в третье напряжение. 11 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Система энергоснабжения вдоль трассы, содержащая
- по меньшей мере, одну распределительную станцию (209), на входе которой приложено первое напряжение (207), а на ее выходе обеспечивается второе напряжение (208), причем второе напряжение (208) ниже, чем первое напряжение (207), первое напряжение является средним напряжением, а второе напряжение является низким напряжением;
- множество компонентов (202-206, 210), которые размещены вдоль трассы (201), причем компонент (202-206, 210) питается вторым напряжением (208) и содержит сетевой блок питания (212), посредством которого второе напряжение (208) может быть преобразовано в третье напряжение,
при этом компонент включает в себя следующие блоки:
- входной трансформатор (213);
- блок (214) коррекции коэффициента мощности, который связан с входным трансформатором (213);
- регулятор (215) напряжения, который связан с блоком (214) коррекции коэффициента мощности;
- инвертор (217), который связан с регулятором (215) напряжения, причем инвертор (217) вырабатывает третье напряжение, и
- конденсатор (216) промежуточной цепи, который размещен перед инвертором.

2. Система энергоснабжения по п.1, в которой первое напряжение является напряжением в диапазоне от 5 кВ до 20 кВ.

3. Система энергоснабжения по п.1, в которой второе напряжение является напряжением менее или равным 1000 В.

4. Система энергоснабжения по п.1, в которой второе напряжение является переменным напряжением.

5. Система энергоснабжения по п.1, в которой второе напряжение выполнено как система трехфазного тока.

6. Система энергоснабжения по п.1, в которой второе напряжение является постоянным напряжением.

7. Система энергоснабжения по п.1, в которой с помощью сетевого блока питания второе напряжение преобразуется в регулируемое третье напряжение, причем третье напряжение является переменным напряжением или постоянным напряжением.

8. Система энергоснабжения по п.7, в которой третье напряжение представляет собой напряжение величиной 12 В, 24 В, 48 В, 110 В, 230 В.

9. Система энергоснабжения по п.1, в которой компонент содержит потребителя (211) или выводы для потребителя, причем потребитель размещен вдоль трассы.

10. Система энергоснабжения по п.9, в которой потребитель включает в себя блок регулирования для трассы.

11. Система энергоснабжения по п.1, в которой компонент включает в себя преобразователь-регулятор постоянного напряжения, если второе напряжение является постоянным напряжением.

12. Система энергоснабжения по п.1, в которой трасса включает в себя:
- проезжую дорогу;
- скоростной участок пути;
- трубопровод;
- улицу;
- железнодорожную ветку;
- телекоммуникационную линию.