УСТРОЙСТВО ПЕРЕДАЧИ МНОГОФАЗНОЙ СИСТЕМЫ НАПРЯЖЕНИЙ ПО ОДНОПРОВОДНОЙ ЛИНИИ Российский патент 2017 года по МПК H02M5/27 

Изобретение относится к области электротехники. Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в расширении функциональных возможностей передачи многофазной системы напряжений в результате использования однопроводной линии передачи.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей устройства передачи многофазной системы напряжений в результате использования для передачи импульсов напряжения однопроводной линии, повторения этих импульсов в каждой фазе нагрузки при помощи блоков повторения и задержки импульсов с целью повышения энергетических показателей передачи.

Предлагаемая схема передачи n-фазной системы напряжений по однопроводной линии отличается от схемы, предложенной в работе [1], тем, что:

- для передачи используется однопроводная линия вследствие исключения провода С₀-С_0вых и использования вместо него общей шины "земля";

- устройство обладает улучшенными энергетическими показателями по сравнению со схемой, предложенной в работе [1], в результате введения в каждую фазу нагрузки блоков повторения и задержки импульсов.

В решении, описанном в работе [1], напряжение на каждой фазе нагрузки формируется последовательностью импульсов, разделенных временным интервалом Τ=n^*Δt, см. фиг. 1а. В этом выражении n - число фаз многофазной системы, Δt - длительность одиночного импульса. Интервал времени между соседними импульсами напряжения на нагрузке каждой фазы многофазной системы T1=(n-1)^*Δt в такой передаче будет "пустым", не занятым импульсами напряжения.

В предлагаемом решении "пустые" интервалы времени между соседними одиночными импульсами напряжения заполняются повторяющимися импульсами напряжения, которые повторяют одиночный импульс, см. фиг. 1б. Число таких повторяющихся импульсов на интервале времени Τ может находиться в пределах от 1 до (n-1). Полное заполнение пустых интервалов времени будет при числе импульсов равным (n-1). В этом случае форма напряжения на нагрузке будет ступенчатой, не содержащей пустых (не заполненных импульсами напряжения) временных интервалов. Огибающая ступенчатой функции напряжения на нагрузке будет приближаться к синусоидальной форме. Чем меньше будет временной интервал Т, тем точнее огибающая будет приближаться к синусоидальной форме. В результате действующее значение напряжения, активная, реактивная и полная мощности на нагрузке U', Р', Q', S' будет приближаться к значениям U, Р, Q, S, которые характерны для передачи многофазной системы напряжений по многофазной линии передачи. Заполнение пустых интервалов импульсами напряжения в рассматриваемом устройстве осуществляется при помощи блоков повторения и задержки импульсов.

Недостатком устройства, предложенного в [1], является:

- использование для передачи импульсов напряжения второго провода;

- низкие энергетические показатели передачи вследствие наличия в форме напряжения на нагрузках фаз "пустых", не заполненных импульсами, интервалов времени.

Задача изобретения - создать устройство, исключающее использование второго провода для передачи импульсов напряжения и обеспечивающее на нагрузке форму напряжения, в которой отсутствуют не заполненные импульсами напряжения интервалы времени. За счет этого повышаются энергетические показатели передачи n-фазного напряжения по однопроводной линии.

Сущность изобретения состоит в том, что в известное устройство [1] (нумерация элементов соответствует показанной на фиг. 1 работы [1]), содержащее нагрузку 13_i(i=1…n), нулевой провод С₀-С_0вых, подключенный к нулевой точке многофазной системы ЭДС по схеме «звезда», первую группу ключей 9_i(i=1…n), n входов 8_i(i=1…n) фаз многофазной системы ЭДС, каждая из которых подсоединена к первому входу одноименного ключа 9_i(i=1…n) первой группы, дополнительно включены вторая группа ключей 12_i(i=1…n), генератор тактовых импульсов (ГТИ) 1, элемент И2, счетчик 3, схема сравнения 4, регистр 5, дешифратор 6, первые формирователи сигналов 7_i(i=1…n), группа элементов задержки 10_i(i=1…n), вторые формирователи сигналов 11_i(i=1…n), выход ГТИ 1 подсоединен к первому входу элемента И2, второй вход которого подсоединен к первому входу 15 устройства, а выход - к первому входу счетчика 3, выход которого подсоединен к входу дешифратора 6 и к первому входу схемы сравнения 4, второй вход которой подсоединен к выходу регистра 5, а выход - к второму входу счетчика 3, вход регистра 5 подсоединен к входу 14 устройства, выходы дешифратора 6 подсоединены к входам одноименных первых формирователей сигналов 7_i(i=1…n) и через одноименные элементы задержки 10_i(i=1…n) к входам одноименных вторых формирователей сигналов 11_i(i=1…n), выходы первых формирователей сигналов 7_i(i=1…n) подсоединены к управляющим входам ключей 9_i(i=1…n) первой группы, выход каждого из которых подсоединен к входной линии передачи C₁, выход которой подсоединен к выходной линии передач C_1вых, выход которой подсоединен к первым входам второй группы ключей 12_i(i=1…n), управляющий вход каждого из которых подсоединен к выходу одноименных вторых формирователей сигналов 11_i(i=1…n), а выход - к нагрузке 13_i(i=1…n),

в предлагаемой схеме:

исключен нулевой провод С₀-С_0вых, а вместо него используется общая шина "земля";

в каждую фазу нагрузки включены блоки повторения и задержки импульсов, которые в каждой фазе для одинаковой полярности импульсов включены между собой по каскадной схеме.

Проведенный поиск в известной научно-технической литературе не выявил наличие подобных технических решений.

Новизна предлагаемого устройства заключается в том, что новое техническое устройство отличается от прототипа отсутствием нулевого провода С₀-С_0вых и использованием вместо него общей шины "земля", наличием в каждой фазе нагрузки дополнительно введенных блоков повторения и задержки импульсов, что позволяет повысить энергетические показатели передачи.

Изобретательский уровень достигается тем, что ввод соответствующих элементов в известный прототип вместе со связями позволяет решить новую техническую задачу, решение которой в литературе в настоящее время не отражено. Предлагаемое устройство позволяет расширить функциональные возможности передачи n-фазного напряжения с использованием для этого однопроводной линии.

Сущность изобретения поясняется чертежом. На чертеже (фиг. 2) представлена структурная схема предлагаемого устройства. На фиг. 2 представлены генератор тактовых импульсов 1, логический элемент И2; счетчик числа фаз 3, схема сравнения 4, регистр 5, дешифратор 6, формирователи управляющих сигналов 7_i(i=1…n, n - число фаз в сети), фазы многофазного источника синусоидального ЭДС 8_i(i=1…n), управляемые ключи (симисторы) 9_i(i=1…n), элементы задержки 10_i(i=1…n), формирователи управляющих сигналов 11_i(i=1…n, n - число фаз в сети), управляемые ключи 12_i(i=1…n), линию передачи сигналов с полюсом C₁ на входе и С_1вых на выходе линии, n первых диодов 15_i(i=1…n), n вторых диодов 21_i, 2n^*(n-1) блоков повторения и задержки импульсов 13_ij и 14_ij (i=1…n, j=1…n-1), каждый блок повторения и задержки импульсов отрицательной полярности 13_ij состоит из третьих диодов 16_ij (i=1…n, j=1…n-1), делителей напряжения, состоящих из первых резисторов 17_ij и вторых резисторов 18_ij, первых повторителей импульсов 19_ij, первых элементов задержки (линий задержки) 20_ij, к полюсу 28 повторителя сигнала подключается источник питания - Е, второй полюс источника подключается к полюсу "земля", каждый блок повторения и задержки импульсов положительной полярности 14_ij состоит из четвертых диодов 22_ij, делителей напряжения, состоящих из третьих резисторов 23_ij и четвертых резисторов 24_ij, вторых повторителей импульсов 25_ij, вторых элементов задержки (линий задержки) 26_ij, к полюсу 29 повторителя сигнала подключается источник питания +Е, второй полюс источника подключается к полюсу "земля", фазы многофазной нагрузки 27_i(i=l…n), управляющие входы 30 и 31.

Нулевая точка системы синусоидальных ЭДС, включенных по схеме «звезда», и нулевая точка нагрузки, соединенной по схеме «звезда», подключены к общей шине "земля".

Симистор 9_i(i=1…n) в каждой фазе является управляемым силовым ключом, коммутирующим сигналы произвольной (положительной или отрицательной) полярности. Он включается последовательно в цепь для передачи импульса сигнала фазы положительной или отрицательной полярности длительностью Δt от многофазного источника 8_i в линию C₁ - "земля", а симистор 12_i(i=1…n) коммутирует сигнал, снимаемый с полюсов С_1вых - "земля" на выходе линии, для последующей передачи импульсов в нагрузку 27_i.

Частота генератора 1 задается таким образом, чтобы обеспечить временной интервал открытого состояния каждого симистора 9_i и 12_i длительностью Δt при помощи формирователей импульсов. Длительность Δt управляющего импульса, поступающего на управляющие электроды управляемых ключей 9_i и 12_i, задается формирователями импульсов 7_i и 11_i. Схемы формирователей импульсов управляются сигналами, поступающими с дешифратора 6. Для формирователей импульсов 11_i сигнал от дешифратора 6 поступает через элемент задержки 10_i(i=1…n). Частота генератора должна выбираться так, чтобы время появления очередного сигнала на его выходе превышало время суммарной задержки сигнала элементами И2, счетчика 3, дешифратора 6 и формирователя управляющего сигнала 7_i. В рассматриваемом устройстве напряжение на нагрузке, начиная с момента открытия управляемого ключа 12_i, на временном интервале длительностью T=n^*Δt формируется последовательностью n одинаковых импульсов длительностью Δt. Первый из них поступает с управляемого ключа 12_i, остальные (n-1) импульсов поступают от схем повторения и задержки импульсов 13_ij или 14_ij. Каждая схема повторения 19_ij или 25_ij повторяет импульс напряжения, пришедший на ее вход, а каждая схема задержки 20_ij или 26_ij смещает импульс напряжения на временной интервал, равный Δt. Диоды 16_ij или 22_ij не позволяют импульсному сигналу после прохождения схемы задержки снова поступить на вход схемы повторения импульса. Диод 15_i пропускает импульсные сигналы отрицательной полярности к нагрузке фазы 27_i посредством блоков 13_ij и не пропускает импульсы положительной полярности. Диод 21_i пропускает импульсные сигналы положительной полярности к нагрузке фазы 27_i посредством блоков 14_ij и не пропускает импульсы отрицательной полярности.

Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии на регистре 5 по входу 31 записан код числа фаз n. На счетчике 3 хранится код нуля (вход сброса в ноль на счетчике 3 на фиг. 2 не показан).

Работа устройства начинается после подачи пускового сигнала по входу 30 логического элемента И2, после чего импульсы с выхода генератора тактовых импульсов 1 через открытый элемент И2 начинают поступать на вход счетчика 3. Код с выхода счетчика 3 поступает на вход дешифратора 6, на выходе которого появляется единичный сигнал только на одном из n его выходов. Единичный сигнал на i-м (i=1…n) выходе дешифратора 6 подается на вход одноименного формирователя сигнала 7_i, выход которого подсоединен к управляющему электроду симистора 9_i, который работает в режиме ключа. К входам 8_i симисторов 9_i подключены соответствующие фазы источников напряжения е_i(i=1…n). Симистор 9_i обеспечивает передачу входного напряжения i-й фазы в линию передачи к полюсам С_1-С₀ на интервале времени Δt. Этот интервал времени задается формирователем импульса 7_i. Одновременно сигнал с i-го (i=1…n) выхода дешифратора 6 поступает на вход элемента задержки 10_i, с выхода которого через формирователь импульса 11_i сформированный сигнал поступает на управляющий электрод симистора 12_i.

Элемент задержки 10_i обеспечивает задержку сигнала на время срабатывания элементов 7_i и 9_i.

Сигнал фазы е_i(i=1…n) длительностью Δt поступает на вход линии передачи с полюсами C₁ - "земля" на входе и С_1вых. - "земля" на выходе линии. С выхода линии этот сигнал поступает на вход управляемого ключа 12_i. Управляющий сигнал с дешифратора 6 через элементы 10_i и 11_i открывает на интервал времени Δt один из ключей 12_i. В зависимости от полярности импульса он передается далее посредством диодов 15_i или 21_i и далее посредством блоков 13_ij или 14_ij(i=l…n, j=1…n-1) к нагрузке фазы 27_i (i=1…n).

Каждым блоком 13_ij и 14_ij(i=1…n, j=1…n-1) реализуется повторение импульса напряжения и его задержка на интервал времени Δt. При помощи блоков 13_ij осуществляется повторение и задержка сигналов отрицательной полярности, при помощи блоков 14_ij осуществляется повторение и задержка сигналов положительной полярности. В каждой фазе нагрузки блоки 13_ij, j=1…n-1 включаются между собой по каскадной схеме, так же как и блоки 14_ij, j=1…n-1 включаются между собой по каскадной схеме. Схема с каскадным соединением блоков 13_ij и схема с каскадным соединением блоков 14_ij образуют две параллельные ветви, включенные между нагрузкой i-й фазы 27_i и управляемым ключом 12_i, i=1…n. Перед первым блоком каждой ветви включены диоды 15_i и 21_i. При помощи этих диодов осуществляется выбор ветви, по которой пойдет сигнал. Сигнал отрицательной полярности направляется по ветви с каскадным соединением блоков 13_ij, сигнал положительной полярности направляется по ветви с каскадным соединением блоков 14_ij.

В случае положительного сигнала он поступает через диод 21_i в блок 14_i1, а далее через очередные блоки 14_i2 - 14_in-1j(i=1…n, j=1…n-1) в нагрузку 27_i(i=1…n).

В первом блоке каскадной схемы 14_i1 сигнал поступает на резисторы 23_i1 и 24_i1(i=1…n), включенные последовательно по схеме делителя напряжения. Сигнал, снимаемый с резистора 24_i1, поступает на вход повторителя импульса 25_i1. Сигнал на выходе повторителя импульсов по форме и амплитуде повторяет сигнал на входе блока 14_i1. Этот сигнал поступает на вход элемента задержки (линии задержки), задерживается этим блоком на интервал времени Δt. Задержанный импульс напряжения через открытые диоды 22_i2-22_in-1 поступает в нагрузку 27_i и одновременно поступает на вход следующего блока 14_i2 и так далее. Диод 22_i1 не позволяет сигналу распространяться на вход блока и образовывать цепь обратной связи. С выхода последнего блока 14_in-1(i=1…n) задержанный на время T1=Δt^*(n-1) сигнал передается на i-ю фазу нагрузки 27_i(i=1…n).

В случае отрицательного сигнала он поступает от управляемого симистора через диод 15_i в блок 13_i1. Далее на очередные 13_i2-13_in-1(i=1…n, j=1…n-1) в нагрузку 27_i(i=1…n). В блоке 13_i1 сигнал поступает на схему повторения импульса 19_i1 с делителя напряжения на резисторах 17_i1 и 18_i1 (i=1…n). С повторителя импульсов 19_i1 импульсный сигнал поступает на линию задержки 20_i1. С выхода схемы задержки задержанный на время Δt импульс поступает в очередной блок 13_i2(i=1…n) и так далее. С выхода последнего блока 13_in-1(i=1…n) импульсный сигнал передается на i-ю фазу нагрузки 27_i(i=1…n).

Группа одинаковых импульсных сигналов, по величине равная e_i(t_k), где t_k - момент времени, с которого начинается первый импульс, по числу равная n, поступает на i-ю фазу нагрузки в течение интервала времени T=Δt^*n. После окончания этого интервала времени на эту же фазу нагрузки поступает очередная группа одинаковых импульсов, соответствующих новому значению ЭДС фазы источника e_i(t_k+T). Напряжение на фазе нагрузки 27_i принимает ступенчатую форму без "пустых" временных интервалов. Огибающая этой ступенчатой функции будет приближаться к синусоидальной форме.

При достижении счетчиком 3 числа n на выходе схемы сравнения 4 появляется единичный сигнал, который сбрасывает счетчик 3 в нулевое состояние. После этого цикл передачи импульсов сигналов фаз в линию передачи C₁ - "земля" повторяется.

Использованные источники

1. Патент №2543500, кл. Н02М 5/27, 2015.

Изобретение относится к области электротехники. Технический результат - расширение функциональных возможностей передачи многофазной системы напряжений. В предложенном изобретении для передачи используется однопроводная линия (вместо провода С₀-С_0вых используется общая шина "земля"). Изобретение обладает улучшенными энергетическими показателями в результате введения в каждую фазу нагрузки блоков повторения и задержки импульсов. В предлагаемом решении "пустые" интервалы времени между соседними одиночными импульсами напряжения заполняются повторяющимися импульсами напряжения, которые повторяют одиночный импульс, число таких повторяющихся импульсов на интервале времени Τ может находиться в пределах от 1 до (n-1). Полное заполнение пустых интервалов времени будет при числе импульсов равном (n-1). В этом случае форма напряжения на нагрузке будет ступенчатой, не содержащей пустых (не заполненных импульсами напряжения) временных интервалов. Огибающая ступенчатой функции напряжения на нагрузке будет приближаться к синусоидальной форме. Чем меньше будет временной интервал Т, тем точнее огибающая будет приближаться к синусоидальной форме. В результате действующее значение напряжения, активная, реактивная и полная мощности на нагрузке U', Р', Q', S', будет приближаться к значениям U, Р, Q, S, которые характерны для передачи многофазной системы напряжений по многофазной линии передачи. Заполнение пустых интервалов импульсами напряжения в рассматриваемом устройстве осуществляется при помощи блоков повторения и задержки импульсов. 2 ил.

Устройство передачи n-фазной системы напряжений по однопроводной линии, содержащее генератор тактовых импульсов (ГТИ) 1, элемент И 2, счетчик (3), схему сравнения (4), регистр (5), дешифратор (6), первые формирователи сигналов (7_i(i=1…n)), n входов (8_i (i=1…n)) фаз многофазной системы ЭДС, первую группу ключей (9_i (i=1…n)), группу элементов задержки (10_i (i=1…n)), вторые формирователи сигналов (11_i (i=1…n)), вторую группу ключей (12_i (i=1…n)), нагрузку (27_i (i=1…n)), линию передачи (C₁-C_1вых), выход ГТИ 1 подсоединен к первому входу элемента И 2, второй вход которого подсоединен к первому входу (30) устройства, а выход - к первому входу счетчика (3), выход которого подсоединен к входу дешифратора (6) и к первому входу схемы сравнения (4), второй вход которой подсоединен к выходу регистра (5), а выход - к второму входу счетчика (3), вход регистра (5) подсоединен к второму входу (31) устройства, выходы дешифратора (6) подсоединены к входам одноименных первых формирователей сигналов (7_i (i=1…n)) и через одноименные элементы задержки (10_i (i=1…n)) к входам одноименных вторых формирователей сигналов (11_i (i=1…n)), выходы первых формирователей сигналов (7_i (i=1…n)) подсоединены к управляющим входам ключей (9_i (i=1…n)) первой группы, выход каждого из которых подсоединен к входной линии передачи (C₁), выход линии передачи (C_1вых) подсоединен к первым входам второй группы ключей (12_i (i=1…n)), управляющий вход каждого из которых подсоединен к выходу одноименных вторых формирователей сигналов (11_i (i=1…n)), выход нагрузки (27_i (i=1…n)) подсоединен к полюсу "земля", один полюс ЭДС каждой фазы (8_i (i=1…n)) подсоединен к входам управляемых ключей (9_i (i=1…n)), а вторые полюсы ЭДС соединены вместе и подключены к общей шине "земля" линии передачи,

отличающееся тем, что в качестве нулевого провода используется общая шина "земля"; в схему дополнительно включены n первых диодов (15_i (i=1…n)), n вторых диодов (21_i, 2n*(n-1)) блоков повторения и задержки импульсов (13_ij и 14_ij (i=1…n, j=1…n-1)), при этом блоки повторения и задержки импульсов (13_ij) состоят из третьих диодов (16_ij (i=1…n, j=1…n-1)), первых резисторов (17_ij), вторых резисторов (18_ij), первых повторителей импульсов (19_ij), первых линий задержки (20_ij), блоки повторения и задержки импульсов (14_ij) состоят из четвертых диодов (22_ij), третьих резисторов (23_ij), четвертых резисторов (24_ij), вторых повторителей импульсов (25_ij), вторых линий задержки (26_ij), катод первого диода (15_i (i=1…n)) подсоединен к выходу второй группы ключей (12_i (i=1…n)), анод первого диода (15_i (i=1…n)) подсоединен к катоду третьего диода (16_i1 (i=1…n)) и к первому входу первого резистора (17_i1), выход этого резистора подсоединен к входу второго резистора (18_i1) и к первому входу первого повторителя импульсов (19_i1), выход которого подсоединен к входу первой линии задержки (20_i1), выход которой подсоединен к аноду третьего диода (16_i1 (i=1…n)), и т.д., для последнего блока повторения и задержки импульсов (13_in-1) входными являются катод третьего диода (16_ij+1 (i=1…n, j=1…n-2)) и вход первого резистора (17_ij+1 (i=1…n, j=1…n-2)), выход первой линии задержки (20_in-1) последнего блока (13_in-1) подсоединен к входу нагрузки (27_i), анод третьего диода (21_i (i=1…n)) подсоединен к выходу второй группы ключей (12_i) и катоду диода (15_i (i=1…n)), катод третьего диода (21_i) подсоединен к аноду четвертого диода (22_i1) и к первому входу третьего резистора (23_i1), выход которого подсоединен к входу четвертого резистора (24_i1) и к первому входу второго повторителя импульсов (25_i1), выход которого подсоединен к входу второй линии задержки (26_i1), выход которой подсоединен к катоду четвертого диода (22_i1) и т.д., для последнего блока (14_in-1) входными являются анод четвертого диода (22_ij+1 (i=1…n, j=1…n-2)) и первый вход третьего резистора (23_ij+1), выход второй линии задержки (26_in-1) последнего блока (14_in-1) подсоединен к входу нагрузки (27_i), вторые входы вторых резисторов (18_ij), первых повторителей импульсов (19_ij), первых линий задержки (20_ij (i=1…n, j=1…n-1)), четвертых резисторов (24_ij), вторых повторителей импульсов (25_ij), вторых линий задержки (26_ij) подсоединены к нулевой шине "земля" передачи, источник питания -Е полюсом (28) подсоединен к второму входу первых повторителей импульсов (19_ij (i=1…n, j=1…n-1)), источник питания +E полюсом (29 )подсоединен к второму входу вторых повторителей импульсов ( 25_ij (i=1…n, j=1…n-1)), вторые полюсы источников -Е и +Е подсоединены к шине "земля".