ТРАНСФОРМАТОР ПОСТОЯННОГО ТОКА (ТПТ) И СПОСОБ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ТПТ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2018 года по МПК H02J15/00 H02J7/34 

Группа изобретений относится к областям электроэнергетики, а также к электронике и радиотехнике, и представляет собой трансформатор постоянного тока электродинамического типа.

Из уровня техники известно устройство - трансформатор переменного тока (от лат. transformo - преобразовывать) - статическое электромагнитное устройство, имеющее две или более индуктивно связанные обмотки на каком-либо магнитопроводе и предназначенное для преобразования посредством электромагнитной индукции одной или нескольких систем (напряжений) переменного тока в одну или несколько других систем (напряжений), без изменения частоты переменного тока и осуществляющего преобразование переменного напряжения и/или гальваническую развязку в электроэнергетике, электронике и радиотехнике.

Однако в настоящее время, из уровня техники, неизвестно аналогичное по простоте и универсальности применения обратимое электрическое устройство, предназначенное для преобразования одной или нескольких систем (напряжений) постоянного тока в одну или несколько других систем (напряжений) постоянного тока, без промежуточного преобразования в систему переменного тока с использованием выпрямителей или инверторов, осуществляющее непосредственное прямое преобразование постоянного напряжения и/или гальваническую развязку в самых различных областях применения - электроэнергетике, электронике и радиотехнике.

Эффективное использование источников статического и других источников высоковольтного электричества в большой степени зависит от устройства преобразования этой энергии в вид, пригодный для использования и накопления. Как известно, например, электростатические генераторы просты по конструкции и могут сразу давать высоковольтное напряжение для линий электропередач постоянного тока. Еще в 40-х годах прошлого века академик А.Ф. Иоффе занимался разработкой оригинального электростатического генератора и тогда у Иоффе возникла идея заменить в широком масштабе электромагнитные генераторы на электростатические и перевести на них всю большую электроэнергетику страны. Но идея так и осталась невоплощенной по причине отсутствия простого и эффективного трансформатора постоянного тока, способного преобразовать высоковольтную энергию электростатических генераторов, а также других источников высоковольтного напряжения постоянного тока, в энергию постоянного тока разных классов напряжений, удобных для потребления и/или использования.

Из существующего уровня техники известен преобразователь электрической энергии, например, от громоотвода, патент DE 102009035167, публикация 18.02.2010, в котором громоотвод подключен к первичной обмотке трансформатора, а вторичная обмотка подключена к выпрямителю, а также в заявке GB 2467045, публикация 21.07.2010 описана конструкция аппарата для производства электроэнергии путем сбора статического электричества из воздуха. Аппарат содержит также трансформатор переменного тока в преобразователе статического электричества в постоянный ток.

Недостатком таких способов преобразования с помощью трансформатора переменного тока является невозможность непосредственного преобразования высоковольтного постоянного напряжения, без использования промежуточных систем переменного тока, большие габариты и масса устройства, а также сложность получения высокого коэффициента понижения напряжения при сохранении приемлемого КПД.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному техническому решению по технической возможности использования конденсаторов и поэтому принятым за прототип, является патент на изобретение RU 2504129 от 10.01.2014 устройство преобразования энергии статического электричества. Прототип содержит, искровой разрядник и понижающий трансформатор, при этом параллельно первичной обмотке трансформатора, подключенной к разряднику, подключена первая емкость, а выход вторичной обмотки трансформатора через вторую емкость подключен к нагрузке. Частота резонанса первого контура, образованного первичной обмоткой трансформатора и параллельно подключенной к обмотке первой емкостью примерно равна частоте резонанса второго контура, образованного вторичной обмоткой и последовательно подключенной к вторичной обмотке второй емкостью.

Недостатками прототипа являются невозможность непосредственного преобразования высоковольтного постоянного напряжения от источника высоковольтного электричества, без использования промежуточных систем переменного тока, в процессе преобразования энергии, сложность устройства, использование искрового разрядника, являющегося источником помех, малая мощность и низкий КПД устройства, а также большие потери за счет падения напряжения на дуге искрового разрядника и реактивного сопротивления электрической цепи переменного тока, а также отсутствие возможности использования как универсального и обратимого электрического устройства.

Таким образом, присутствует актуальной задача создания обратимого электрического устройства, предназначенного для преобразования одной или нескольких систем (напряжений) постоянного тока в одну или несколько других систем (напряжений) постоянного тока, без промежуточного преобразования в систему переменного тока с использованием выпрямителей или инверторов и осуществляющего непосредственное прямое преобразование постоянного напряжения и/или гальваническую развязку в самых различных областях применения - электроэнергетике, электронике и радиотехнике для использования в различных вариантах конструкций преобразователей энергии систем постоянного тока, позволяющих преобразовать, трансформировать и аккумулировать электрическую энергию источников постоянного тока разных уровней технологического напряжения, включая источники статического высоковольтного электричества, осуществляя также при этом перевод энергии альтернативных источников в вид энергии, пригодный для накопления и использования.

Задачей достижения технического результата, на который направлена заявленная группа изобретений, является создание обратимого электрического устройства, предназначенного для преобразования одной или нескольких систем (напряжений) постоянного тока в одну или несколько других систем (напряжений) постоянного тока, без промежуточного преобразования в систему переменного тока с использованием выпрямителей или инверторов и осуществляющего непосредственное прямое преобразование постоянного напряжения и/или гальваническую развязку в самых различных областях применения -электроэнергетике, электронике и радиотехнике для использования в различных вариантах конструкций преобразователей энергии систем постоянного тока, позволяющих преобразовать, трансформировать и аккумулировать электрическую энергию источников постоянного тока разных уровней технологического напряжения, включая источники статического высоковольтного электричества, осуществляя также при этом перевод энергии альтернативных источников в вид энергии, пригодный для накопления и использования.

Указанная задача (достижение технического результата) решается тем, что предложен трансформатор постоянного тока, характеризующийся тем, что содержит, как минимум, две гальванически несвязанные между собой электрические системы шин разных классов постоянного напряжения с устройствами электрических вводов, к каждому из которых подключены стационарные буферные накопители электрической энергии постоянного тока соответствующих классов постоянного напряжения, как минимум, одну электродинамическую систему, состоящую, как минимум, из одного блока статических накопительных элементов, построенных на основе конденсаторов и трансформирующего коммутатора, переключающего каждый конденсатор, соответствующего блока статических накопительных элементов, по схеме соединения последовательно при подключении к системе шин высокого класса напряжения и/или по смешанной схеме соединения последовательно-параллельно при подключении к системе шин среднего класса напряжения и/или по схеме соединения параллельно при подключении к системе шин низкого класса напряжения.

Указанная задача (достижение технического результата) решается также тем, что предложен трансформатор постоянного тока, характеризующийся тем, что содержит, как минимум, две гальванически несвязанные между собой электрические системы шин разных классов постоянного напряжения с устройствами электрических вводов, к каждому из которых подключены стационарные буферные накопители электрической энергии постоянного тока соответствующих классов постоянного напряжения, как минимум, одну электродинамическую систему, состоящую, как минимум, из одного блока статических накопительных элементов, построенных на основе суперконденсаторов и трансформирующего коммутатора, переключающего каждый суперконденсатор, соответствующего блока статических накопительных элементов, по схеме соединения последовательно при подключении к системе шин высокого класса напряжения и/или по смешанной схеме соединения последовательно-параллельно при подключении к системе шин среднего класса напряжения и/или по схеме соединения параллельно при подключении к системе шин низкого класса напряжения.

Указанная задача (достижение технического результата) решается также тем, что предложен трансформатор постоянного тока, характеризующийся тем, что содержит, как минимум, две гальванически несвязанные между собой электрические системы шин разных классов постоянного напряжения с устройствами электрических вводов, к каждому из которых подключены стационарные буферные накопители электрической энергии постоянного тока соответствующих классов постоянного напряжения, как минимум, одну электродинамическую систему, состоящую, как минимум, из одного блока динамических накопительных элементов, каждый из которых построен на основе общей электромеханической конструкции, которая содержит маховик и/или супермаховик и скоростную электромашину, и трансформирующего коммутатора, переключающего каждый динамический накопительный элемент, соответствующего блока динамических накопительных элементов, по схеме соединения последовательно при подключении к системе шин высокого класса напряжения и/или по смешанной схеме соединения последовательно-параллельно при подключении к системе шин среднего класса напряжения и/или по схеме соединения параллельно при подключении к системе шин низкого класса напряжения.

Указанная задача (достижение технического результата) решается также тем, что предложен трансформатор постоянного тока, характеризующийся тем, что содержит, как минимум, две гальванически несвязанные между собой электрические системы шин разных классов постоянного напряжения с устройствами электрических вводов, к каждому из которых подключены стационарные буферные накопители электрической энергии постоянного тока соответствующих классов постоянного напряжения, как минимум, одну электродинамическую систему, состоящую, как минимум, из одного блока накопительных элементов, построенных на основе комбинированных статических и динамических накопительных элементов, и трансформирующего коммутатора, переключающего каждый статический и динамический накопительный элемент, соответствующего блока комбинированных статических и динамических накопительных элементов, по схеме соединения последовательно при подключении к системе шин высокого класса напряжения и/или по смешанной схеме соединения последовательно-параллельно при подключении к системе шин среднего класса напряжения и/или по схеме соединения параллельно при подключении к системе шин низкого класса напряжения.

Другим отличием исполнения является то, что подключение и переключение накопительных элементов соответствующего блока электродинамической системы осуществляется трансформирующим коммутатором, имеющим механические коммутирующие элементы.

Другим отличием исполнения является то, что подключение и переключение накопительных элементов соответствующего блока электродинамической системы осуществляется трансформирующим коммутатором, имеющим электромеханические коммутирующие элементы.

Другим отличием исполнения является то, что подключение и переключение накопительных элементов соответствующего блока электродинамической системы осуществляется трансформирующим коммутатором, имеющим ионные коммутирующие элементы

Следующим отличием исполнения является то, что подключение и переключение накопительных элементов соответствующего блока электродинамической системы осуществляется трансформирующим коммутатором, имеющим полупроводниковые коммутирующие элементы.

Следующим отличием исполнения является то, что подключение и переключение накопительных элементов соответствующего блока электродинамической системы осуществляется комбинированным трансформирующим коммутатором, в составе которого в любой комбинации могут быть использованы механические и/или электромеханические и/или ионные и/или полупроводниковые коммутирующие элементы.

Технический результат достигается также в способе функционирования составного трансформатора постоянного тока (далее - ТПТ), заключающийся в том, что после подачи напряжения на стационарные буферные накопители электрической энергии постоянного тока, например трех энергосистем разных классов постоянного напряжения, трансформирующий коммутатор блока электродинамической системы ТПТ, находящийся в исходном отключенном положении, начинает переключать каждый накопительный элемент, соответствующего блока накопительных элементов по схеме соединения последовательно при подключении к системе шин высокого класса напряжения и/или по смешанной схеме соединения последовательно-параллельно при подключении к системе шин среднего класса напряжения и/или по схеме соединения параллельно при подключении к системе шин низкого класса напряжения с подключением к стационарным буферным накопителям электрической энергии постоянного тока соответствующих классов постоянного напряжения, двух или нескольких систем (напряжений) постоянного тока, и при этом каждый накопительный элемент, соответствующего блока накопительных элементов трансформирующего коммутатора блока электродинамической системы будет заряжаться при подключении к стационарным буферным накопителям электрической энергии постоянного тока того класса постоянного напряжения, которые имеют более высокий уровень напряжения относительно номинального соответствующего класса постоянного напряжения и соответственно будет разряжаться при подключении к стационарным буферным накопителям электрической энергии постоянного тока того класса постоянного напряжения, которые имеют более низкий уровень напряжения относительно номинального соответствующего класса постоянного напряжения, осуществляя, таким образом, обратимое преобразование постоянного напряжения между двумя или несколькими системами (напряжений) и/или гальваническую развязку в самых различных областях применения - электроэнергетике, а также радиотехнике и электронике.

Сущность группы изобретений поясняется чертежами фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3, фиг. 4, фиг. 5 и фиг. 6.

На чертеже фиг. 1 представлена функциональная схема исполнения трансформатора постоянного тока для обратимого преобразования постоянного напряжения, например, между двумя системами высокого (ВН) и низкого (НН) класса напряжений, имеющим статические накопительные элементы, например, в виде конденсаторов и с трансформирующим коммутатором, например, имеющим механические коммутирующие элементы, содержащего, например, 100 одинаковых электродинамических систем, каждая из которых состоит из одного блока накопительных элементов, построенных на основе конденсаторов, и для удобства рассмотрения работы устройства на чертежах фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3 и фиг. 4 показана схема одной из 100 одинаковых электродинамических систем, подключаемой к двум гальванически несвязанным между собой электрическим системам шин разных классов постоянного напряжения с устройствами электрических вводов, к каждому из которых подключены буферные накопители электрической энергии постоянного тока соответствующих классов постоянного напряжения (на чертеже не показаны) и цикл работы преобразования постоянного напряжения между двумя системами высокого (ВН) и низкого (НН) представлен чертежами фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3, фиг. 4 и на чертеже фиг. 1 (подключенное последовательно положение всех конденсаторов к системе шин высокого класса напряжения), на чертеже фиг. 2 (отключенное положение всех конденсаторов от обеих систем шин разных классов напряжения в положении, подготовленном к подключению к системе шин высокого класса напряжения), на чертеже фиг. 3 (отключенное положение всех конденсаторов от обеих систем шин разных классов напряжения в положении, подготовленном к подключению к системе шин низкого класса напряжения) и на чертеже фиг. 4 (подключенное параллельно положение всех конденсаторов к системе шин низкого класса напряжения). Все подключения и переключения конденсаторов одного блока электродинамической системы осуществляется трансформирующим коммутатором электродинамической системы, который для удобства рассмотрения принципа работы, представлен механическим переключающим устройством, кинематически связывающим и переключающим между собой две гальванически несвязанные между собой электрические системы шин разных классов постоянного напряжения и каждый накопительный конденсатор блока накопительных элементов. На схеме фиг. 1 описываемый трансформатор постоянного тока содержит систему шин высокого класса напряжения (ВН), содержащую плюсовую шину 3 с электрическим вводом 4, к которому подключен буферный накопитель электрической энергии постоянного тока высокого класса напряжения (на чертежах не показан), минусовую шину 8 с электрическим вводом 9 к которому подключен буферный накопитель электрической энергии постоянного тока высокого класса напряжения (на чертежах не показан), систему шин низкого класса напряжения (НН), содержащую плюсовую шину 2 с электрическим вводом 1, к которому подключен буферный накопитель электрической энергии постоянного тока низкого класса напряжения (на чертежах не показан), минусовую шину 6 с электрическим вводом 7, к которому подключен буферный накопитель электрической энергии постоянного тока низкого класса напряжения (на чертежах не показан), блок накопительных элементов, построенных на основе конденсаторов 5 и трансформирующий коммутатор, который представляет собой механическое переключающее устройство, с программным контроллером управления, кинематически, связывающее (на чертежах не показаны) описанный выше состав элементов и переключающее каждый конденсатор 5 блока накопительных элементов, по схеме соединения последовательно при подключении к системе шин высокого класса напряжения и переключающего по схеме соединения параллельно каждый конденсатор 5, блока накопительных элементов, при подключении к системе шин низкого класса напряжения.

Работа описанного варианта исполнения трансформатора постоянного тока, имеющего в своем составе 100 одинаковых электродинамических систем, каждая из которых состоит из одного блока накопительных элементов, иллюстрируется схемами фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3 и фиг. 4 на примере одного блока (так как все они одинаковы) электродинамической системы, в котором подключение и переключение конденсаторов осуществляется трансформирующим коммутатором, имеющим механические коммутирующие элементы (далее - механический трансформирующий коммутатор) и трансформация электроэнергии постоянного тока осуществляется следующим образом.

В исходном положении трансформатор постоянного тока может находиться в положении механического трансформирующего коммутатора по схеме фиг. 2 или фиг. 3, которые различаются между собой только пространственным положением конденсаторов. Так как алгоритм работы трансформатора постоянного тока из обеих положений механического трансформирующего коммутатора по схеме фиг. 2 или фиг. 3 одинаков, то рассмотрим работу трансформатора постоянного тока из исходного положения по схеме фиг. 2 (отключенное положение всех конденсаторов от обеих систем шин разных классов напряжения в положении, подготовленном к подключению к системе шин высокого класса напряжения, которая подключена, например, к электростатическому генератору. По команде программного контроллера управления механический трансформирующий коммутатор сближает и подключает последовательно плюсовую шину 3 с электрическим вводом 4, к которому подключен буферный накопитель электрической энергии постоянного тока высокого класса напряжения (на чертежах не показан), все конденсаторы 5 и минусовую шину 8 с электрическим вводом 9, к которому подключен буферный накопитель электрической энергии постоянного тока высокого класса напряжения (на чертежах не показан), по схеме фиг. 1 на время, достаточное для номинального уровня зарядки всех конденсаторов блока. Далее по команде программного контроллера управления механический трансформирующий коммутатор раздвигает и отключает плюсовую шину 3 с электрическим вводом 4, все конденсаторы 5 и минусовую шину 8 с электрическим вводом 9 по схеме фиг. 2, а далее по команде программного контроллера управления механический трансформирующий коммутатор переводит пространственное положение всех конденсаторов с поворотом на 90 градусов против часовой стрелки по схеме фиг. 3 и затем по команде программного контроллера управления механический трансформирующий коммутатор сближает и подключает последовательно плюсовую шину 2 с электрическим вводом 1, к которому подключен буферный накопитель электрической энергии постоянного тока низкого класса напряжения (на чертежах не показан), все конденсаторы 5 и минусовую шину 6 с электрическим вводом 7, к которому подключен буферный накопитель электрической энергии постоянного тока низкого класса напряжения (на чертежах не показан), по схеме фиг. 4 на время, достаточное для разрядки энергии всех конденсаторов в буферный накопитель электрической энергии постоянного тока низкого класса напряжения (на чертежах не показан), подключенный к вводам 1 и 7 системы шин низкого класса напряжения, которая подключена, например, к электрической нагрузке потребителей. После разряда в буферный накопитель электрической энергии постоянного тока низкого класса напряжения и в нагрузку трансформатора постоянного тока, по команде программного контроллера управления, механический трансформирующий коммутатор раздвигает и отключает плюсовую шину 2 с электрическим вводом 1, все конденсаторы 5 и минусовую шину 6 с электрическим вводом 7 по схеме фиг. 3, а далее, по команде программного контроллера управления, механический трансформирующий коммутатор переводит положение всех конденсаторов с поворотом на 90 градусов по часовой стрелки по схеме фиг. 2 и весь цикл работы блока повторяется. Так как в описываемом варианте исполнения трансформатора постоянного тока содержится 100 одинаковых блоков, в каждом из которых переключение конденсаторов разнесено по времени и заряд - разряд конденсаторов осуществляется через буферные накопители электрической энергии постоянного тока разных класса напряжения для улучшения качества электроэнергии, то пульсации напряжения на выводах трансформатора постоянного тока будут минимальными и соизмеримыми с пульсациями в существующих тиристорных преобразователях для высоковольтных линий постоянного тока.

На чертеже фиг. 5 представлена функциональная схема возможного варианта исполнения трансформатора постоянного тока для обратимого преобразования постоянного напряжения, например, между четырьмя системами высокого (ВН), среднего (СН) и двумя низкого (НН1 и НН2) разных классов напряжений и на чертеже фиг. 5-а - представлена функциональная схема исполнения электродинамической системы (далее - ЭДС), трансформатора постоянного тока состоящей, как минимум, из одного блока статических накопительных элементов, для обратимого преобразования постоянного напряжения, например, между двумя системами высокого (ВН) и среднего (СН) класса напряжений в положении трансформирующего коммутатора, когда каждый накопительный элемент, соответствующего блока накопительных элементов, подключен по схеме соединения последовательно при подключении к системе шин высокого класса напряжения ВН и переключен по схеме соединения последовательно-параллельно при подключении к системе шин среднего класса напряжения СН, а на чертеже фиг. 5-b - представлена функциональная схема исполнения трансформатора постоянного тока (ТПТ) с тремя ЭДС для обратимого преобразования постоянного напряжения между четырьмя системами высокого (ВН), среднего (СН) и двумя низкого (НН1 и НН2), к каждой из которых подключены свои стационарные буферные накопители электрической энергии постоянного тока (БНЭ), где ЭДС-1, которая имеет трансформирующий коммутатор, переключающий накопительные элементы по схеме соединения последовательно при подключении к системе шин высокого класса напряжения ВН и переключающий накопительные элементы по схеме соединения последовательно-параллельно при подключении к системе шин среднего класса напряжения СН, а также ЭДС-2, которая имеет трансформирующий коммутатор, переключающий накопительные элементы по схеме соединения последовательно-параллельно при подключении к системе шин среднего класса напряжения СН и переключающий накопительные элементы по схеме соединения параллельно при подключении к первой системе шин низкого класса напряжения НН-1 и также ЭДС-3, которая имеет трансформирующий коммутатор, переключающий накопительные элементы по схеме соединения последовательно при подключении к системе шин среднего класса напряжения СН и переключающий накопительные элементы по схеме соединения параллельно при подключении ко второй системе шин низкого класса напряжения НН-2.

Алгоритм работы ТПТ не только на тупиковую электрическую нагрузку, но и для связи между электрическими системами постоянного тока разных классов напряжений аналогичен вышеописанному. И на примере трансформатора постоянного тока для четырех энергосистем разных классов постоянного напряжения на чертеже фиг. 5-b-, после подачи напряжения на стационарные буферные накопители электрической энергии постоянного тока от четырех энергосистем разных классов постоянного напряжения, трансформирующие коммутаторы блоков, находящиеся в исходном отключенном положении, начинают переключаться в ЭДС-1, которая имеет трансформирующий коммутатор, переключающий накопительные элементы по схеме соединения последовательно при подключении к системе шин высокого класса напряжения ВН и переключающий накопительные элементы по схеме соединения последовательно-параллельно при подключении к системе шин среднего класса напряжения СН, а также ЭДС-2, которая имеет трансформирующий коммутатор, переключающий накопительные элементы по схеме соединения последовательно-параллельно при подключении к системе шин среднего класса напряжения СН и переключающий накопительные элементы по схеме соединения параллельно при подключении к первой системе шин низкого класса напряжения НН-1 и также ЭДС-3, которая имеет трансформирующий коммутатор, переключающий накопительные элементы по схеме соединения последовательно при подключении к системе шин среднего класса напряжения СН и переключающий накопительные элементы по схеме соединения параллельно при подключении ко второй системе шин низкого класса напряжения НН-2 и при этом каждый накопительный элемент, соответствующего блока накопительных элементов трансформирующего коммутатора блока электродинамической системы будет заряжаться при подключении к стационарным буферным накопителям электрической энергии постоянного тока того класса постоянного напряжения, которые имеют более высокий уровень напряжения относительно номинального соответствующего класса постоянного напряжения и соответственно будет разряжаться при подключении к стационарным буферным накопителям электрической энергии постоянного тока того класса постоянного напряжения, которые имеют более низкий уровень напряжения относительно номинального соответствующего класса постоянного напряжения, осуществляя, таким образом, обратимое преобразование постоянного напряжения между двумя или несколькими системами (напряжений) и/или гальваническую развязку в самых различных областях применения - электроэнергетике, а также радиотехнике и электронике.

Количество блоков накопительных элементов и трансформирующих коммутаторов в конструкции трансформатора постоянного тока в теории не ограничено, а на практике будет определяться технико-экономическим обоснованием при расчете трансформатора постоянного тока.

Алгоритм работы других вариантов исполнения трансформаторов постоянного тока с блоками накопительных элементов, построенных на основе статических накопительных элементов типа суперконденсаторов, и/или на основе известных динамических накопительных элементов и с трансформирующими коммутаторами, имеющими электромеханические, ионные или полупроводниковые коммутирующие элементы, аналогичен вышеописанному, а состав и конструкция известных из уровня техники стационарных буферных накопителей электрической энергии постоянного тока разных классов напряжения будут определяться техническими требованиями к качеству и объему трансформируемой электроэнергии.

Таким образом, очевидно, что трансформатор постоянного тока является обратимым электрическим устройством и может быть использован для связи и регулирования перетоков мощности между электрическими системами постоянного тока разных классов напряжений, а направление перетоков мощности будет определяться уровнями напряжений в электрических системах постоянного тока разных классов напряжений.

На чертеже фиг. 6 представлены схемы возможных вариантов использования трансформатора постоянного тока, позволяющих преобразовать, трансформировать и аккумулировать электрическую энергию различных источников постоянного тока разных уровней технологического напряжения, включая источники статического высоковольтного электричества, осуществляя также при этом перевод энергии альтернативных источников в вид энергии, пригодный для накопления и использования и на чертеже фиг. 6-а - представлена схема перевода энергии ветра через ветроэлектростатический генератор (ВЭСГ) - трансформатор постоянного тока (ТПТ-ВЭСГ) - система шин постоянного тока (СШПТ) - в стационарный буферный накопитель электроэнергии постоянного тока (БНЭ) для последующего накопления и использования трансформированной энергии. По аналогичным схемам может быть осуществлен перевод энергии солнца через солнечную электростанцию (СЭ) чертеж фиг. 6-b-, перевод энергии воды через гидроэлектростанцию (ГЭС) чертеж фиг. 6-с - и перевод кинетической энергии электропроводной плазмы через МГД генератор (МГДГ) в составе парогазовой энергетической установки чертеж фиг. 6-d-.

Кроме того, описанный трансформатор постоянного тока по принципу действия является также своего рода коммутационным аппаратом и это позволяет создавать различные управляемые гибридные электроустановки, например гибридная высоковольтная ЛЭП постоянного тока, у которой на каждой опоре ЛЭП могут быть установлены, например, свой электростатический ветрогенератор или панели солнечных батарей со своим трансформатором постоянного тока для подключения в нужный момент к ЛЭП, а по всей длине ЛЭП в любом месте могут подключаться в нужный момент отдельные трансформаторы постоянного тока для связи с другими энергосистемами или для питания отдельных потребителей, и таким образом получается гибридная высоковольтная электроустановка, которая одновременно может выполнять функции генерации от альтернативных источников энергии и передачи энергии между энергообъектами, а также к отдельным потребителям электроэнергии постоянного тока.

Также достаточно эффективный возврат энергии аэросопротивления при движении автомобиля может быть осуществлен в конструкциях гибридных автомобилей от электростатического ветрогенератора, подключенного через трансформатор постоянного тока к аккумуляторной батарее - ведь, как известно, «аэродинамическое сопротивление автомобиля среди всех сил, составляющих сопротивление движению автомобиля, при всевозрастающих скоростях передвижения транспортных средств, уже при скорости движения 50-60 км/час аэродинамическое сопротивление превышает любую другую силу сопротивления движению автомобиля, а в районе 100-120 км/час превосходит всех их вместе взятых» ("Аэродинамика автомобиля", Москва, Машиностроение, 1987).

Аналогичная возможность имеется для возврата энергии аэродинамического или гидродинамического сопротивления в цикле движения в различных конструкциях воздушного или водного гибридного электротранспорта использующего дополнительные аэродинамические или гидродинамические турбины для привода электростатических генераторов, энергия которых используется в гибридном силовом агрегате воздушного или водного гибридного транспортного средства.

Таким образом, предлагаемый трансформатор постоянного тока, описанный по чертежам фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3, фиг. 4, фиг. 5 и фиг. 6 может универсально применяться в различных системах преобразования, трансформирования и аккумулирования электрической энергии источников постоянного тока и/или их гальванической развязки, а также применять для использования источников нетрадиционной или альтернативной возобновляемой энергии, с применением электростатических генераторов для перевода этой энергии в вид энергии, пригодный для использования и накопления, например, для электростанций альтернативной энергетики, использующих возобновляемую энергию ветра, воды в виде группы электростатических генераторов с аэродинамическими, гидродинамическими турбинами и/или с системой молниеотводов грозозащиты зданий и сооружений для использования атмосферного электричества, а также применяться в схемах тепловых электростанций с газотурбинными и парогазовыми установками, в технологию которых для лучшей эффективности дополнительно могут быть включены МГД генераторы, подключаемые в нагрузку через трансформаторы постоянного тока, а также дополнительно изобретение охватывает несколько возможных вариантов конструкций передвижных или стационарных электрических подстанций или электростанций, которые могут подключаться в любом месте по всей длине штатных высоковольтных линий постоянного тока, образуя при этом новый тип гибридных ЛЭП, которые являются одновременно генерирующими, передающими и распределяющими электроустановками энергосистемы, а также имеется возможность использования изобретения для возврата энергии аэродинамического или гидродинамического сопротивления в цикле движения в различных конструкциях наземного колесного, воздушного или водного гибридного электротранспорта использующего дополнительные аэродинамические или гидродинамические турбины для привода электростатических генераторов, энергия которых используется в гибридном силовом агрегате транспортного средства или в гибридном силовом агрегате с инерционным накопителем энергии для систем основного или аварийного электроснабжения потребителей.

Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является создание трансформатора постоянного тока - обратимого электрического устройства, предназначенного для преобразования одной или нескольких систем (напряжений) постоянного тока в одну или несколько других систем (напряжений) постоянного тока, без промежуточного преобразования в систему переменного тока с использованием выпрямителей или инверторов и осуществляющего непосредственное прямое преобразование постоянного напряжения и/или гальваническую развязку в самых различных областях применения - электроэнергетике, электронике и радиотехнике для использования в различных вариантах конструкций преобразователей энергии систем постоянного тока, позволяющих преобразовать, трансформировать и аккумулировать электрическую энергию источников постоянного тока разных уровней технологического напряжения, включая источники статического высоковольтного электричества, осуществляя также при этом перевод энергии альтернативных источников в вид энергии, пригодный для накопления и использования.

Группа изобретений относится к электротехнике и представляет собой трансформатор постоянного тока электродинамического типа. Технический результат состоит в расширении эксплуатационных возможностей. Трансформатор предназначен для преобразования постоянного напряжения без использования промежуточного преобразования в системы переменного тока и позволяет преобразовать, трансформировать и аккумулировать электрическую энергию источников постоянного тока разных уровней технологического напряжения, включая источники статического высоковольтного электричества, осуществляя также при этом перевод энергии альтернативных источников в вид энергии, пригодный для накопления и использования, например, для солнечных электростанций альтернативной энергетики, а также использующих возобновляемую энергию ветра, воды в виде группы электростатических генераторов с аэродинамическими, гидродинамическими турбинами и/или с системой молниеотводов грозозащиты зданий и сооружений для использования атмосферного электричества, а также может применяться в схемах тепловых электростанций с газотурбинными и парогазовыми установками, в технологию которых для лучшей эффективности дополнительно могут быть включены МГД генераторы, подключаемые в нагрузку через трансформаторы постоянного тока, а также имеется возможность использования изобретения для возврата энергии аэродинамического или гидродинамического сопротивления в цикле движения в различных конструкциях наземного колесного, воздушного или водного гибридного электротранспорта, использующего дополнительные аэродинамические или гидродинамические турбины для привода электростатических генераторов, энергия которых используется в гибридном силовом агрегате транспортного средства или в гибридном силовом агрегате с инерционным накопителем энергии для систем основного или аварийного электроснабжения потребителей. 5 н. и 5 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Трансформатор постоянного тока, характеризующийся тем, что содержит как минимум две гальванически не связанные между собой электрические системы шин разных классов постоянного напряжения с устройствами электрических вводов, к каждому из которых подключены стационарные буферные накопители электрической энергии постоянного тока соответствующих классов постоянного напряжения, как минимум одну электродинамическую систему, состоящую как минимум из одного блока статических накопительных элементов, построенных на основе конденсаторов и трансформирующего коммутатора, переключающего каждый конденсатор, соответствующего блока статических накопительных элементов, по схеме соединения последовательно при подключении к системе шин высокого класса напряжения, и/или по смешанной схеме соединения последовательно-параллельно при подключении к системе шин среднего класса напряжения, и/или по схеме соединения параллельно при подключении к системе шин низкого класса напряжения.

2. Трансформатор постоянного тока, характеризующийся тем, что содержит как минимум две гальванически не связанные между собой электрические системы шин разных классов постоянного напряжения с устройствами электрических вводов, к каждому из которых подключены стационарные буферные накопители электрической энергии постоянного тока соответствующих классов постоянного напряжения, как минимум одну электродинамическую систему, состоящую как минимум из одного блока статических накопительных элементов, построенных на основе суперконденсаторов и трансформирующего коммутатора, переключающего каждый суперконденсатор, соответствующего блока статических накопительных элементов, по схеме соединения последовательно при подключении к системе шин высокого класса напряжения, и/или по смешанной схеме соединения последовательно-параллельно при подключении к системе шин среднего класса напряжения, и/или по схеме соединения параллельно при подключении к системе шин низкого класса напряжения.

3. Трансформатор постоянного тока, характеризующийся тем, что содержит как минимум две гальванически не связанные между собой электрические системы шин разных классов постоянного напряжения с устройствами электрических вводов, к каждому из которых подключены стационарные буферные накопители электрической энергии постоянного тока соответствующих классов постоянного напряжения, как минимум одну электродинамическую систему, состоящую как минимум из одного блока динамических накопительных элементов, каждый из которых построен на основе общей электромеханической конструкции, которая содержит маховик и/или супермаховик и скоростную электромашину, и трансформирующего коммутатора, переключающего каждый динамический накопительный элемент, соответствующего блока динамических накопительных элементов, по схеме соединения последовательно при подключении к системе шин высокого класса напряжения, и/или по смешанной схеме соединения последовательно-параллельно при подключении к системе шин среднего класса напряжения, и/или по схеме соединения параллельно при подключении к системе шин низкого класса напряжения.

4. Трансформатор постоянного тока, характеризующийся тем, что содержит как минимум две гальванически не связанные между собой электрические системы шин разных классов постоянного напряжения с устройствами электрических вводов, к каждому из которых подключены стационарные буферные накопители электрической энергии постоянного тока соответствующих классов постоянного напряжения, как минимум одну электродинамическую систему, состоящую как минимум из одного блока накопительных элементов, построенных на основе комбинированных статических и динамических накопительных элементов, и трансформирующего коммутатора, переключающего каждый статический и динамический накопительный элемент соответствующего блока комбинированных статических и динамических накопительных элементов, по схеме соединения последовательно при подключении к системе шин высокого класса напряжения, и/или по смешанной схеме соединения последовательно-параллельно при подключении к системе шин среднего класса напряжения, и/или по схеме соединения параллельно при подключении к системе шин низкого класса напряжения.

5. Трансформатор постоянного тока по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что подключение и переключение накопительных элементов соответствующего блока электродинамической системы осуществляется трансформирующим коммутатором, имеющим механические коммутирующие элементы.

6. Трансформатор постоянного тока по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что подключение и переключение накопительных элементов соответствующего блока электродинамической системы осуществляется трансформирующим коммутатором, имеющим электромеханические коммутирующие элементы.

7. Трансформатор постоянного тока по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что подключение и переключение накопительных элементов соответствующего блока электродинамической системы осуществляется трансформирующим коммутатором, имеющим ионные коммутирующие элементы.

8. Трансформатор постоянного тока по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что подключение и переключение накопительных элементов соответствующего блока электродинамической системы осуществляется трансформирующим коммутатором, имеющим полупроводниковые коммутирующие элементы.

9. Трансформатор постоянного тока по любому из пп. 1-4, отличающийся тем, что подключение и переключение накопительных элементов соответствующего блока электродинамической системы осуществляется трансформирующим коммутатором, в составе которого в любой комбинации могут быть использованы механические, и/или электромеханические, и/или ионные, и/или полупроводниковые коммутирующие элементы.

10. Способ функционирования трансформатора постоянного тока (далее - ТПТ), заключающийся в том, что после подачи напряжения на стационарные буферные накопители электрической энергии постоянного тока, например трех энергосистем разных классов постоянного напряжения, трансформирующий коммутатор блока электродинамической системы ТПТ, находящийся в исходном отключенном положении, начинает переключать каждый накопительный элемент соответствующего блока накопительных элементов по схеме соединения последовательно при подключении к системе шин высокого класса напряжения, и/или по смешанной схеме соединения последовательно-параллельно при подключении к системе шин среднего класса напряжения, и/или по схеме соединения параллельно при подключении к системе шин низкого класса напряжения с подключением к стационарным буферным накопителям электрической энергии постоянного тока соответствующих классов постоянного напряжения двух или нескольких систем (напряжений) постоянного тока, и при этом каждый накопительный элемент соответствующего блока накопительных элементов трансформирующего коммутатора блока электродинамической системы будет заряжаться при подключении к стационарным буферным накопителям электрической энергии постоянного тока того класса постоянного напряжения, которые имеют более высокий уровень напряжения относительно номинального соответствующего класса постоянного напряжения, и соответственно будет разряжаться при подключении к стационарным буферным накопителям электрической энергии постоянного тока того класса постоянного напряжения, которые имеют более низкий уровень напряжения относительно номинального соответствующего класса постоянного напряжения, осуществляя, таким образом, обратимое преобразование постоянного напряжения между двумя или несколькими системами (напряжений) и/или гальваническую развязку в самых различных областях применения - электроэнергетике, а также радиотехнике и электронике.