Способ и устройство для передачи электрической энергии Российский патент 2024 года по МПК H02J3/20 

Изобретение относится к области электротехники и электродинамики, к способу и устройству для передачи электрической энергии.

Известны способ и устройство для преобразования и передачи электрической энергии по однопроводной линии на большое расстояние, разработанные Н. Тесла в 1897 году. Согласно изобретению Н. Тесла, устройство состоит из двух трансформаторов, один для повышения, а другой для уменьшения потенциала тока, указанные трансформаторы имеют вывод обмотки соединённый с линией, и другой вывод этой обмотки соединён электрически с землей.

Устройство, придуманное Тесла не имеет обратной связи для поддержания напряжения в однопроводной линии. (Н.Тесла. Электрический трансформатор. Пат. США № 593138 от 02.11.1897 г.).

Недостатком известных способов и устройств является невозможность его использования для передачи электрической энергии из-за отсутствия обратной связи между повышающим потенциал трансформатором и генератором при изменении нагрузки у потребителя.

Известны способы и устройства настройки линий электропередач на полуволновые линии напряжения, магистральных трёхфазных линий передачи электрической энергии частотой 50 Гц (Веников В.А., Сиуда И.П. Расчёты режимов дальних электропередач переменного тока//М.: "Высшая школа", 1966. -143 с. Яворский В.В. Настройка линий нормальной частоты на полуволну для передачи больших мощностей // Электричество, 1932, №11. С.605-606. Чернышева Е.А. Пропускная способность линий передачи с трансформаторами по концам и настройка линий на половину волны напряжений// Электричество, 1933, № 6-7. С. 19-24).

Недостатком известных способов и устройств является то, что эти трёхфазные линии передачи электрической энергии, чтобы настроить недлинные лини до 100 км на частоте 50 Гц, нужны дорогие трёхфазные катушки увеличения (распределенной) индуктивности линии.

Все однопроводные резонансные передачи электроэнергии на повышенной частоте рассматриваются как передачи по всевозможным однопроводным линиям и всевозможным вариантам системы преобразовании электроэнергии для потребителей. Единственно, что у них общего это частотный преобразователь с высоковольтным высокочастотным трансформатором Тесла и однопроводной линией с различными вариантами.

Недостатком известных способов и устройств является, то, что при их проектировании и изготовлении не рассматривалась возможность настраивать и использовать как полуволновые передачи электрической энергии.

Известный способ и устройство для передачи электрической энергии по однопроводной высоковольтной линии представляет источник переменного напряжения с регулируемой частотой, высокочастотный трансформатор, один вывод высоковольтной секции которого изолирован, а второй предназначен для подачи энергии потребителю (Авраменко С.В. «Способ питания электротехнических устройств и устройство для его осуществления»), (Патент РФ № 2108649 H02J 3/00, 1995).

Способ заключается в том, что напряжение генератора подают на низковольтную обмотку высокочастотного трансформаторного преобразователя, а один из выводов высоковольтной обмотки этого преобразователя соединяют с одной из выходных клемм питаемого электротехнического устройства, при этом изменением частоты генератора добиваются установления резонансных колебаний в образованной электрической цепи.

Устройство содержит генератор переменного напряжения и средства передачи электроэнергии потребителю. Средство передачи электроэнергии потребителю представляет собой высокочастотный трансформаторный преобразователь, первичная низковольтная обмотка которого подключена к генератору переменного напряжения, один из выводов вторичной высоковольтной обмотки снабжен средством соединения его с одной из входных клемм потребителя электроэнергии, а другой вывод этой обмотки изолирован, при этом генератор переменного напряжения снабжён средством изменения частоты.

Недостатком известных способа и устройства является, вместо понижающего трансформатора Тесла в конце линии установлен 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. 1971 г., изд-во Энергия, т.1, стр.871).

Недостатком всех известных способов и устройств передачи электрической энергии так же является то, что они не позволяют обеспечить высокоэффективную передачу электрической энергии на большое расстояние, а так же то, что приёмные понижающие преобразователи напряжения имеют на выходе только одно напряжение, зависящее от вида и динамики нагрузки.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу и устройству является Патент РФ с авторами Юферев Л. Ю., Рощин О. А., Межирицкий Е.Л., Морозов В. В., Жучков А. Г., Стребков Д. С. «Устройство передачи электрической энергии в ракетно-космических комплексах». (Варианты). Патент РФ № 2521108 H02J 7/02 (2006/01). Изобретение относится к устройству для передачи электрической энергии и содержит преобразователь частоты, повышающий резонансный контур, однопроводную линию электропередачи и понижающий трансформатор, средняя точка резонансного контура соединена с блоком обратной связи для автоматической подстройки выходного напряжения и поддержания частоты электропередачи, а понижающий трансформатор имеет несколько выходных обмоток для подключения нагрузок с разными напряжениями, при этом одна из обмоток также подключена к блоку обратной связи преобразователя частоты, для точной подстройки выходного напряжения в нагрузках.

Принципиальное отличие предлагаемого способа и устройства передачи электрической энергии, является однопроводная резонансная линия, которая настраивается на полуволновую передачу, за счёт установки и настройки трёх катушек или более увеличения (распределенной) индуктивности линии, в начале линии, посередине и в конце линии или если катушек несколько, то распределяют их по всей линии равномерно. Это позволяет настроить и получить полноценную полуволновую линию на любой частоте 1-25 кГц, и любую длину передачи, начиная с 3 км, 30 км и более, так как максимальная длинна линии 0.4 кВ, не должна превышать 3 км по объективным причинам, а 10 кВ линию на это расстояние прокладывать не рентабельно. Поскольку линия полуволновая, то напряжение в начале линии и в конце линии почти одинаковое даже при изменении нагрузки у потребителя, передаваемая мощность поддерживается за счёт изменения напряжения, следовательно, появляется возможность поддерживать постоянное напряжения, в конце линии используя обратную связь, в начале линии регулируя напряжения в нагрузки. В конце линии подключён широкополосный высокочастотный трансформатор на ферритовом сердечнике.

Технической задачей изобретения является передача электроэнергии по однопроводной резонансной линии в режиме полуволны на любые расстояния, начиная с 3 км, повышение КПД передачи электрической мощности.

Технический результат экономичной передачи электроэнергии однопроводной резонансной полуволновой линии (ОРПЛ) достигается за счёт полуволновой передачи, когда в середине полуволновой линии напряжение максимально, а ток минимальный, при этом КПД передаваемой мощности даже выше, чем у передачи постоянного ток, при сравнимых параметрах. Линия постоянного тока двухпроводная, а полуволновая линия однопроводная.

Технический результат достигается тем, что способ и устройство передачи электрической энергии по ОРПЛ, содержит частотный преобразователь с резонансным трансформатором Тесла, ОРПЛ в которую входят три катушки или более увеличение (распределенной) индуктивности линии в начале линии, посередине и в конце линии или если катушек несколько, то распределяют их по всей линии равномерно, что позволяет настроить и получить полноценную полуволновую линию на любую частоту 1-25 кГц, и любую длину передачи, в конце линии подключён высоковольтный широкополосный частотный трансформатор, подключённый к выпрямителю, а он к инвертору, инвертор подключён к нагрузке у потребителя.

Преимущества и особенности способа и устройства, в ОРПЛ независимо от передаваемой мощности фазовый сдвиг по концам линии всегда составляет 180°(напряжения в противофазе), по критерию статической устойчивости ОРПЛ ведёт себя как линия нулевой длины, полуволновая линия по способу изменения потока активной мощности идентична линии постоянного тока, ОРПЛ по реактивной мощности сбалансирована во всех режимах, в то время, как в обычных линиях, реактивная мощность по их концам равна нулю, только в режимах натуральной мощности, прямо пропорциональная зависимость напряжения в середине линии от передаваемой мощности находится в прямом противоречии с поведением напряжения в середине обычных линий, где колебания напряжения составляют всего несколько процентов при изменении передаваемой мощности в широких пределах (от нуля до натуральной и более), причём повышение напряжения происходит при холостом ходу, у полуволновой линии напряжение в середине линии повторяет диапазон изменения передаваемой мощности, при расчёте пропускной способности линий вместо критерия устойчивости руководствуются допустимым уровнем напряжения в средней части линии, то есть по наибольшему рабочему напряжению, появляется возможность шунтирования ОРПЛ в средней точке, необычным свойством ОРПЛ по сравнению с традиционными линиями является то, что при шунтировании средней точки полуволной линии, токи по концам линии становятся равными нулю, так как шунтирование средней точки линии эквивалентно отключению линии по концам. Поэтому наличие в средней точке линии шунтирующего выключателя оказывается полезным для проведения коммутаций полуволновых линий в нормальных и аварийных режимах, ОРПЛ безразличны к качеству электроэнергии на входе, что делает актуальным их использование для буферной передачи электроэнергии от возобновляемых источников энергии в существующую сеть. Перечисленные способы и устройства, особенности полуволнового режима эксплуатации линий электропередач на качественном уровне могут быть объяснены электромагнитными свойствами стоячих волн напряжения и тока, физические свойства которых и подтверждают перечисленный выше набор столь необычных качеств.

Способ и устройство для передачи электрической энергии по однопроводной резонансной полуволновой линии поясняются чертежами.

На фиг. 1 представлена электрическая схема способа передачи электрической энергии по ОРПЛ; на фиг. 2 - график распределения токов и напряжений в ОРПЛ.

Способ передачи электрической энергии заключается в том, что электрическую энергию от электрической сети подают на частотный преобразователь, где её выпрямляют и силовыми ключами, управляемыми электронной схемой подают в резонансный контур. Электронная схема обратной связью контролирует напряжения в резонансном контуре. Контур состоит, из низковольтной катушки и конденсаторного блока высоковольтного высокочастотного трансформатора Тесла 2. Трансформатор Тесла 2 состоит, из ферритового сердечника и намотанных на него высоковольтной и низковольтной катушек. Электрическая энергия из низковольтной катушки индуцируется в высоковольтную катушку. Низковольтный конец высоковольтной катушки соединяют с контуром заземления через конденсатор, создавая гальваническую развязку между заземляющим контуром и высоковольтной катушкой. Высоковольтный конец высоковольтной катушки соединяют с однопроводной резонансной полуволновой линией через конденсатор, создавая гальваническую развязку между высоковольтной катушкой и линией. Электрическая энергия из высоковольтной катушки поступает в ОРПЛ, настроенную линию на полуволну в зависимости от её протяженности, общей индуктивности линии, которая состоит из индуктивности высоковольтной катушки трансформатора Тесла, подключённой к началу линии. Индуктивность самой линии состоит из собственной индуктивности, индуктивности трёх или более катушек увеличения (распределенной) индуктивности, подключённых равномерно вдоль линии, индуктивности высоковольтной катушки широкополосного высокочастотного трансформатора подключённого к концу линии высоковольтным концом, а низковольтным концом к контуру заземления на приёмной стороне. Затем электрическая энергия из ОРПЛ через высоковольтный конец высоковольтной катушки широкополосного высокочастотного трансформатора попадает в высоковольтную катушку и индуцируется в низковольтную катушку этого трансформатора. Низковольтная катушка, подключённая к выпрямителю и далее к инвертору, а дальше электрическая энергия передаётся потребителю.

Устройство передачи электрической энергии содержит частотный преобразователь 1, высоковольтный высокочастотный трансформатор Тесла 2, низковольтную катушку индуктивности L_1, конденсаторный блок С₁, высоковольтную катушку индуктивности L₂, конденсатор заземления С₂, конденсатор С₃, однопроводную резонансную полуволновую линию 3 с её индуктивности L₃, три или более последовательно соединенных вдоль линии 3 катушки увеличения (распределенной) индуктивности 4: L₄, L₅, L₆,и т.д., высоковольтный, высокочастотный широкополосный трансформатор 5, состоящий из высоковольтной катушки индуктивности L₇ и низковольтной катушки индуктивности L₈, выпрямителя 6 и инвертора 7.

Устройство однопроводной резонансной полуволновой передачи электрической энергии работает следующим образом.

Электрическую энергию от электрической сети подают на частотный преобразователь 1, где она выпрямляется и силовыми ключами, управляемыми электронной схемой, генерирует электрическую энергию с частотой резонанса передачи, контролируемой обратной связью. Электроэнергию подают на резонансный контур состоящий из конденсаторного блока С₁ и низковольтной катушки индуктивности L₁ высоковольтного высокочастотного трансформатора Тесла 2, который состоит из ферритового сердечника с намотанными на него высоковольтной L₁ и низковольтной L₂ катушек. Электрическая мощность из низковольтной катушки L₁ индуцируется в высоковольтную катушку L₂, которая своим низковольтным концом через конденсатор С₂ соединена с контуром заземления, который предназначен для создания гальванической развязки между заземляющим контуром и высоковольтной катушкой L₂. Высоковольтный конец высоковольтной катушки L₂ соединён с однопроводной резонансной полуволновой линией 3 через конденсатор С₃, для создания гальванической развязки между высоковольтной катушкой L₂ и ОРПЛ. Таким образом, линия 3, имеет с землёй, только ёмкостную связь и при контакте с животным будет происходить ёмкостной разряд как при контакте с электроизгородью. Для того, чтобы создать полуволну (настроенную линию) на линии 3 в зависимости от её протяженности и общей индуктивности рассчитывают индуктивность катушек увеличения (распределенной) индуктивности 4 - L₃, L₄, L₅, и т.д., изготавливают их и устанавливают в начале, посередине и в конце линии 3 или распределяют равномерно по всей линии. Таким образом, длина ОРПЛ составляет длину от передающего контура заземления до приёмного контура заземления с учётом катушек увеличения (распределенной) индуктивности. Полуволновая линия создаётся на любую электрическую длину линии, начиная с 3 км и более. Существующие линии 0,4 кВ по объективным причинам не превышают 3 км, а для линии 10 кВ прокладывать линию на такие расстояния нерентабельно.

Изобретение относится к электротехнике и электродинамике, в частности к способу и устройству для передачи электрической энергии. Cпособ передачи электрической энергии заключается в том, что электрическую энергию от электрической сети подают на частотный преобразователь, где она преобразуется в высоковольтную высокочастотную электроэнергию и передаётся по однопроводной резонансной полуволновой линии (настроенной линии), настроенную на полуволну с учётом общей электрической длины от заземляющего контура передачи до заземляющего контура приёмника и нескольких катушек увеличения распределенной индуктивности, включённых в линию. ОРПЛ является самой экономичной передачей электрической энергии, это достигается за счёт полуволновой передачи, когда в середине полуволновой линии напряжение максимально, а ток минимальный, КПД передаваемой мощности даже выше, чем у передачи постоянного тока при сравнимых параметрах. Линия постоянного тока двухпроводная, а полуволновая линия однопроводная. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ передачи электрической энергии, заключающийся в том, что электрическую энергию от электрической сети подают на частотный преобразователь, где её выпрямляют и силовыми ключами, управляемыми электронной схемой, генерируют электрическую мощность с частотой резонанса передачи, которую контролируют, используя обратную связь, и подают в резонансный контур, состоящий из конденсаторного блока и индуктивности низковольтной катушки высоковольтного высокочастотного трансформатора Тесла, состоящего из ферритового сердечника и намотанных на него высоковольтной и низковольтной катушек, электрическую энергию из низковольтной катушки индуцируют в высоковольтную катушку трансформатора Тесла, отличающийся тем, что электрическую энергию от высоковольтной катушки трансформатора Тесла, которая одним выводом через конденсатор подключена к контуру заземления, а другим выводом через другой конденсатор подключена к началу однопроводной резонансной полуволновой линии (ОРПЛ), передают от начала ОРПЛ через три или более последовательно соединенные, равномерно распределенные вдоль ОРПЛ индуктивности к концу ОРПЛ, между которым и приемным контуром заземления включена индуктивность высоковольтной катушки высокочастотного широкополосного трансформатора, электрическую энергию из высоковольтной катушки высокочастотного широкополосного трансформатора индуцируют в его низковольтную катушку и передают через выпрямитель к инвертору, а от инвертора к потребителю.

2. Устройство для передачи электрической энергии, содержащее подключенный к сети частотный преобразователь, высоковольтный высокочастотный трансформатор Тесла, состоящий из ферритового сердечника и намотанных на него высоковольтной и низковольтной катушек индуктивности, и конденсаторный блок, низковольтная катушка подключена к выходу частотного преобразователя через конденсаторный блок, образующий с индуктивностью низковольтной катушки резонансный контур, отличающееся тем, что высоковольтная катушка индуктивности одним выводом через конденсатор подключена к началу однопроводной резонансной полуволновой линии (ОРПЛ), а другим выводом через другой конденсатор соединена с контуром заземления, начало ОРПЛ соединено с её концом через три или более последовательно соединенные, равномерно распределенные вдоль ОРПЛ индуктивности, между концом ОРПЛ и приемным контуром заземления включена высоковольтная катушка высокочастотного широкополосного трансформатора, низковольтная катушка которого соединена с входом выпрямителя, выход которого подключен ко входу инвертора, выход которого предназначен для подключения к потребителю.