Способ электроснабжения низковольтных потребителей электроэнергии постоянного тока, удаленных от источников электроэнергии

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для питания низковольтных потребителей постоянного тока от источников электроэнергии, удаленных от потребителей и размещенных в полевых условиях. Техническим результатом изобретения является повышение эффективности электроснабжения низковольтных потребителей электроэнергии. Сущность предлагаемого способа заключается в том, что на передающей стороне низковольтное напряжение постоянного тока от источника электроэнергии, размещаемого в подвижном объекте или на местности в полевых условиях, передают на преобразователь напряжения, который преобразует его в высоковольтное напряжение постоянного тока, далее высоковольтное напряжение передают по двухпроводной кабельной линии из легкого полевого кабеля к низковольтным потребителям электроэнергии. На приемном конце двухпроводной кабельной линии осуществляют обратное преобразование высоковольтного напряжения постоянного тока в низковольтное напряжение постоянного тока, осуществляют стабилизацию низковольтного напряжения постоянного тока и поддержание бесперебойности электроснабжения потребителей постоянным током посредством подключения аккумуляторной батареи в буферном режиме при пропадании источника электроэнергии или снижении параметров кабельной линии ниже допустимого предела. Устройство, реализующее предлагаемый способ, содержит на передающей стороне коммутационный аппарат, преобразователь напряжения постоянного тока, состоящий из входного фильтра, инвертора, повышающего трансформатора, выпрямителя и выходного фильтра, два блока управления линией электропередачи, кабельную линию, а на приемной стороне содержит преобразователь напряжения постоянного тока, состоящий из входного фильтра, инвертора, понижающего трансформатора, выпрямителя и импульсного стабилизатора напряжения и подключенную в буферном режиме аккумуляторную батарею. 1 ил.

 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для питания низковольтных потребителей постоянного тока от источников электроэнергии, удаленных от потребителей и размещенных в полевых условиях.

Известны способы питания низковольтных потребителей от электромеханического источника электроэнергии, например электроагрегата постоянного тока с номинальным напряжением 28,5 В мощностью до 500 Вт. Возможно питание потребителей непосредственно от блока питания на основе аккумуляторных батарей в сочетании с другими источниками электроэнергии. При этом передача электроэнергии к потребителям осуществляется по силовым кабельным линиям ограниченной длины, поскольку с увеличением ее протяженности возрастают потери напряжения в кабельных линиях.

При нахождении в полевых условиях и удалении низковольтных потребителей на значительные расстояния от основных источников электроэнергии очень остро встает вопрос организации бесперебойного питания таких потребителей.

Известны способы электроснабжения удаленных потребителей электроэнергии, основанные на преобразовании низковольтного напряжения переменного тока в высоковольтное напряжение переменного тока, передаче потребителю высоковольтного напряжения переменного тока по линии электропередачи, понижении на приемном конце напряжения переменного тока и преобразовании его в низковольтное постоянное напряжение с последующей передачей напряжения постоянного тока потребителю [1, 2, 3].

Известен способ питания потребителей постоянным током через стабилизированный преобразователь от источника ограниченной мощности с выходным напряжением, близким величине входного напряжения стабилизированного преобразователя, заключающийся в стабилизации напряжения на нагрузке стабилизированным преобразователем и включением в цепи первого источника дополнительного источника напряжения в работу при снижении напряжения первого источника на величину не менее напряжения дополнительного источника [4].

Основным недостатком известного способа питания является наличие основного источника в виде солнечной батареи, работа которого очень сильно зависит от погодных условий, то есть от длительности солнечного дня и степени заряда аккумуляторной батареи, что является большим ограничением в его применении.

Кроме того, такому способу присущи и те недостатки, касающиеся передачи напряжения постоянного тока на большие расстояния и потерь напряжения в силовой кабельной линии.

Целью изобретения является повышение эффективности электроснабжения низковольтных потребителей электроэнергии.

Поставленная цель достигается тем, что в способе электроснабжения низковольтных потребителей электроэнергии постоянного тока, удаленных от источников электроэнергии, заключающемся в преобразовании низковольтного напряжения постоянного тока от источника электроэнергии, размещаемого в подвижном объекте или на местности в полевых условиях, в высоковольтное напряжение постоянного тока, передаче высоковольтного напряжения постоянного тока по кабельной линии к потребителям электроэнергии, обратном преобразовании высоковольтного напряжения постоянного тока в низковольтное напряжение постоянного тока и приеме его у низковольтных потребителей электроэнергии, высоковольтное напряжение постоянного тока передают к потребителям электроэнергии по двухпроводной кабельной линии из легкого полевого кабеля, восстанавливают параметры низковольтного напряжения постоянного тока у удаленных потребителей, осуществляют стабилизацию принятого напряжения и обеспечивают у удаленных потребителей автоматическое поддержание бесперебойности электроснабжения постоянным током посредством подключения в буферном режиме аккумуляторной батареи на выходе преобразователя высоковольтного напряжения постоянного тока в низковольтное при снижении выходного низковольтного напряжения ниже допустимого.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый способ электроснабжения низковольтных потребителей электроэнергии постоянного тока, удаленных от источников электроэнергии, отличается от известного тем, что высоковольтное напряжение постоянного тока передают к потребителям электроэнергии по двухпроводной линии из легкого полевого кабеля, восстанавливают параметры низковольтного напряжения постоянного тока у удаленных потребителей, осуществляют стабилизацию принятого напряжения и обеспечивают у удаленных потребителей автоматическое поддержание бесперебойности электроснабжения постоянным током.

Таким образом, заявляемый способ электроснабжения низковольтных потребителей электроэнергии постоянного тока, удаленных от источников электроэнергии, соответствует критерию изобретения "новизна". Сравнение заявляемого решения по способу и устройству для реализации упомянутого способа с другими техническими решениями показывает, что выполнение способа и устройства для его реализации осуществляются достаточно просто и при этом не потребуется дополнительного технического творчества.

Сравнение заявленного способа с известным способом показывает, что в предлагаемом способе электроснабжения низковольтных потребителей передача напряжения от источника электроэнергии к удаленному потребителю осуществляется по двухпроводной кабельной линии из легкого полевого кабеля. Применение легкого двухпроводного полевого кабеля взамен четырехпроводного силового кабеля способствует существенному сокращению массогабаритных и стоимостных показателей линии электропередачи, что является экономически выгодным фактом.

Выполнение указанных операций и введение новых блоков в указанной связи с остальными элементами схемы в устройство для реализации заявляемого способа электроснабжения низковольтных потребителей электроэнергии постоянного тока, удаленных от источников электроэнергии, приводит к повышению эффективности электроснабжения за счет снижения потерь напряжения в линии электропередачи и к улучшению показателей качества электроэнергии. Это позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого способа и технического решения по его реализации критерию "существенные отличия".

На чертеже представлена структурная схема устройства, реализующая способ согласно изобретению.

Сущность предлагаемого способа электроснабжения низковольтных потребителей электроэнергии постоянного тока, удаленных от источников электроэнергии, заключается в следующем.

На передающей стороне низковольтное напряжение постоянного тока от источника электроэнергии, размещаемого в подвижном объекте или на местности в полевых условиях, передают на преобразователь напряжения, который преобразует его в высоковольтное напряжение постоянного тока, далее высоковольтное напряжение передают по двухпроводной кабельной линии из легкого полевого кабеля к низковольтным потребителям электроэнергии.

На приемном конце двухпроводной кабельной линии осуществляют обратное преобразование высоковольтного напряжения постоянного тока в низковольтное напряжение постоянного тока, осуществляют стабилизацию низковольтного напряжения постоянного тока и поддержание бесперебойности электроснабжения потребителей постоянным током посредством подключения аккумуляторной батареи в буферном режиме при пропадании источника электроэнергии или снижении параметров кабельной линии ниже допустимого предела.

На чертеже представлена функциональная схема устройства, реализующего предлагаемый способ согласно изобретению.

Устройство, реализующее предлагаемый способ электроснабжения низковольтных потребителей электроэнергии постоянного тока, удаленных от источников электроэнергии, содержит на передающей стороне коммутационный аппарат 1, преобразователь 2 напряжения постоянного тока, состоящий из входного фильтра 3, инвертора 4, повышающего трансформатора 5, выпрямителя 6 и выходного фильтра 7, первый блок 8 управления линией электропередачи, кабельную линию 9, а также содержит на приемной стороне преобразователь 10 напряжения постоянного тока, состоящий из входного фильтра 11, инвертора 12, понижающего трансформатора 13, выпрямителя 14 и импульсного стабилизатора 15 напряжения, подключенную в буферном режиме аккумуляторную батарею 16 и второй блок 17 управления линией электропередачи.

На передающей стороне низковольтное напряжения постоянного тока от источника электроэнергии через замыкающие контакты коммутационного аппарата 1 подключено ко входу входного фильтра 3 преобразователя 2 напряжения постоянного тока, выход входного фильтра 3 соединен со входом инвертора 4, выход которого соединен со входом первичной обмотки повышающего трансформатора 5, выход вторичной обмотки которого соединен со входом выпрямителя 6, выход которого через выходной фильтр 7 соединен с кабельной линией 9, другой конец которой на приемной стороне соединен со входом входного фильтра 11 преобразователя 10 напряжения постоянного тока, выход которого соединен с инвертором 12, выход которого соединен с первичной обмоткой понижающего трансформатора 13, выход которого соединен со входом выпрямителя 14, выход которого соединен со входом импульсного стабилизатора 15 напряжения, выход которого соединен со входом низковольтного потребителя и с аккумуляторной батареей 16, работающей в буферном режиме.

Входы-выходы первого блока 8 управления линией электропередачи соединены с кабельной линией 9, а управляющий выход первого блока 8 управления соединен с управляющим входом коммутационного аппарата 1. На приемной стороне входы-выходы второго блока 17 управления линией электропередачи соединены с другим концом кабельной линии 9, а питающий вход второго блока 17 управления линией электропередачи подключен к аккумуляторной батарее 16.

Входной фильтр 3, выходной фильтр 7 и входной фильтр 11 на приемной стороне предназначены для сглаживания пульсаций преобразуемого напряжения и снижения уровня помех, наводимых в кабельной линии 9 и создаваемых устройством для реализации предлагаемого способа электроснабжения.

В качестве таких фильтров могут быть использованы фильтры, описанные в [1, 5].

Преобразователь 2 напряжения на передающей стороне предназначен для преобразования низковольтного напряжения постоянного тока, например, 27 В в высоковольтное напряжение постоянного тока, например, 1000 В и передачи его в кабельную линию 9. При этом инвертор 4 предназначен для преобразования напряжения постоянного тока в импульсное высокочастотное напряжение, которое посредством повышающего трансформатора 5 доводится до величины в 1000 В переменного тока. Выпрямитель 6 осуществляет преобразование поступившего с выхода повышающего трансформатора 5 напряжения переменного тока в постоянное высоковольтное напряжение той же величины, например, 1000 В.

Преобразователь напряжения 2 может быть выполнен в соответствии с патентом РФ на изобретение №2249905 [6].

На приемной стороне инвертор 12 предназначен для преобразования напряжения постоянного тока, поступившего на его вход с кабельной линии 9 через входной фильтр 11, в импульсное напряжение той же величины, которое понижающим трансформатором 13 доводится до величины в 27 В переменного тока и передается на вход выпрямителя 14. Выпрямитель 14 предназначен для преобразования поступившего напряжения 27 В переменного тока в напряжение постоянного тока и передачи его на вход импульсного стабилизатора 15 напряжения.

Импульсный стабилизатор 15 напряжения представляет собой устройство, предназначенное для регулирования параметров преобразованного выходного напряжения, принятого с кабельной линии 9 от удаленного источника электроэнергии. Он построен с использованием импульсной системы регулирования на основе широтно-импульсной модуляции (ШИМ) и может быть выполнен по одной из множества схем, приведенных в [5, с.308].

Первый 8 и второй 17 блоки управления линией электропередачи предназначены для осуществления управления процессом передачи электроэнергии от источника к низковольтному потребителю электроэнергии путем включения и выключения линии электропередачи, контроля за состоянием сопротивления изоляции кабельной линии 9 и защиты устройства от короткого замыкания на кабельной линии 9 в случае резкого снижения ее сопротивления изоляции.

Блоки управления 8 и 17 устройства с системой регулирования на основе ШИМ могут содержать делитель напряжения, источник опорного напряжения, два сравнивающих элемента, усилитель рассогласования, формирователь синхронизирующего напряжения и пороговое устройство, а также приемник информационно-управляющих сигналов и формирователь управляющих команд.

Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии линия электропередачи выключена за счет разомкнутых контактов коммутационного аппарата 1. Одновременно линия электропередачи, включая кабельную линию 9, находится под постоянным контролем первого 8 и второго 17 блоков управления линией электропередачи. Контроль линии электропередачи производится путем оценки состояния сопротивления изоляции кабельной линии 9 и наличия короткого замыкания на ней и обмена информационными сигналами в виде рекурентной последовательности между первым 8 и вторым 17 блоками управления. При получении от блока управления 17 данных с нормальными параметрами кабельной линии блок управления 8 выдает управляющее напряжение на вход коммутационного аппарата 1, который, сработав под действием управляющего напряжения, замыкает свои контакты и включает тем самым линию электропередачи в работу. В этом случае низковольтное напряжение постоянного тока с выхода удаленного источника электроэнергии (УИЭ) поступает через входной фильтр 3 на вход инвертора 4. Инвертор 4 преобразует поступившее низковольтное напряжение в высоковольтное напряжение прямоугольной формы повышенной частоты, например, 20 кГц, которое через повышающий высоковольтный трансформатор 5 поступает на вход выпрямителя 6. Выпрямитель 6 осуществляет преобразование высоковольтного напряжения переменного тока в высоковольтное напряжение постоянного тока и передает через выходной фильтр 7 в кабельную линию 9.

На приемной стороне высоковольтное напряжение постоянного тока с кабельной линии 9 через входной фильтр 11 преобразователя напряжения 10 поступает на вход инвертора 12, который преобразует высоковольтное напряжение постоянного тока в высоковольтное напряжение переменного тока и передает его на вход понижающего трансформатора 13, с выхода которого низковольтное напряжение переменного тока передается на вход выпрямителя 14, который преобразует его в низковольтное напряжение постоянного тока и передает на вход импульсного стабилизатора 15 напряжения. Импульсный стабилизатор 15 напряжения осуществляет (у низковольтного потребителя) стабилизацию напряжения на нагрузке Uн путем изменения длительности (коэффициента заполнения γ) импульсов управления, то есть за счет применения широко известного в электротехнике широтно-импульсного метода регулирования напряжения, и передает его потребителю электроэнергии (ПЭ).

При снижении уровня напряжения, поступающего от источника электроэнергии, ниже допустимого или при его пропадании электропитание потребителя осуществляется от аккумуляторной батареи 16, которая в буферном режиме постоянно подключена к выходу импульсного стабилизатора 15 напряжения. Этим самым обеспечивается в предлагаемом способе поддержание бесперебойности электроснабжения низковольтных потребителей электроэнергии.

Защита линии электропередачи от перегрузок осуществляется путем контроля тока в линии блоками управления 8 и 17. Защита линии от коротких замыканий, снижения сопротивления изоляции кабельной линии 9 и обслуживающего персонала от поражения электрическим током осуществляется за счет контроля наличия в кабельной линии рекурентной последовательности, выдача которой прерывается в случаях снижения сопротивления изоляции ниже допустимого предела, коротких замыканий и обрыва кабельной линии.

Одновременно с этим при пропадании источника электроэнергии с блока управления 17 прекращается выдача рекуренты в сторону блока управления 8 на передающей стороне. Отсутствие рекуренты на блоке управления 8 является сигналом для отключения линии электропередачи, которое осуществляется путем размыкания контактов коммутационного аппарата 1 под действием управляющего напряжения, сформированного и поступающего с выхода блока управления 8 линией электропередачи.

Техническая эффективность от предлагаемого способа электроснабжения низковольтных потребителей электроэнергии постоянного тока, удаленных от источников электроэнергии, заключается в повышении эффективности электроснабжения, достигаемого за счет преобразования низковольтного напряжения в высоковольтное, осуществления управления линией электропередачи и использования для передачи напряжения постоянного тока двухпроводной кабельной линии связи из легкого полевого кабеля, серийно выпускаемого промышленностью, введения новых блоков в устройство для реализации предлагаемого способа, которые способствуют также улучшению показателей качества электроэнергии, обеспечению автоматической защиты линии электропередачи от короткого замыкания и обслуживающего персонала от поражения электрическим током.

При этом достигается улучшение показателей качества выходного напряжения при низком качестве напряжения первичного источника питания, которое обусловлено переходными процессами при изменении режимов работы и характеризуется наличием импульсов напряжения, амплитудное значение которых в несколько раз превышает номинальное значение напряжения, а длительность измеряется секундами.

Проведенные расчеты показали, что использование для передачи электроэнергии на расстояние до 1000 метров взамен силового четырехпроводного кабеля двухпроводной кабельной линии из легкого полевого кабеля приводит к существенному сокращению массы кабеля (вместо 700-800 кг потребуется кабель массой всего 7-10 кг), способствует соответственно резкому сокращению времени развертывания такой линии и количества обслуживающего персонала.

Источники информации

1. Костиков В.Г., Никитин И.Е. Источники электропитания высокого напряжения РЭА. - М.: Радио и связь, 1986, с.10-22, 100-125.

2. RU, патент №2027277, кл. Н02J 3/02, H02М 5/40, 1995.

3. SU, авторское свидетельство №130973, кл. Н02Р 9/04, 1960.

4. RU, патент №2287885, кл. Н02J 7/34, 2006 (прототип).

5. Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры: Справочник/Г.С.Найвельт, К.Б.Мазель, Ч.И.Хусаинов и др./Под ред. Г.С.Найвельта. - М.: Радио и связь, 1985, с.306-404.

6. RU, патент №2249905, кл. Н02М 3/335, G05F 1/44, 2005.

7. Бас А.А. и др. Источники вторичного электропитания с бестрансформаторным входом / А.А.Бас, В.П.Миловзоров, А.К.Мусолин. - М.: Радио и связь, 1987, с.5-11, 34-63.

Способ электроснабжения низковольтных потребителей электроэнергии постоянного тока, удаленных от источников электроэнергии, заключающийся в преобразовании низковольтного напряжения постоянного тока от источника электроэнергии, размещаемого в подвижном объекте или на местности в полевых условиях, в высоковольтное напряжение постоянного тока, передаче высоковольтного напряжения постоянного тока по кабельной линии к потребителям электроэнергии, обратном преобразовании высоковольтного напряжения постоянного тока в низковольтное напряжение постоянного тока и приеме его у низковольтных потребителей электроэнергии, отличающийся тем, что высоковольтное напряжение постоянного тока передают к потребителям электроэнергии по двухпроводной кабельной линии из легкого полевого кабеля, восстанавливают параметры низковольтного напряжения постоянного тока у удаленных потребителей, осуществляют стабилизацию принятого напряжения и обеспечивают у удаленных потребителей автоматическое поддержание бесперебойности электроснабжения постоянным током посредством подключения в буферном режиме аккумуляторной батареи на выходе преобразователя высоковольтного напряжения постоянного тока в низковольтное при снижении выходного низковольтного напряжения ниже допустимого.