Результат интеллектуальной деятельности: ВТОРИЧНЫЙ ИСТОЧНИК БЕСПЕРЕБОЙНОГО ПИТАНИЯ С ОТБОРОМ МОЩНОСТИ ОТ ТОКА ФАЗНОГО ПРОВОДА

Изобретение относится к области электротехники, в частности к вторичным источникам питания.

Известен вторичный источник бесперебойного питания с отбором мощности от тока фазного провода, содержащий трансформатор тока, первичной обмоткой которого служит фазный провод, трансформатор напряжения, первичная обмотка которого подключена к вторичной обмотке трансформатора тока, а вторичная обмотка подключена к входу выпрямительного диодного моста с сглаживающей емкостью. Выходные зажимы выпрямительного диодного моста подключены к входным зажимам стабилизатора напряжения, выполненного по схеме DC-DC конвертора. Выходные зажимы DC-DC конвертора подключены к включенным параллельно нагрузке источника питания и аккумуляторной батарее (Бунин А.В., Вишняков С.В., Геворкян В.М., Казанцев Ю.А. и др. Проблема создания источника питания автономного комплексного измерительного устройства высокого напряжения. Тезисы доклада. Труды. XXII Международная конференция «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты» МКЭЭЭ-2008, Крым, Алушта, 24 сентября - 4 октября 2008 г. Секция 2 - Электромеханика, с.297-298).

Недостатком известного вторичного источника отбора мощности является сложность конструкции в сочетании с неустойчивостью работы в широком диапазоне изменения фазного тока в проводе линии передачи.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является вторичный источник бесперебойного питания с отбором мощности от фазного тока, содержащий трансформатор тока, первичная обмотка которого включена в цепь фазного провода, трансформатор напряжения, первичная обмотка которого подключена к вторичной обмотке трансформатора тока, а вторичная обмотка соединена с входом выпрямительного диодного моста с сглаживающим конденсатором, выходные зажимы выпрямительного диодного моста подключены к входным зажимам стабилизатора напряжения, выполненного по схеме DC-DC конвертора, а выходные зажимы DC-DC конвертора подключены к включенным параллельно нагрузке источника питания, аккумуляторной батарее и шунтирующим ветвям, управляемым делителями напряжения. Шунтирующие ветви включены параллельно входным зажимам стабилизатора напряжения и образованы последовательно соединенными транзистором и балластной нагрузкой, включенной в цепь коллектора транзистора, база которого подключена к выходу делителя напряжения, выполненного в виде последовательно соединенных резисторов, включенных параллельно входным зажимам стабилизатора напряжения (Патент РФ №2379742 от 25.12.08 г., G05F 1/618, БИ №2 от 20.01.10 г.).

Недостатком такого вторичного источника отбора мощности является сложность конструкции, определяемая трансформатором напряжения, в сочетании с большой мощностью, рассеиваемой в балластных нагрузках при работе в широком диапазоне изменения фазного тока в проводе линии передачи.

Техническим результатом изобретения является упрощение конструкции и одновременно уменьшение потерь мощности, рассеиваемой на элементах цепи вторичного источника отбора мощности.

Этот результат достигается тем, что известный вторичный источник бесперебойного питания с отбором мощности от тока фазного провода, содержащий первичный преобразователь, который образован кольцевым магнитопроводом, замкнутым вокруг фазного провода, на котором размещена вторичная обмотка, выходные зажимы которой образуют выходные зажимы первичного преобразователя, выпрямительный диодный мост, сглаживающий полярный конденсатор, преобразователь-стабилизатор напряжения, выполненный по схеме DC-DC конвертора, выходные зажимы DC-DC конвертора подключены к нагрузке источника питания, и аккумуляторную батарею, снабжен неполярным конденсатором, разрядником газовым, стабилизатором напряжения, ограничителем тока, токовым шунтом для контроля тока аккумуляторной батареи, токовым шунтом для контроля тока нагрузки, диодом автоматического подключения аккумуляторной батареи, аналого-цифровым преобразователем контроля напряжения аккумуляторной батареи, аналого-цифровым преобразователем контроля тока аккумуляторной батареи, аналого-цифровым преобразователем контроля напряжения нагрузки, аналого-цифровым преобразователем контроля тока нагрузки, аналого-цифровым преобразователем контроля напряжения сглаживающего полярного конденсатора, вторичная обмотка содержит число витков, которое определяется соотношением

,

где U - действующее значение выходного напряжения первичного преобразователя в режиме холостого хода, l_ср - средняя линия кольцевого магнитопровода, S - поперечное сечение кольцевого магнитопровода, k - производная линейного участка основной кривой намагничивания материала кольцевого магнитопровода с размерностью , I_min - минимальное значение силы тока в фазном проводе, вторичная обмотка и неполярный конденсатор образуют последовательную цепь, подключенную к входу выпрямительного диодного моста, параллельно зажимам которого включен разрядник газовый, параллельно выходным зажимам выпрямительного диодного моста включен стабилизатор напряжения, выходные зажимы выпрямительного диодного моста через последовательно включенный ограничитель тока присоединены к включенным параллельно входам зарядного устройства, преобразователя-стабилизатора напряжения и сглаживающего полярного конденсатора, выходной зажим положительного потенциала зарядного устройства присоединен к положительному зажиму аккумуляторной батареи, к которому присоединен и один из зажимов входа аналого-цифрового преобразователя контроля напряжения аккумуляторной батареи и положительный вывод диода автоматического подключения аккумуляторной батареи, другой зажим аналого-цифрового преобразователя контроля напряжения аккумуляторной батареи присоединен к общей точке - массе вторичного источника питания, отрицательный вывод диода автоматического подключения аккумуляторной батареи присоединен к положительному зажиму входа зарядного устройства, отрицательный зажим аккумуляторной батареи через последовательно включенный токовый шунт для контроля тока аккумуляторной батареи присоединен к массе вторичного источника питания, параллельно токовому шунту для контроля тока аккумуляторной батареи подключен вход аналого-цифрового преобразователя контроля тока аккумуляторной батареи, параллельно зажимам сглаживающего полярного конденсатора присоединены зажимы аналого-цифрового преобразователя контроля напряжения сглаживающего полярного конденсатора, выходной зажим преобразователя-стабилизатора напряжения с положительным потенциалом присоединен к первому зажиму нагрузки и к одному из зажимов входа аналого-цифрового преобразователя контроля напряжения нагрузки, другой из зажимов которого присоединен к массе вторичного источника питания, выходной зажим преобразователя-стабилизатора напряжения с отрицательным потенциалом присоединен к концу токового шунта для контроля тока нагрузки, другой конец которого присоединен к второму зажиму нагрузки и к одному из зажимов входа аналого-цифрового преобразователя контроля тока нагрузки, другой из зажимов которого присоединен к массе вторичного источника питания.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором показана функциональная схема вторичного источника бесперебойного питания с отбором мощности от тока фазного провода.

Вторичный источник бесперебойного питания с отбором мощности от тока фазного провода 1 содержит первичный преобразователь 2, который образован кольцевым магнитопроводом 3, замкнутым вокруг фазного провода 1, на котором размещена вторичная обмотка 4, выходные зажимы 5 и 6 которой образуют выходные зажимы первичного преобразователя 2, выпрямительный диодный мост 7, сглаживающий полярный конденсатор 8, преобразователь-стабилизатор напряжения 9, выполненный по схеме DC-DC конвертора, причем выходные зажимы 10 и 11 DC-DC конвертора подключены к нагрузке 12 источника питания, аккумуляторную батарею 13, зарядное устройство 14, неполярный конденсатор 15, разрядник газовый 16, стабилизатор напряжения 17, ограничитель тока 18, токовый шунт 19 для контроля тока аккумуляторной батареи 13, токовый шунт 20 для контроля тока нагрузки 12, диод 21 автоматического подключения аккумуляторной батареи 13, аналого-цифровый преобразователь 22 контроля напряжения аккумуляторной батареи 13, аналого-цифровой преобразователь 23 контроля тока аккумуляторной батареи 13, аналого-цифровой преобразователь 24 контроля напряжения нагрузки 12, аналого-цифровой преобразователь 25 контроля тока нагрузки 12, аналого-цифровой преобразователь 26 контроля напряжения сглаживающего конденсатора 8.

Выходные зажимы вторичной обмотки 4, вторичная обмотка 4 и неполярный конденсатор 15 образуют последовательную цепь, подключенную к входу выпрямительного диодного моста 7, параллельно зажимам которого включен разрядник газовый 16. Параллельно выходным зажимам выпрямительного диодного моста 7 включен стабилизатор напряжения 17, выходные зажимы выпрямительного диодного моста 7 через последовательно включенный ограничитель тока 18 присоединены к включенным параллельно входам зарядного устройства 14, преобразователя-стабилизатора напряжения 9 и сглаживающего полярного конденсатора 8. Выходной зажим 27 положительного потенциала зарядного устройства 14 присоединен к положительному зажиму 28 аккумуляторной батареи 13, к которому присоединен и один из зажимов входа аналого-цифрового преобразователя 22 контроля напряжения аккумуляторной батареи и положительный вывод диода 21 автоматического подключения аккумуляторной батареи 13, другой зажим аналого-цифрового преобразователя 22 контроля напряжения аккумуляторной батареи 13 присоединен к общей точке - массе 29 вторичного источника питания, отрицательный вывод диода 21 автоматического подключения аккумуляторной батареи 13 присоединен к положительному зажиму 30 входа зарядного устройства 14, отрицательный зажим аккумуляторной батареи 13 присоединен к концу токового шунта 19 для контроля тока аккумуляторной батареи 13, другой конец которого присоединен к массе 29 вторичного источника питания, параллельно токовому шунту 19 для контроля тока аккумуляторной батареи 13 подключен вход аналого-цифрового преобразователя 23 контроля тока аккумуляторной батареи 13, параллельно зажимам сглаживающего полярного конденсатора 8 присоединены зажимы аналого-цифрового преобразователя 26 контроля напряжения сглаживающего полярного конденсатора 8, выходной зажим 10 преобразователя-стабилизатора напряжения 9 с положительным потенциалом присоединен к первому зажиму нагрузки 12 и к одному из зажимов входа аналого-цифрового преобразователя 24 контроля напряжения нагрузки, другой из зажимов которого присоединен к массе 29 вторичного источника питания, выходной зажим преобразователя-стабилизатора напряжения 9 с отрицательным потенциалом присоединен к концу токового шунта 20 для контроля тока нагрузки 12, другой конец токового шунта 20 для контроля тока нагрузки 12 к зажиму нагрузки 12 и к одному из зажимов входа аналого-цифрового преобразователя 25 контроля тока нагрузки 12, другой из зажимов которого присоединен к массе 29 вторичного источника питания.

Вторичный источник бесперебойного питания с отбором мощности от тока фазного провода работает следующим образом.

Ток, протекающий в фазном проводе 1, возбуждает переменное магнитное поле в магнитопроводе 3, напряженность которого приближенно определена соотношением ,

где I - значение силы тока в фазном проводе, l_ср - средняя линия магнитопровода, замкнутого вокруг фазного провода 1. Напряженность магнитного поля H в соответствии с основной кривой намагничивания материала магнитопровода 3 наводит на выходных зажимах 5 и 6 вторичной обмотки 4, которые образуют выходные зажимы первичного преобразователя 2, напряжение, пропорциональное числу витков W. Требуемое число витков вторичной обмотки определяется соотношением ,

где U - действующее значение выходного напряжения первичного преобразователя 2 в режиме холостого хода, l_ср - средняя линия замкнутого магнитопровода, S - поперечное сечение магнитопровода, k - производная линейного участка основной кривой намагничивания материала магнитопровода с размерностью , I_min - минимальное значение силы тока в фазном проводе.

Образованный первичный преобразователь 2 качественно отличается от трансформаторов напряжения тем, что не содержит традиционной первичной обмотки, которая формируется аналогично трансформатору тока в виде провода - фазного провода 1, пропущенного в отверстие магнитопровода 3, поэтому напряженность магнитного поля в нем формируется согласно закону полного тока. При этом приближенно применение закона полного тока оказывается возможным с заменой кольцевых линий напряженности поля на среднюю линию магнитопровода 3.

Учитывая малость величины напряженности магнитного поля, наводимую током в фазном проводе 1 в магнитопроводе 3, для создания практически интересных (обычно это 5…12 В) величин напряжения на выходных зажимах 5 и 6 первичного преобразователя 2, подключенных к типовым нагрузкам 5…25 Ом, число витков вторичной обмотки 4 составляет нескольких сотен (в зависимости от величины тока в фазном проводе). Однако при этом резко возрастает внутреннее сопротивление первичного преобразователя 2, что ограничивает возможность эффективного отбора мощности в нагрузку. Противоречия между большим числом витков W и соответствующим этому большому числу витков большому внутреннему сопротивлению разрешается реализацией в выходной цепи первичного преобразователя 2 режима последовательного резонанса. Режим последовательного резонанса создается последовательным включением в цепь вторичной обмотки 4 неполярного конденсатора 15. Это объясняется тем, что основной вклад во внутреннее сопротивление первичного преобразователя 2 вносит реактивное сопротивление индуктивности вторичной обмотки 4.

С выхода первичного преобразователя 2 переменное напряжение подается на вход выпрямительного диодного моста 7. Разрядник газовый 16, включенный параллельно входным зажимам выпрямительного диодного моста 7, выполняет функцию защитного предохранителя по напряжению в случае превышения током фазного провода предельно допустимых значений (для каждого конкретного варианта устройства, рассчитываемого на свой рабочий диапазон токов, эти величины различаются). По физическим функциям разрядник газовый 16 является инерционным элементом, реагирующим на квазистатические (в сравнении с 50 Гц) процессы.

С выхода выпрямительного диодного моста 7 переменное напряжение положительной полярности (относительно массы 29 вторичного источника питания) через параллельно включенный стабилизатор напряжения 17 и последовательно с ним включенный ограничитель тока 18 поступает на вход полярного сглаживающего конденсатора 8. Причем стабилизатор напряжения 17 ограничивает уровень переменного напряжения положительной полярности на выходе выпрямительного диодного моста 7 значениями, допустимыми для сглаживающего полярного конденсатора 8, а ограничитель тока 18 работает как ключ, размыкающий ветвь, в которую он включен на период запирания ШИМ модулятора DC-DC конвертора преобразователя-стабилизатора напряжения 9. В противном случае, при закрытом ШИМ модуляторе, сглаживающий полярный конденсатор 8 зарядится от выпрямительного диодного моста 7 до положительного значения пикового переменного напряжения на его выходе. Эти значения могут быть существенно выше допустимых номиналов сглаживающего полярного конденсатора 8.

Преобразователь-стабилизатор напряжения 9, выполненный в виде DC-DC конвертора на базе ШИМ модулятора, преобразует напряжение на сглаживающем полярном конденсаторе 8 в рабочее напряжение нагрузки 12. Нагрузка 12 подключена к выходным зажимам 10 и 11 преобразователя-стабилизатора напряжения 9 через последовательно включенный токовый шунт 20 для контроля тока нагрузки 12. Контроль тока нагрузки осуществляется с помощью аналого-цифрового преобразователя 25 контроля тока нагрузки 12. Для этого вход аналого-цифрового преобразователя 25 подключен к точке соединения вывода токового шунта 20 и нагрузки 12.

Рабочее напряжение на нагрузке 12 контролируется с помощью аналого-цифрового преобразователя 24 контроля напряжения нагрузки 12.

Напряжение на входе преобразователя-стабилизатора напряжения 9, а значит и на зажимах сглаживающего полярного конденсатора 8 контролируется с помощью аналого-цифрового преобразователя 26, вход которого подключен к зажимам сглаживающего полярного конденсатора 8.

Состояние аккумуляторной батареи 13 поддерживается зарядным устройством 14, вход которого включен параллельно сглаживающему полярному конденсатору 8, а выход положительного потенциала зарядного устройства 14 подключен к зажиму положительного потенциала аккумуляторной батареи 14. Если положительное напряжение сглаживающего полярного конденсатора 8 выше, чем напряжение на зажимах аккумуляторной батареи 13, то диод 21 автоматического подключения аккумуляторной батареи 13 заперт и нагрузка 12 запитывается от преобразователя-стабилизатора напряжения 9. Если же положительное напряжение сглаживающего полярного конденсатора 8 ниже, чем напряжение на зажимах аккумуляторной батареи 13, то диод 21 автоматического подключения аккумуляторной батареи 13 открывается и нагрузка 12 запитывается от аккумуляторной батареи 13.

Напряжение аккумуляторной батареи 13 контролируется аналого-цифровым преобразователем 22 контроля напряжения аккумуляторной батареи 13, а ток заряда аккумуляторной батареи 13 контролируется с помощью аналого-цифрового преобразователя 23 контроля тока аккумуляторной батареи 13.

Упрощение конструкции достигается за счет конструкции первичного преобразователя 2, по существу в виде многовиткового дросселя, и реализации резонансного режима в цепи съема мощности за счет последовательно включенного неполярного конденсатора 8. При этом в первичном преобразователе функции трансформатора тока и трансформатора напряжения совмещены в дросселе, питаемом от источника тока. Тем не менее, относительно выходных зажимов первичный преобразователь представляет собой источник напряжения, управляемый током, причем источник работает в резко нелинейном режиме. Поэтому непосредственное применение стандартных DC-DC конверторов оказывается в таком устройстве невозможно.

Применения шунтирующих резистивных цепей для ограничения тока в нагрузке, нерациональное из-за роста потерь мощности, рассеиваемой на элементах цепи вторичного источника отбора мощности, удалось избежать за счет введения в устройство стабилизатора напряжения 17, ограничителя тока 18. Это позволило достичь уменьшения потерь мощности, рассеиваемой на элементах цепи вторичного источника отбора мощности, так как ограничивается отбор мощности от первичного преобразователя.

Вторичный источник бесперебойного питания с отбором мощности от фазного провода 1 линии электропередачи высокого напряжения 110 кВ, круговой промышленной частоте ω=314 рад/с, на основе магнитопровода 3 типоразмера ПЛ 20×40-80 из анизотропной холоднокатаной стали марки 3406 при числе витков вторичной обмотки, равном 300, из провода ПЭВ диаметром 0,9 мм и применением электронной системы стабилизации позволил снять на нагрузку 24 Ом фиксированное напряжение от 12 B при изменении фазного тока в пределах от 100 до 300 A. Этой мощности достаточно для обеспечения работы, например, маломощных первичных датчиков и систем радиоканальной передачи данных в автономных системах автоматики ЛЭП.

Достигнутый результат обеспечен построением стабилизатора напряжения 17 на напряжение 35-40 B и ограничителя тока на 0,7 A на базе одной и той же микросхемы TL 783.

Использование вторичного источника бесперебойного питания с отбором мощности от тока фазного провода позволяет обеспечить устойчивый режим питания автономных автоматических измерительных устройств, размещенных вблизи линий электропередачи.